CN117355730A - 科里奥利质量流量计和监测科里奥利质量流量计的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于监测具有用于输送介质的至少一个可振荡测量管的科里奥利质量流量计的方法(100)，包括：查明(110)科里奥利质量流量计的弯曲振荡所需模式的共振频率；查明(120)作为共振频率的函数的在测量管中传送的介质的密度测量值；利用激励信号激励(130)非共振的弯曲振荡，该激励信号具有激励信号幅度和激励频率，该激励频率等同于弯曲振荡所需模式的共振频率的μ倍；记录(140)传感器信号并查明非共振的弯曲振荡的传感器信号幅度；取决于传感器信号幅度与弯曲振荡的激励信号幅度的比来查明(145)测量管的完整性函数的值，其特征在于，完整性函数进一步取决于传递函数的密度项，其中，传递函数的密度相关项对多个振荡模式对于传感器信号的贡献进行建模，其中，通过传递函数的密度相关项，完整性函数被简化至参考条件，和/或被变换成完整性值，其对介质密度没有交叉敏感性。
Description
技术领域
本发明涉及科里奥利质量流量计及其监测方法。
背景技术
欧洲专利EP2 638 367B1涉及这样一种方法，在该方法中，利用与弯曲振荡模式的本征频率具有固定的关系的激励频率，来激励处于非共振的测量管的弯曲振荡模式的测量管振荡，以查明传递函数的值，该传递函数由用于记录测量管振荡的振荡传感器的传感器信号幅度与用于激励测量管振荡的激励器的激励信号幅度的比形成。
基于该传递函数值的改变，可以早检测到质量流量计的改变，尤其是测量管弹性属性的改变，这可能是由磨损或腐蚀引起的。一方面，非共振的激励是有利的，因为传递函数然后基本上独立于振荡测量管的质量，其可以变化多个数量级。另一方面，在没有受激弯曲振荡模式的较大共振响应的情况下，相邻弯曲振荡模式在传感器信号中的贡献的相对重要性增加，使得相邻弯曲振荡模式不能被忽略。在这样的情况下，另外要注意的是，相邻弯曲振荡模式的贡献的相对重要性是可变的，并且尤其是密度相关的。因此，本发明的目的是考虑到上述问题提供一种改进的监测方法以及实施这样的方法的科里奥利质量流量计。根据本发明，该目的通过独立权利要求1中限定的方法和独立权利要求11中限定的科里奥利质量流量计来实现。
发明内容
本发明的用于监测具有用于输送介质的至少一个可振荡测量管的科里奥利质量流量计的方法包括：查明弯曲振荡所需模式的共振频率；查明在测量管中输送的介质的密度测量值作为共振频率的函数；利用激励信号激励非共振的弯曲振荡，该激励信号具有激励信号幅度和激励频率，该激励频率等同于弯曲振荡所需模式的共振频率的μ倍；记录传感器信号并查明非共振的弯曲振荡的传感器信号幅度；取决于弯曲振荡的传感器信号幅度与弯曲振荡的激励信号幅度的比来查明测量管的完整性函数的值，其中，完整性函数进一步取决于传递函数的密度相关项，其中，传递函数的密度相关项对多个振荡模式对传感器信号的贡献进行建模，其中，通过传递函数的密度相关项，完整性函数被简化至参考条件，和/或被变换成完整性值，其对介质密度没有交叉敏感性。
一般来说，传递函数T(ω)对取决于激励器角频率ω＝2πf的比U(ω)/I(ω)进行建模，其中f是激励器频率，U(ω)以及I(ω)分别指激励器角频率ω下的传感器电压信号幅度和激励器电流信号幅度。尤其是在电动传感器的情况下，传感器电压信号幅度U(ω)与速度成比例，因此，与传感器所在位置测量管的振荡幅度成比例，并且与振荡频率成比例。
在本发明的进一步发展中，传递函数的密度相关项将传感器信号幅度与激励信号幅度的比建模为激励频率和介质密度的函数。
在本发明的进一步发展中，传递函数的密度相关项包括被加数，其与各个振荡模式对传感器信号的贡献成比例，其中，振荡模式的贡献取决于激励频率与振荡模式的本征频率的比。
传递函数然后可以表示为，例如：
T(ω)＝jωesedΣAi(ω,ωi(ρ)) (I)
在这样的情况下，es和ed分别是振荡传感器和激励器的有效性系数。因此，它们描述了每速度的电压，或每电流的力。
模态贡献Ai(ω,ωi(ρ))可以被表示为：
在这样的情况下，ωi(ρ)是取决于介质密度ρ的弯曲振荡模式的本征(角频率)，而Qi是这样的弯曲振荡模式的质量。
表达ni表示弯曲振荡模式的有效模态可激励性，其中，诸如这里，根据本发明的另一发展的传递函数的密度相关项将各个振荡模式对传感器信号的贡献建模为与有效模态可激励性成比例。
