CN117561424A - 科里奥利流量计非理想流体测量及相关方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于操作流量计(5)的方法和装置。过程流体被放置在流量计(5)中。测量流体的温度。测量流体的密度。计算流体的声速(VoS)。计算质量流率误差，并计算流体的校正的质量流率。
Description
技术领域
本发明涉及流量计装置和方法，并且更特别地，涉及用于测量乙烯、二氧化碳、乙烷和其他流体以及流体混合物的流量计装置和方法，否则通过常规方法测量是具有挑战性的。
背景技术
振动导管传感器(例如科里奥利质量流量计和振动密度计)通常通过检测包含流动物质的振动导管的运动来操作。可以通过处理从与导管相关联的运动换能器接收的测量信号来确定与导管中的物质相关联的性质，例如质量流量、密度等。填充有振动物质的系统的振动模式通常受到容纳导管和包含在导管中的物质的组合质量、刚度和阻尼特性的影响。
典型的科里奥利质量流量计包括一个或更多个导管(也称为流管)，其在管道或其他输送系统中串联连接，并且在系统中传送物质，例如流体、浆液、乳液，等等。每个导管可以被看作具有一组固有振动模式，包括例如简单弯曲、扭转、径向和耦合模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当物质流过导管时，以一种或更多种振动模式激励导管，并且在沿着导管间隔开的点处测量导管的运动。激励通常由驱动器提供，例如以周期性方式扰动导管的机电装置(诸如音圈型致动器)。可以通过测量在换能器位置处的运动之间的时间延迟或相位差来确定质量流率。通常采用两个或更多个这种换能器(或拾取传感器)以便测量流动导管的振动响应，并且两个或更多个这种换能器通常位于驱动器的上游和下游的位置处。仪器接收来自拾取传感器的信号并处理所述信号以便得出质量流率测量。
流量计可以用于对多种流体流执行质量流率测量。科里奥利流量计可能被潜在使用的一个领域是包括乙烯的工艺。
乙烯是许多塑料制造过程中最常见的原料。当将乙烯从一个位置转移至另一个位置(例如，从生产商转移至用户)时，乙烯通常在其临界相条件下在高压下被泵送。临界相乙烯的密度比气态乙烯高得多，因此其泵送成本相对较低(好的类比是高压输电)。质量流量测量是测量乙烯时的优选单位。
不幸的是，临界相乙烯表现出使精确测量变得困难的性质，因为它的行为不像理想气体。特别地，其密度和声速(VoS)性质对于温度和/或压力的相对小的变化表现出大的变化。这使得对于所有技术流量测量非常困难，包括基于科里奥利的流量计。
临界相乙烯通常在50巴或更高的压力下转移。通常，温度约为环境温度，20℃左右，但由于管道通常在地下，因此温度会根据地面条件而变化。在临界范围内，密度随压力和/或温度的变化而急剧变化。例如，1psi的压力变化导致2kg/m3的密度变化。这与理想气体形成对比，在理想气体中，对于相同的压力变化，密度变化小于0.1kg/m3。
除了密度的变化外，VoS大小的变化也对压力变化敏感。1psi的压力变化导致5m/s的VoS变化，而理想气体在压力变化时根本不会改变VoS。这可能会给科里奥利质量流量计带来问题。在示例流量计中，1psi的乙烯压力变化会导致5m/s的VoS变化，这进而导致0.03％的测量变化。这意味着，对于100psi的正常管道压力变化，示例流量计将表现出3％的误差，这是不可接受的。我们的规格是0.35％，并且典型的测量要求优于0.5％。因此清楚的是，如果乙烯在临界相区域中操作，则可能遇到大的流率误差。
提供了科里奥利流量计和用于操作科里奥利流量计的方法，其中密度测量提供声速校正。这导致在宽范围的乙烯操作条件下进行更精确的流量测量。
发明内容
根据实施方式提供了用于操作流量计的方法。该方法包括使流体流过流量计，并测量流体的未校正的质量流率、温度和密度。计算流体的声速(VoS)。计算质量流率误差。计算流体的校正的质量流率。
根据实施方式提供了用于流量计的仪表电子装置，该流量计被配置成接收过程流体。该仪表电子装置包括接口，该接口被配置成与流量计的流量计组件通信并接收振动响应。处理系统耦接至接口，包括质量流量校正例程，该质量流量校正例程被配置成：测量流量计中的过程流体的温度，测量流量计中的过程流体的密度，计算流量计中的过程流体的声速，计算质量流率误差，以及计算流量计中的过程流体的校正的质量流率。
本发明的各方面
根据方面，提供了用于操作流量计的方法，该方法包括：使流体流过流量计，并测量流体的未校正的质量流率、温度和密度。计算流体的声速(VoS)。计算质量流率误差。计算流体的校正的质量流率。
优选地，流体包括非理想流体。
优选地，流体由乙烯组成。
优选地，流体包括乙烯。
优选地，流体由乙烷组成。
优选地，流体包括乙烷。
优选地，流体由二氧化碳组成。
优选地，流体包括二氧化碳。
优选地，流体包括氟里昂、六氟化硫和六氟化铀中的一种。
优选地，流量计包括科里奥利质量流量计。
优选地，流量计计算流体的温度。
优选地，流量计计算流体的密度。
优选地，计算流体的VoS包括使用温度和密度。
