CN116569020A - 用于确定粘度测量值的方法和测量设备以及用于确定体积流量测量值的方法和测量装置 - Google Patents
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Abstract
用于确定在振荡中引导的介质的粘度测量值(η)的方法(100)，包括：激发测量管的至少一个振动模式(110)；确定振动模式的固有频率(120)；确定介质的密度(130)；确定振动模式的阻尼(140)；取决于密度、振动模式的阻尼和固有频率来确定粘度测量值(160)，其中，取决于介质类型的规范利用对应于该规范的模型来确定粘度测量值(η)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定粘度测量值的方法和测量设备，以及一种用于确定体积流量测量值的方法和测量装置。
背景技术
原则上，已知使用测量管振荡的阻尼——例如，在使用激发器激发的振荡模式的共振频率下激发电流和使用其实现的振荡幅度的比——来确定在振荡测量管中传导的介质的粘度。然后识别阻尼的介质特定的部分，以便基于其确定粘度。在US 7,059,176B2、DE10020606A1和DE 102017116515A1中描述了借助于测量管的振荡阻尼的粘度测量。如果粘度超过100cP，概述的过程会产生令人满意的结果。然而，在较低的粘度下，观察到以这种方式确定的测量值与介质粘度的参考值的显著偏差。粘度测量值用于体积流量测量中的雷诺数(Reynolds number)校正也是不令人满意的，并且有利的是甚至对于低于100cP、特别是低于10 cP的粘度，使用还特别用于体积流量测量值的测量管的振荡阻尼来确定仍然有效的粘度测量值，该粘度测量值使得能够实现精确的雷诺数校正。本发明的目的是在此实现补救。
发明内容
根据本发明的用于确定在振荡测量管中传导的介质的粘度测量值的方法包括：激发测量管的至少一个振荡模式；确定振荡运动的固有频率；确定介质的密度；确定振荡模式的阻尼；取决于振荡模式的阻尼、固有频率和密度确定粘度测量值；其中，根据本发明，根据介质的类型的规范，使用与该规范对应的模型来确定粘度测量值。
根据本发明，使用介质的规范(specification)确定粘度因此考虑了它是什么类型的介质；在适用的情况下，介质的化学成分可以选择性地用于其规范，其中，用于确定粘度测量值的与规范对应的模型是使用相同或相似化学成分的介质开发的。
在本发明的改进中，识别包括介质与物质组的关联，其中，模型包括物质组特定的模型。相对于在每种情况下针对多个化学成分具有模型改进的实施例，该改进简化了方法。
根据本发明的改进，当使用第二物质组的第二模型确定的粘度测量值不超过10cP时，使用第一物质组的第一模型确定的粘度测量值比使用第二模型确定的粘度测量值大至少20％，特别是大至少40％。
例如，第一和第二模型可以具有相同的传递函数，该传递函数在模型之间的区别仅在于其系数，但原则上也可以使用不同的传递函数。
根据本发明的改进，第一模型和第二模型在每种情况下具有用于取决于振荡模式的固有频率、阻尼以及介质的密度来确定粘度测量值的传递函数，其中，第一传递函数和第二传递函数在每种情况下具有基本阻尼项，其中，利用基本阻尼项校正所确定的阻尼，以便确定介质特定的阻尼值，其中，第一传递函数的第一基本阻尼项不同于第二传递函数的第二基本阻尼项。
基本阻尼项描述了粘度接近零时原始测量振荡的阻尼。对于测量传感器类型，或者对于单独的测量传感器，针对每个传递函数确定具有来自物质组的足够低粘度介质的物质组特定的基本阻尼值。根据现有技术，经由在低粘度下外推依赖于粘度的阻尼值以依赖于物质组的方式确定基本阻尼值。结合关于本发明的研究，已经表明该过程在小于大约10cP的粘度下不是有效的。因此，。本发明提出确定物质特定的或物质组特定的基本阻尼值
根据本发明的改进，针对第一模型的第一传递函数具有第一灵敏度因子A11，其偏离针对第二模型的第二传递函数的第二灵敏度因子A12，其中，在每种情况下所确定的粘度测量值与灵敏度因子成比例。
根据本发明的改进，所确定的粘度测量值取决于介质特定的阻尼值的平方，并且特别地与介质特定的阻尼值的平方成比例。
根据本发明的改进，基本阻尼项具有基本阻尼因子A0i和密度校正项的乘积，其中，第一传递函数的基本阻尼因子A0i偏离第二传递函数的基本阻尼因子。