有效模态可激励性尤其与激励器所在位置的归一化模态振荡幅度和传感器所在位置的归一化模态振荡幅度的乘积除以测量管的模态刚度的商成比例。例如，模态振荡幅度的归一化可以发生使得模态振荡幅度沿着测量管的积分在每种情况下假设值1。
在本发明的进一步发展中，传递函数的密度相关项通过模式特定比例因子γ将两种振荡模式的模态可激励性相关联。
在本发明的进一步发展中，传递函数的密度相关项对各个振荡模式对传感器信号的贡献进行建模，在每种情况下都没有阻尼。
在本发明的进一步发展中，传递函数的密度相关项将振荡模式的本征频率建模为彼此成比例。
在本发明的进一步发展中，传递函数的密度相关项将两个振荡模式的本征频率之间的模式特定比例因子建模为密度测量值的函数fi(ρ)。
如果认为激励器角频率ω与弯曲振荡所需模式的本征(角频率)ω1相差恒定因子μ，其中，例如1.05<μ<1.5，则模态贡献Ai可以被表示为：
在本发明的进一步发展中，该函数是密度测量值的线性函数，因此，例如：
fi(ρ)＝ai+bi·(ρ-ρref) (IV)
在这样的情况下，ai和bi是模式特定系数，而ρref是参考密度，例如1000kg/m3。
具有以下定义
传递函数可以被写为：
去除了密度相关性的完整性函数HBSI可以被定义为：
该表达式描述了传感器灵敏度es、激励器有效性ed和弯曲振荡所需模式的模态灵活性n1的乘积。在知道比例因子γi和Bi的情况下，通过记录传递函数U/I的值可以简单地确定完整性函数的值。
完整性函数HBSIraw的简化变体是
HBSIraw的值直接跟随在记录传输函数U/I的值之后。
简化的完整性函数HBSIraw具有密度相关性，诸如可以通过等式(VII)和(VIII)中的定义的比较看出。据此，
HBSIraw(ρ)＝HBSI·∑γiBi(μ，ρ) (IX)
然而，为了能够利用简化的完整性函数HBSIraw执行可靠的监测，需要将在密度ρ的情况下获得的简化的完整性函数的值减小到参考密度ρref下的对应值。就此而言，校正函数fdens(ρ)可以被定义如下：
使用此校正函数fdens(ρ)，为了可比较性，简化的完整性函数可以简化为参考条件，如下所示：
HBSIraw(ρref)＝fdens(ρ)HBSIraw(ρ) (XI)
在本发明的进一步发展中，除了弯曲振荡所需模式的贡献之外，传递函数还对仅一种附加振荡模式对传感器信号的贡献进行建模。在这样的情况下，传递函数可以被写为：
根据等式(IV)，使用f(ρ)的线性函数，则：
例如，对应的密度独立完整性函数可以被写为：
使用函数C(ρ)的以下定义
然后：
在该实施例中，为了实现本发明的方法，仅需要确定三个参数，即密度相关性的线性函数的系数α、β和可激励性系数γ。
在本发明的进一步发展中，密度相关性的线性函数的系数α、β和可激励性系数γ是特定查明的类型并且被提供在本发明的科里奥利质量流量计的测量和运算电路的数据存储器中，其中，可激励性系数γ优选地针对科里奥利质量流量计的每个示例，优选地在设备参数的初始确定尤其是工厂确定中进行单独匹配。
在传递函数根据等式(XIII)的情况下，简化完整性函数HBSIraw的对应校正函数fdens(ρ)可被表示为：
通过将简化的完整性函数HBSIraw(ρ)的测量值与校正函数fdens(ρ)相乘，在本发明的另一改进中，测量结果在参考条件下被简化为简化完整性函数的值HBSIraw(ρref)。
当完整性函数HBSI或简化完整性函数的值在参考条件HBSIraw(ρref)下改变超出容差值时，这指示测量管的模态刚度、传感器灵敏度或激励器有效性的改变。在本发明的进一步发展中，在这样的情况下，输出对应的错误报告。众所周知，这些变量对温度具有交叉敏感性。在本发明的进一步发展中，考虑这些交叉敏感性，以便提供完整性函数HBSI或简化的完整性函数HBSIraw的与温度无关的值。
本发明的科里奥利质量流量计包括：至少一个用于输送介质的可振荡测量管；至少一个激励器，用于根据激励信号来激励测量管的弯曲振荡；至少一个振荡传感器，用于记录至少一个测量管的弯曲振荡并用于输出振荡相关的传感器信号；以及至少一个测量和操作电路，用于向激励器供应激励信号并且用于记录传感器信号，其中，测量和操作电路适于执行本发明的方法。
附图说明
现在将基于附图中的实施例的示例更详细地解释本发明，附图示出如下：
图1a是本发明的科里奥利质量流量计的实施例的示例的侧视图；