优选地，计算流体的VoS包括使用VoS表交叉参考并内插温度和密度。
优选地，VoS表包括外推的VoS值。
优选地，计算质量流率误差被计算为：
其中：
f＝仪表操作频率，hz；
d＝仪表管直径，米；
a＝流体的声学速度(又称VoS)，m/s。
优选地，使用质量流量来计算校正的质量流率。
优选地，校正的质量流率被计算为：
根据方面，提供了用于流量计的仪表电子装置，该流量计被配置成接收过程流体。该仪表电子装置包括接口，该接口被配置成与流量计的流量计组件通信并接收振动响应。处理系统耦接至接口，包括质量流量校正例程，该质量流量校正例程被配置成：测量流量计中的过程流体的温度，测量流量计中的过程流体的密度，计算流量计中的过程流体的声速，计算质量流率误差，以及计算流量计中的过程流体的校正的质量流率。
优选地，流体包括非理想流体。
优选地，流体由乙烯组成。
优选地，流体包括乙烯。
优选地，流体由乙烷组成。
优选地，流体包括乙烷。
优选地，流体由二氧化碳组成。
优选地，流体包括二氧化碳。
优选地，流体包括氟里昂、六氟化硫和六氟化铀中的一种。
优选地，流量计包括科里奥利质量流量计。
优选地，流量计计算流体的温度。
优选地，流量计计算流体的密度。
优选地，计算流体的VoS包括使用温度和密度。
优选地，计算流体的VoS包括使用VoS表交叉参考并内插温度和密度。
优选地，VoS表包括外推的VoS值。
优选地，质量流率误差被计算为：其中：
f＝仪表操作频率，hz；
d＝仪表管直径，米；
a＝流体的声学速度(又称VoS)，m/s。
优选地，使用质量流量来计算校正的质量流率。
优选地，校正的质量流率被计算为：
附图说明
图1示出了包括传感器组件和仪表电子装置的流量计；
图2示出了根据实施方式的仪表电子装置的框图；
图3是示出乙烯VoS相对于压力的图表；
图4是示出乙烯VoS相对于密度的图表；
图5A是表示基于密度和温度的乙烯VoS的表；
图5B是表示基于密度和温度的乙烯VoS的表，其中具有外推的一些值；
图6是示出质量流量校正的方法的流程图；
图7是表示基于密度和温度的乙烷VoS的表；以及
图8是表示基于密度和温度的二氧化碳VoS的表。
具体实施方式
图1至图8以及以下描述描绘了具体示例以教导本领域技术人员如何实现和使用本发明的最佳模式。为了教导发明原则，一些常规方面已经被简化或省略。本领域技术人员将理解落入本发明的范围内的这些示例的变型。本领域技术人员将理解，下面描述的特征可以以各种方式组合以形成本发明的多个变型。因此，本发明不限于下面描述的具体示例，而是仅由权利要求及其等同物限定。
图1示出了根据实施方式的流量计5。流量计5包括传感器组件10和仪表电子装置20。仪表电子装置20经由引线100连接至传感器组件10，并且被配置成通过通信路径26提供密度、质量流率、体积流率、总计质量流量、温度或者其他测量或信息中的一个或更多个的测量结果。流量计5可以包括科里奥利质量流量计或其他振动流量计。对于本领域技术人员来说应当明显的是，流量计5可以包括任何形式的流量计5，而与驱动器、拾取传感器、流动导管的数量或振动的操作模式无关。
传感器组件10包括一对凸缘101和101'、歧管102和102'、驱动器104、拾取传感器105和105'以及流动导管103A和103B。驱动器104和拾取传感器105和105'连接至流动导管103A和103B。
凸缘101和101'固定至歧管102和102'。在一些实施方式中，可以将歧管102和102'固定至间隔件106的相反端部。间隔件106保持歧管102与102'之间的间隔。当将传感器组件10插入至运送被测量的过程流体的管线(未示出)中时，过程流体通过凸缘101进入传感器组件10，穿过入口歧管102，在入口歧管102处，过程流体的总量被引导进入流动导管103A和103B，流动通过流动导管103A和103B并且返回至出口歧管102'，在出口歧管102'处，过程流体通过凸缘101'离开传感器组件10。
过程流体可以包括液体。过程流体可以包括气体。过程流体可以例如而非限制地包括多相流体，例如包括夹带气体和/或夹带固体的液体。选择流动导管103A和103B并将其分别绕弯曲轴W-W和W'-W'适当地安装至入口歧管102和出口歧管102'，以便具有基本上相同的质量分布、惯性矩以及弹性模量。流动导管103A和103B以基本平行的方式从歧管102和102'向外延伸。
流动导管103A和103B由驱动器104在绕相应的弯曲轴W和W'的相反方向上驱动，并且在流量计5的所谓的第一异相弯曲模式下驱动。驱动器104可以包括许多公知的布置中的一种，诸如安装至流动导管103A的磁体和安装至流动导管103B的反作用线圈。交变电流通过反作用线圈以使两个导管振荡。合适的驱动信号由仪表电子装置20经由引线110施加至驱动器104。其他驱动器装置是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