根据本发明的改进，密度校正项具有确定的介质密度与参考密度的偏差的函数。
根据本发明的改进，密度校正项对于第一模型和第二模型是相同的。
根据本发明的改进，利用粘度在90cP和110cP之间的传递函数确定的物质组特定的粘度测量值与利用下述物质组特定的控制传递函数确定的控制粘度测量值偏差不超过10％，其中，利用粘度在1cP和90cP之间的传递函数确定的物质组特定粘度测量值与利用下述物质组特定的控制传递函数确定的控制粘度测量值偏差不超过50％：
其中，A0i是在第一和第二控制传递函数之间不同的依赖于物质组的基本阻尼因子，
其中，A1i是在第一控制传递函数和第二控制传递函数之间不同的依赖于物质组的灵敏度因子，
其中，A2i是对密度对于阻尼的影响进行建模的加权因子，其中，ρ是确定的介质密度，并且ρref是参考密度，
其中，D是确定的阻尼，以及
其中，f表示激发的弯曲振荡模式的频率。
在本发明的改进中，ρref对于两个控制传递函数是相同的。
在本发明的改进中，A2i对于两个控制传递函数是相同的。
根据本发明的改进，参考密度ρref对于两个传递函数是相同的，其中，特别地，密度校正项的系数A2i对于两个传递函数是相同的。
上面的控制函数显然是合适的传递函数，以便能够基于前述输入变量来计算所寻求的粘度测量值，因为它们以可理解的方式表示事态的物理状态。然而，也可以在规定的粘度范围内用具有指定精度的其他函数来近似寻求的粘度测量值。因此，同样可以使用根据本发明的材料特定的模型的形式不同的数学描述来实现本发明。
根据本发明的用于确定介质的粘度测量值的测量设备包括：具有用于传导介质的振荡测量管的测量传感器、用于激发测量管的至少一个振荡模式的激发器以及用于检测测量管振荡的振荡传感器；具有计算单元的测量和操作电路，其用于驱动激发器和用于检测振荡传感器的信号；其中，根据本发明，测量和操作电路被配置为利用测量设备实施根据本发明的方法。
根据本发明的用于确定流动介质的体积流量测量值的方法包括：确定初步体积流量测量值；通过根据本发明的用于确定粘度测量值的方法确定介质的粘度测量值；基于初步流量测量值、密度测量值和粘度测量值来确定介质的雷诺数；以及，基于初步体积流量测量值和雷诺数来确定用雷诺数校正的体积流量测量值。
根据本发明的用于通过根据本发明的用于确定体积流量测量值的方法来确定流动介质的体积流量测量值的测量点包括：用于确定初步流量体积测量值的流量计和根据权利要求12所述的测量设备，其彼此功能性连接以便交换实现该方法所需的数据。
根据本发明的科里奥利质量流量计包括：至少一个测量管，用于传导介质的；至少一个激发器，用于激发测量管的至少一个振荡模式；至少两个振荡传感器，用于检测测量管振荡和振荡模式的依赖于流量的变形；具有计算单元的测量和操作电路，被配置为实施根据本发明的用于利用科里奥利质量流量计确定粘度测量值和体积流量测量值的方法。
附图说明
现在根据附图中所示的示例性实施例解释本发明。示出了如下内容：
图1：对于不同介质，根据现有技术的粘度测量值与参考数据的偏差；
图2：根据本发明的方法的示例性实施例的流程图；以及
图3：根据本发明的测量点的示例性实施例的示意图。
具体实施方式
在图1中，绘制了根据现有技术针对不同介质确定的粘度测量值相对于介质粘度的相应参考值的相对偏差。因此，根据下式，基于具有独立于介质类型的模型的测量管的振荡阻尼来确定粘度测量值：
在上式中，独立于介质的系数A1、A2和A0描述了设备特定的灵敏度因子、密度校正项的系数和基本阻尼，其中，ρ和ρref表示相应介质的密度值或其参考密度值，特别是1000kg/m3。实线指示相对于相应粘度参考值的±10％的相对偏差，包括±1cP。在此通过基于观察到的阻尼值和参考粘度的回归计算，确定基本阻尼A0。由此可以看出，随着粘度的降低，粘度低于10cP的独立于介质的基本阻尼对于介质的第一部分太大而对于介质的第二部分太小。