图1b是图1a所示的本发明的科里奥利质量流量计的实施例的示例的透视图。
图2是本发明的方法的实施例的示例的流程图；
图3a是密度相关简化完整性函数HBSIraw(ρ)的值的图；
图3b是密度相关校正函数fdens(ρ)的图，其系数是基于图3a中密度相关简化完整性函数HBSIraw(ρ)的值确定的；以及
图3c是具有密度相关函数的图，其系数是基于图3a中的密度相关简化完整性函数HBSIraw(ρ)值确定的，并且用于将密度相关简化完整性函数HBSIraw(ρ)的值减少到密度独立完整性函数HBSI的值。
具体实施方式
图1a和1b所示的是本发明的科里奥利质量流量计2的实施例的示例，其适合于执行本发明的方法。科里奥利质量流量计2包括两个可振荡地保持的测量管A和B，测量管A和B中的每个弯曲并且彼此平行地延伸。科里奥利质量流量计2可插入管道中，使得在管道中流动的流体流过两个测量管A、B。歧管4、6分别在测量管A、B和管道之间，在入口侧和在出口侧分别形成接口，它们通过支撑管ST刚性地连接在一起。这样，测量管的入口侧端部和出口侧端部也与支撑管ST耦合，由此有效地抑制了测量管的入口侧端部和出口侧端部之间的相对运动。电动激励器8布置在两个测量管A、B之间，由此两个测量管A、B可被激励以执行相对于彼此的弯曲振荡，其中，测量管A、B的自由振荡长度通过耦合元件10、11建立，测量管利用耦合元件10、11在入口侧和出口侧被机械耦合在一起。电动振荡传感器14、16分别布置在两个测量管A、B之间的入口侧部和出口侧部。图1a和1b示出了处于静止位置的具有一对弯曲测量管的科里奥利质量流量计的实施例的示例，本发明同样涉及具有单个测量管的科里奥利质量流量计或具有多对测量管的科里奥利质量流量计。同样，代替所示的相对于测量管横向平面镜像对称的弯曲测量管，S形测量管或直测量管也可用于实施本发明。
科里奥利质量流量计2附加地包括操作和评估电路18，其用于向激励器8供应激励器电流并且用于记录和评估电动振荡传感器14、16的测量信号。测量和操作电路尤其适合于执行本发明的方法来监测科里奥利质量流量计。这包括确定完整性函数的值，以便能够早检测科里奥利质量流量计的改变。
现在将基于图2解释本发明的方法的实施例的示例。
方法100开始于查明110科里奥利质量流量计的弯曲振荡所需模式的共振频率f1。在图1a和1b1所示的设备的情况下可以是这样，尤其是所谓的f1模式，其中两个测量管相对于彼此以相反相位振荡，而在耦合元件之间没有振荡节点。基于这样的共振频率f1，在第二步骤120中发生确定测量管中传送的介质的密度测量值。
为了查明完整性函数，发生具有激励器电流的共振频率的μ倍的非共振的弯曲振荡所需模式的激励130，其具有激励器电流幅度I，其中μ尤其假设值1.2。
接下来是传感器信号的记录140和非共振的弯曲振荡的传感器信号幅度U的查明145。
基于传感器信号幅度U和激励器电流幅度I，随后查明150完整性函数的值。例如，这可以是完整性函数HBSI的值或简化为参考密度的简化完整性函数HBSIraw(ρref)的值，其中参考密度ρref尤其是水的密度。
如上所解释，基于等式(XV)和(XVI)的完整性函数HBSI如下：
其中：
对应地，基于等式(VIII)、(XI)和(XVII)的简化完整性函数HBSIraw(ρref)如下：
其中：
对于给定的科里奥利质量流量计实施本发明的方法仅需要确定三个参数，即密度相关性的线性函数的系数α、β和可激励性系数γ。在这样的情况下，已经发现密度相关性的线性函数的系数α、β对于设备类型基本上是恒定的，并且仅可激励性系数γ表现出个体差异。因此，在大多数情况下，对于设备类型一次确定密度相关性的线性函数的系数就足够了，并且仅特别检查可激励性系数示例。现在将基于图3a至3c解释其过程。
为了尤其表征工厂新的科里奥利质量流量计，其测量管供应有大密度范围的介质，并以弯曲振荡所需模式——尤其是f1模式——的共振频率μ倍来振荡，以便查明特定的传递函数U/I以及密度相关的简化完整性函数HBSIraw(ρ)的值。
对此适合的介质是作为具有例如1000kg/m3的参考密度ρref的介质的水以及例如1.2kg/m3的密度ρ的空气，而达3100kg/m3的更高的密度可以用多钨酸钠溶液来实现。
图3a示出了密度相关简化完整性函数HBSIraw(ρ)的观测值。在这样的情况下所示的数据点来自同一测量设备类型的不同示例，其中，相同的符号表示来自特定示例的数据。