仪表电子装置20分别在引线111和111'上接收传感器信号。仪表电子装置20在引线110上产生驱动信号，该驱动信号使驱动器104振荡流动导管103A和103B。其他传感器装置是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
仪表电子装置20处理来自拾取传感器105和105'的左速度信号和右速度信号以便计算流率等。通信路径26提供输入装置和输出装置，其允许仪表电子装置20与操作者或与其他电子系统对接。图1的描述仅仅作为流量计的操作的示例而提供，并且不旨在限制本发明的教导。在实施方式中，具有一个或更多个驱动器和传感器的单管流量计和多管流量计是预期的。
在一个实施方式中，仪表电子装置20被配置成使流动导管103A和103B振动。振动由驱动器104执行。仪表电子装置20还从拾取传感器105和105'接收所得到的振动信号。振动信号包括流动导管103A和103B的振动响应。仪表电子装置20处理振动响应并确定响应频率和/或相位差。仪表电子装置20处理振动响应并确定一个或更多个流量测量，包括过程流体的质量流率和/或密度。其他振动响应特性和/或流量测量是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
在一个实施方式中，如图所示，流动导管103A和103B包括基本上Ω形的流动导管。替选地，在其他实施方式中，流量计可以包括基本上直的流动导管、U形导管、Δ形导管，等等。另外的流量计形状和/或构造可以被使用并且在说明书和权利要求的范围内。
图2是根据实施方式的流量计5的仪表电子装置20的框图。在操作中，流量计5提供可以被输出的各种测量值，包括质量流率、体积流率、各个流量成分质量流率和体积流率以及总流率(包括，例如，体积流量和质量流量两者)的测量值或平均值中的一个或更多个。
流量计5生成振动响应。振动响应由仪表电子装置20接收和处理以生成一个或更多个流体测量值。可以监视、记录、保存、总计和/或输出所述值。
仪表电子装置20包括接口201、与该接口201通信的处理系统203、以及与该处理系统203通信的存储系统204。尽管这些组件被示出为不同的块，但是应当理解，仪表电子装置20可以包括集成的和/或分立的组件的各种组合。
接口201被配置成与流量计5的传感器组件10通信。接口201可以被配置成耦接至引线100(见图1)并且与例如驱动器104、拾取传感器105和105'以及温度传感器(未示出)交换信号。接口201还可以被配置成通过通信路径26通信，例如与外部装置通信。
处理系统203可以包括任何方式的处理系统。处理系统203被配置成检索并执行所存储的例程以便操作流量计5。存储系统204可以存储例程，所述例程包括流量计例程205、质量加权密度/粘度例程209、质量加权温度例程211、声速例程213、以及质量流量校正例程215。其他测量/处理例程是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。存储系统204可以存储测量值、接收值、工作值和其他信息。在一些实施方式中，存储系统存储质量流量221、密度(ρ)225、粘度(μ)223、温度(T)224、驱动增益306、驱动增益阈值303、声速244、压力248以及本领域已知的任何其他变量。
流量计例程205可以产生和存储流体量化和流量测量。这些值可以包括基本上瞬时的测量值，或者可以包括总计值或累计值。例如，流量计例程205可以生成质量流量测量，并将它们存储在例如存储系统204的质量流量221存储器中。流量计例程205可以生成密度225测量，并将它们存储在例如密度225存储器中。如先前所讨论和本领域已知的，从振动响应确定质量流量221值和密度225值。质量流量和其他测量可以包括基本上瞬时的值，可以包括样本，可以包括时间间隔上的平均值，或者可以包括时间间隔上的累计值。可以将时间间隔选择成对应于在其期间检测到某些流体条件的一段时间，在该段时间期间，检测到例如仅液体的流体状态，或者替选地，检测到包括液体和夹带气体的流体状态。另外，其他质量流量和相关的量化是预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
如上所述，乙烯是特别难以测量的流体，因为密度和VoS基于操作条件中的小差异而经受大的变化——特别是当接近临界压力和/或温度操作时。在实施方式中，质量流量校正例程215提供校正装置，以通过使用乙烯的状态方程来促进精确的流量计测量。该实施方式需要乙烯的温度和压力，并且本文公开的方法提供流率校正。
转到图3，将清楚的是，乙烯的VoS相对于压力的行为是高度非线性的并且难以表征。
在实施方式中，利用各种温度下的VoS与密度之间的关系来提供流率校正。转到图4，示出了在各种温度下的VoS与密度之间的关系。明显的是，对于超过90％的操作条件(约15℃至50℃和约1巴至150巴)，这种关系是完全可预测的。应当理解，这样的关系可以容易地进行曲线拟合。与图3中所示的数据不同，没有显著的梯度，这使得建模(或曲线拟合)更加容易。另外，由于密度和温度被用作自变量，因此这避免了对附加装备和外部压力测量的需要。