根据本发明，因此提出在确定粘度测量值时考虑介质的类型，例如创建用于介质或介质类型的特定模型——其描述粘度和阻尼之间的关系，或者介质或介质类型与已经存在模型的物质组相关联——该模型足够准确地描述粘度和阻尼之间的关系。对于一种介质类型，例如，可以针对上面等式确定介质类型特定的系数A1m、A2m和A0m，然后将其用于粘度测定，特别是在粘度低于大约10cP的情况下。在本场境中，介质类型例如应理解为二元混合物或在某些情况下理解为三元混合物，其中，粘度取决于混合物组分的混合比。例如，对于水和甘油的混合物，可以表示从小于1cP到1000cP范围内的粘度，针对其可以在每种情况下确定阻尼值。基于混合物的阻尼值和对于混合物已知的参考值，然后可以例如通过确定合适的系数A1m、A2m和A0m建立特定于水-甘油介质类型的模型。
介质类型的进一步示例是其粘度可以经由分子量调节的物质；例如，硅油就是如此，针对其可以实现可以从小于10cP到大于10,000cP的粘度值。为硅油建立介质类型特定的模型的过程与对于混合物上述的过程相对应。
此外，从图1中的图可以知道，在粘度低于10cP时，粘度测量值相对于粘度的参考值的相对偏差可以合并为两个物质组，如图1中的椭圆所示。虚线椭圆在此包含此类介质或介质类型以形成第一物质组，根据等式I，对于独立于介质类型的模型，基于阻尼的粘度测量值太大。对于该第一物质组，可以显著降低与第一物质组特定的模型的偏差，在该模型中使用更大的第一物质组特定的基本阻尼值A01。此外，实线椭圆组合了下述介质或介质类型以形成第二物质组，根据等式I，针对其基于阻尼的粘度测量值对于独立于介质类型的模型而言太小。对于该第二物质组，可以显著降低与第二物质组特定的模型的偏差，在该模型中使用更小的、第二物质组特定的基本阻尼值A02。可以例如通过回归计算使用观察到的物质组介质的阻尼值来确定精确的物质组特定的基本阻尼值。如果要分析建立模型后尚未分类的介质类型，在最简单的情况下，可以经由在低粘度下、尤其是10cP以下的几次阻尼测量将其与物质组之一相关联。与现有技术相比，基于测量管振荡的阻尼与物质组特定的模型确定粘度测量值导致显著提高的精度。
在测量操作中，例如以下述形式的根据本发明的物质组特定的模型或其传递函数
用于计算粘度测量值。
例如，第一物质组包括以下介质或介质类型：
水-甘油混合物、葡萄糖和聚钨酸盐水溶液
例如，第二物质组包括以下介质或介质类型：
乙醇-水混合物、丙酮-异辛烷混合物和硅油。
为了实施根据本发明的方法，将至少一个介质类型特定的模型或至少一个物质组特定的模型以及关于要应用哪种模型的信息提供给测量和操作电路的计算单元，这例如可以通过输入介质的类型来完成，其中，计算单元被配置为基于存储的关联来选择合适的模型。
现在使用图2解释根据本发明的方法的示例性实施例100的实施方式。方法可以例如使用科里奥利质量流量测量传感器来实施，并且开始于检测粘度确定所需的输入变量。为此，在第一步骤110中，发生测量传感器的测量管或测量管对的至少一个振荡模式的激发；例如，这可以是有用的弯曲振荡模式，或直测量管的扭转模式。在第二步骤120中，发生振荡模式的固有频率的确定。基于固有频率，在下一步骤130中发生介质的密度的确定。
此外，测量设备的承载管和测量管的温度参与密度的确定，以便计算依赖于温度的弹性模量并考虑热引起的机械应力。
在进一步的步骤140中发生振荡模式的阻尼的确定。例如，这源自用于维持振荡模式中的振荡的激发电流与由此实现的振荡幅度的比率或源自在关闭激发电源后的振荡幅度的阻尼行为。
此外，测量设备的承载管和测量管的温度在适用时参与阻尼的确定，以便补偿激发器的效率和传感器的灵敏度的温度依赖性。
在下一步骤150中，发生介质特定的阻尼的确定。在此从确定的阻尼中减去基本阻尼值，其中，基本阻尼值是介质类型特定的或物质组特定的。最后，在步骤160中，发生粘度测量值的确定，其中，特别是用于确定介质特定的阻尼的步骤150和用于确定粘度测量值的步骤160可以整合到传递函数(例如，根据等式II的传递函数)的评估中。这样，与现有技术相比，粘度测量中的相对测量误差大大减小。
粘度测量值可以被输出或用作确定其他测量变量的辅助变量，诸如用于取决于雷诺数校正体积流量测量值，如EP 1281938B1中对于质量流率描述的。因此在本发明提供更准确的粘度测量值的范围内，也可以确定更准确的雷诺数，这最终使得能够更准确地校正体积流量测量值。
该过程由图2中的可选方法步骤图示，其中，初步流量测量值的确定最初在第一步骤170中用体积流量测量传感器进行。在接下来的步骤180中，雷诺数的确定基于初步体积流量测量值、密度、粘度测量值、和流量测量传感器的特征变量——例如流量测量传感器的测量管直径——而发生，在最后的步骤190中，校正的流量测量值的确定根据EP 1281938B1中描述的原理发生。