图3b示出了示例特定校正函数fdens(ρ)，利用该函数，HBSIraw(ρ)的值被减少到HBSIraw(ρref)的值，其中，fdens(ρref)根据定义假设值1并且普遍成立。
使用
以及
基于图3a中的数据来确定未知的示例特定系数α、β和γ，其中已经发现，可以假定用于设备类型的示例的系数α、β是恒定的。仅系数γ表现出个体差异，因此可以示例具体地查明。
因此，利用先前查明的系数，可以查明图3c中所示的示例特定函数1/(1+γ*C(ρ))，利用该函数可以确定密度相关简化完整性函数HBSIraw(ρ)的测量值根据下式减少到密度独立完整性函数HBSI的值
Claims (11)
1.一种用于监测具有用于输送介质的至少一个可振荡测量管的科里奥利质量流量计的方法(100)，包括：
查明(110)所述科里奥利质量流量计的弯曲振荡所需模式的共振频率；
查明(120)作为所述共振频率的函数的、在所述测量管中输送的介质的密度测量值；
利用激励信号激励(130)非共振的弯曲振荡，所述激励信号具有激励信号幅度和激励频率，所述激励频率等同于所述弯曲振荡所需模式的所述共振频率的μ倍；
记录(140)传感器信号并查明所述非共振的弯曲振荡的传感器信号幅度；
取决于所述弯曲振荡的所述传感器信号幅度与所述弯曲振荡的所述激励信号幅度的比来查明(145)所述测量管的完整性函数的值，
其特征在于
所述完整性函数进一步取决于传递函数的密度相关项，
其中，所述传递函数的所述密度相关项对多个振荡模式对于所述传感器信号的贡献进行建模，其中，通过所述传递函数的所述密度相关项，所述完整性函数被简化至参考条件，和/或被变换成对介质密度没有交叉敏感性的完整性值。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述传递函数将传感器信号幅度与激励信号幅度的比建模为所述激励频率和所述介质密度的函数。
3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其中，所述传递函数的所述密度相关项包括被加数，所述被加数与各个振荡模式对于所述传感器信号的所述贡献成比例，其中，振荡模式的所述贡献取决于所述激励频率与所述振荡模式的本征频率的比。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述传递函数的所述密度相关项将所述振荡模式的本征频率建模为彼此成比例。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述传递函数的所述密度相关项将两个振荡模式的本征频率之间的模式特定比例因子建模为密度测量值的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述函数是密度测量值的线性函数。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述传递函数的所述密度相关项对各个振荡模式对于所述传感器信号的贡献进行建模，在每种情况下都没有阻尼。
8.根据权利要求3至7中的一项所述的方法，其中，所述传递函数的所述密度相关项将各个振荡模式对所述传感器信号的贡献建模为与有效模态可激励性成比例。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述传递函数的密度相关项通过比例因子将两个振荡模式的所述模态可激励性相关联。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，除了所述弯曲振荡所需模式的贡献之外，所述传递函数模型的所述密度相关项还对仅一种附加振荡模式对于传感器信号的贡献进行建模。
11.一种科里奥利质量流量计，包括：
至少一个可振荡测量管，所述至少一个可振荡测量管用于输送介质；
至少一个激励器，所述至少一个激励器用于根据激励信号来激励所述测量管的弯曲振荡；
至少一个振荡传感器，所述至少一个振荡传感器用于记录所述至少一个测量管的所述弯曲振荡并用于输出振荡相关的传感器信号；以及
至少一个测量和操作电路，所述至少一个测量和操作电路用于向所述激励器供应激励信号并用于记录所述传感器信号，其中，所述测量和操作电路适于执行根据权利要求1至10中的一项所述的方法。
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