数据取自NIST“Refprop”数据库，用于计算流体性质。这在图5A的表中示出。在实施方式中，如图5B所示，用于计算流体性质的表可以在其中具有外推值。
在实施方式中，对质量流量的校正基于等式(1)和(2)，并且由仪表电子装置20的质量流量校正例程215执行。
其中：
f＝仪表操作频率，hz；
d＝仪表管直径，米；
a＝流体的声学速度(又称VoS)，m/s。
在实施方式中，然后质量流量误差可以用于校正测量的质量流量：
图6示出了用于使用含有乙烯的科里奥利质量流量计来校正质量流量误差的方法。在步骤600中，由流量计测量乙烯的密度。还测量了乙烯的温度。在实施方式中，还可以测量操作频率。
在步骤602中，使用测量的温度和密度来计算VoS。在实施方式中，使用图5中所示的表或类似的表来计算VoS。在实施方式中，通过从图5中所示的表或从类似的表中的内插来计算VoS。
在步骤604中，计算质量流量误差。在实施方式中，使用VoS来计算质量流量误差。在实施方式中，使用等式(1)来计算质量流量误差。
在步骤606中，计算校正的质量流量。在实施方式中，使用等式(2)来计算校正的质量流量。
误差由于VoS而源于科里奥利流量计的质量流量和密度读数二者。从逻辑上讲，如果使用密度测量来校正质量流量测量，则必然存在该校正中固有的误差。然而，乙烯的行为使得密度测量的误差非常小，其中典型的密度测量误差为±10kg/m3，包括VoS误差。
在说明性示例中，为了理解而非限制而提供了在乙烯的临界点——约60°F和750psia(15℃和50巴)下的计量。在这些条件下乙烯的密度为110kg/m3。应当注意的是，在图4的图表以及图5A和图5B的表中，在15℃的温度下，在75kg/m3至125kg/m3的密度范围内，VoS从259m/s至233m/s变化。作为极端示例，如果假设密度测量的误差为50kg/m3，则所得的26m/s的VOS计算误差将导致仅0.5％的质量流量校正误差。考虑到VoS误差对质量流量的影响的小的变化——其与实际流体密度的小差异相关联实现，更实际的——尽管仍比通常预期的稍大——10kg/m3的密度误差将导致不显著的质量流量校正误差。
在为了理解而非限制而提供的说明性示例中，提供了在VoS显著变化的条件下进行计量的场景。这可能发生在密度在350kg/m3范围内的场景中。在此，VoS对流量计的影响非常小，在0.5％与0.4％之间。同样，10kg/m3的密度误差是不显著的，并且由此产生的质量流量误差也是不显著的。
因此清楚的是，与本文公开的方法相关联的误差对于进行可靠的质量流量测量来说将足够小。
应当注意的是，本文所述的装置和方法不仅限于乙烯。其他常见的临界相流体包括乙烷、二氧化碳和氩气，并且本文的描述在作必要的修改后也适用于这些流体。例如，图7示出了由仪表电子装置20基于乙烷的温度和密度得出的VoS值。
类似地，图8示出了由仪表电子装置20基于二氧化碳(CO2)的温度和密度得出的VoS值。
上述实施方式的详细描述不是发明人所预期的在本发明范围内的所有实施方式的详尽描述。事实上，本领域技术人员将认识到，上述实施方式的某些元件可以以各种方式组合或去除以产生另外的实施方式，并且这样的另外的实施方式落入本发明的范围和教导内。对于本领域的普通技术人员来说还将明显的是，上述实施方式可以整体或部分地组合以产生在本发明的范围和教导内的另外的实施方式。因此，本发明的范围应当根据所附权利要求来确定。
Claims (36)
1.一种用于操作流量计的方法，包括：
使流体流过所述流量计；
测量所述流体的未校正的质量流率；
测量所述流体的温度；
测量所述流体的密度；
计算所述流体的声速(VoS)；
计算质量流率误差；
计算所述流体的校正的质量流率。
2.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括非理想流体。
3.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体由乙烯组成。
4.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括乙烯。
5.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体由乙烷组成。
6.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括乙烷。
7.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体由二氧化碳组成。
8.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括二氧化碳。
9.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括氟里昂、六氟化硫和六氟化铀中的一种。
10.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流量计包括科里奥利质量流量计。