流量测量传感器可以是同样用于确定粘度测量值的相同测量传感器，但这不是绝对强制的。类似地，可以例如利用超声波流量测量传感器或磁感应测量传感器发生对利用不同测量原理确定的初步体积流量测量值的校正。
如图3所示，根据本发明的测量点50的示例性实施例包括科里奥利质量流量测量传感器1，其被设计为根据本发明的测量设备的示例性实施例，即，其被配置成实施根据本发明的方法并确定粘度测量值。科里奥利质量流量测量传感器1包括振荡器10，振荡器10包括一对平行引导并在入口侧法兰11和出口侧法兰12之间延伸的振荡测量管14，其中，法兰在每种情况下包括流量测量管14通向其中的流量分流器或收集器。流量分流器通过刚性外壳15彼此连接，使得容纳测量管的流量分流器的振荡在振荡器的有用弯曲振荡模式的振荡频率范围内被有效地抑制。测量管10刚性连接到入口侧节点板20和出口侧节点板21，其中，节点板限定了由两个测量管14形成的振荡器10的振荡节点，从而在很大程度上建立了有用的弯曲振荡模式的可能频率的范围。振荡器10被作用在两个测量管14之间的电动激发器17激发以振荡，其中，通过检测测量管14相对于彼此的相对运动的两个电动振荡传感器18、19来检测振荡。激发器17由具有第一计算单元32的第一操作和评估电路30运行，其中，该操作和评估电路被配置为实施根据本发明的方法。测量点还包括管路70，管路70的公称直径是科里奥利质量流量测量传感器1的公称直径的倍数。科里奥利质量流量测量传感器布置在旁路中，具体平行于布置在管道中的流量计60，例如超声波流量计60。超声波流量计60具有带有第二计算单元64的第二操作和评估电路62，其用于操作超声波流量计。第二计算单元64连接到第一计算单元34以进行数据交换。第二计算单元64被配置为确定初步体积流量测量值，并基于由第一计算单元34提供的密度和粘度值来提供相对于雷诺数校正的体积流量测量值。
当然，科里奥利质量流量测量传感器1的第一计算单元34也可以被配置为提供相对于雷诺数校正的体积流量测量值，无论是基于由另一流量计确定的初步体积流量测量值还是基于使用科里奥利质量流量测量传感器1确定的初步体积流量测量值。
Claims (16)
1.一种用于确定在振荡内传导的介质的粘度测量值(η)的方法(100)，所述方法包括：
激发所述测量管的至少一个振荡模式(110)；
确定所述振荡模式的固有频率(120)；
确定所述介质的密度(130)；
确定所述振荡模式的阻尼(140)；
取决于所述密度、所述振荡模式的所述固有频率、和所述阻尼，确定所述粘度测量值(160)，
其特征在于，
取决于介质类型的规范利用对应于所述规范的模型来确定所述粘度测量值(η)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述规范包括所述介质与物质组的关联，并且其中，所述模型包括物质组特定的模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，当利用针对第二物质组的第二模型确定的粘度测量值(η)不超过10cP时，利用针对第一物质组的第一模型确定的粘度测量值(η)比利用所述第二模型确定的粘度测量值(η)、比利用第二模型确定的粘度测量值大至少20％，特别是大至少40％。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一模型和所述第二模型在每种情况下具有传递函数，其中，第一传递函数和第二传递函数在每种情况下具有基本阻尼项(A01，A02)，其中，利用所述基本阻尼项校正所确定的阻尼以便确定介质特定的阻尼值，其中，针对所述第一传递函数的第一基本阻尼项不同于针对所述第二传递函数的第二基本阻尼项。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，针对所述第一模型的所述第一传递函数具有第一灵敏度因子(A11)，所述第一灵敏度因子(A11)偏离针对所述第二模型的所述第二传递函数的第二灵敏度因子(A12)，其中，所确定的粘度测量值(η)在每种情况下与所述灵敏度因子成比例。