11.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流量计计算所述流体的温度。
12.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流量计计算所述流体的密度。
13.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，计算所述流体的VoS包括使用所述温度和所述密度。
14.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，计算所述流体的VoS包括使用VoS表交叉参考并内插所述温度和所述密度。
15.根据权利要求14所述的用于操作流量计的方法，其中，所述VoS表包括外推的VoS值。
16.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，计算质量流率误差被计算为：
其中：
f＝仪表操作频率，hz；
d＝仪表管直径，米；
a＝流体的声学速度(又称VoS)，m/s。
17.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，使用所述质量流量来计算所述校正的质量流率。
18.根据权利要求1所述的用于操作流量计的方法，其中，所述校正的质量流率被计算为：
19.一种用于流量计(5)的仪表电子装置(20)，所述流量计被配置成接收过程流体，所述仪表电子装置(20)包括接口(201)和处理系统(203)，所述接口(201)被配置成与所述流量计(5)的流量计组件通信并接收振动响应，所述处理系统(203)耦接至所述接口(201)，所述处理系统(203)包括：
质量流量校正例程(215)，所述质量流量校正例程被配置成：
测量所述流量计(5)中的所述过程流体的温度(224)；
测量所述流量计(5)中的所述过程流体的密度(225)；
计算所述流量计(5)中的所述过程流体的声速(VoS)(244)；
计算质量流率误差；
计算所述流量计(5)中的所述过程流体的校正的质量流率。
20.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括非理想流体。
21.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体由乙烯组成。
22.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括乙烯。
23.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体由乙烷组成。
24.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括乙烷。
25.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体由二氧化碳组成。
26.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括二氧化碳。
27.根据权利要求19所述的用于操作流量计的方法，其中，所述流体包括氟里昂、六氟化硫和六氟化铀中的一种。
28.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，所述流量计(5)包括科里奥利质量流量计。
29.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，所述流量计(5)计算所述流体的温度。
30.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，所述流量计(5)计算所述流体的密度。
31.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，计算所述流体的VoS包括使用所述温度和所述密度。
32.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，计算所述流体的VoS包括使用VoS表交叉参考并内插所述温度和所述密度。
33.根据权利要求32所述的仪表电子装置(20)，其中，所述VoS表包括外推的VoS值。
34.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，质量流率误差被计算为：
其中：
f＝仪表操作频率，hz；
d＝仪表管直径，米；
a＝流体的声学速度(又称VoS)，m/s。
35.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，使用所述质量流量来计算所述校正的质量流率。
36.根据权利要求19所述的仪表电子装置(20)，其中，所述校正的质量流率被计算为：
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