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所确定的粘度测量值取决于所述介质特定的阻尼值的平方，并且特别是与所述介质特定的阻尼值的所述平方成比例。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述基本阻尼项具有基本阻尼因子A0i和密度校正项的乘积，其中，所述第一传递函数的基本阻尼因子A0i偏离所述第二传递函数的基本阻尼因子。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述密度校正项具有所述介质的所确定的密度与参考密度的偏差的函数。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述密度校正项对于两个模型是相同的。
10.根据权利要求4至9中的任一项所述的方法，其中，对于90cP和110cP之间的粘度，利用传递函数确定的物质组特定的粘度测量值与利用下述物质组特定的控制传递函数确定的控制粘度测量值偏差不超过10％，并且其中，对于1cP和90cP之间的粘度，利用传递函数确定的物质组特定的粘度测量值与利用下述物质组特定的控制传递函数确定的控制粘度测量值偏差不超过50％：
其中，A0i是在所述第一控制传递函数和所述第二控制传递函数之间不同的依赖于所述物质组的基本阻尼因子，
其中，A1i是在所述第一控制传递函数和所述第二控制传递函数之间不同的依赖于所述物质组的灵敏度因子，
其中，A2i是对密度对于所述阻尼的影响进行建模的加权因子，其中，ρ是所述介质的所确定的密度，并且ρref是参考密度，
其中，D是所确定的阻尼，并且
其中，f表示所激发的弯曲振荡模式的频率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，ρref对于两个控制传递函数是相同的。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，A2i对于两个控制传递函数是相同的。
13.一种用于确定介质的粘度测量值的测量设备(1)，所述测量设备(1)包括：
具有用于传导所述介质的振荡测量管(14)的测量传感器、用于激发所述测量管(14)的至少一个振荡模式的激发器(17)、以及用于检测所述测量管振荡的振荡传感器(18、19)；以及
测量和操作电路(32)，所述测量和操作电路(32)包括用于驱动所述激发器(17)和用于检测所述振荡传感器(18、19)的信号的计算单元(34)；
其特征在于，所述测量和操作电路(32)被配置为利用所述测量设备(1)实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)。
14.一种用于确定流动介质的体积流量测量值的方法，所述方法包括：
确定初步体积流量测量值(170)；
通过根据权利要求1至12中的任一项所述的方法确定所述介质的粘度测量值(160)；
基于所述初步体积流量测量值、所述密度测量值和所述粘度测量值来确定所述介质的雷诺数(180)；以及
基于所述初步体积流量测量值和所述雷诺数来确定利用所述雷诺数校正的体积流量测量值(190)。
15.一种用于通过根据权利要求14所述的方法确定流动介质的体积流量测量值的测量点(50)，所述测量点(50)包括：
流量计(60)，所述流量计(60)用于确定初步体积流量测量值，以及
根据权利要求13所述的测量设备(1)，所述测量设备(1)和所述流量计(60)彼此功能性连接以便交换执行所述方法所需的测量值。
16.一种科里奥利质量流量计(1)，包括：
至少一个测量管(14)，所述至少一个测量管(14)用于传导介质；
至少一个激发器(17)，所述至少一个激发器(17)用于激发所述测量管的至少一个振荡模式；
至少两个振荡传感器(18、19)，所述至少两个振荡传感器(18、19)用于检测测量管振荡和振荡模式的依赖于流量的变形；
测量和操作电路(32)，所述测量和操作电路(32)包括计算单元(34)，所述测量和操作电路(32)被配置为使用所述科里奥利质量流量计(1)来实施根据权利要求13和14所述的方法。
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