CN1178048C - 科里奥利质量流量/密度计 - Google Patents

Abstract

本发明的科里奥利质量流量计/密度计是一种尽可能紧致的科里奥利质量流量计/密度计，并提供高度精确的测量结果，该测量结果与要测量的介质的流速场无关。所述质量流量计/密度计包括至少一个测量管(11)，介质流经该测量管，在操作过程中，该流量管振动。测量该振动的测量装置(141)被设置在测量管(11)的进口端，并提供测量信号(x_s1)。测量该振动的测量装置(142)被设置在测量管(11)的出口端，并提供测量信号(x_s2)。

Description

科里奥利质量流量/密度计

本发明涉及用于流过管道的介质的科里奥利质量流量/密度计，以及涉及产生代表质量流率的测量值的方法。

在用于流经管道的介质的科里奥利质量流量/密度计中，质量流率的测量以使介质流过插入管道中的流量管，并在操作过程中振动，从而使介质受到科里奥利力的原理为基础。科里奥利力使流量管的进口端部分和出口端部分相对于彼此异相振动。这些相差的量值是质量流率的量度。于是用沿着流量管彼此间隔给定距离放置的两个振动传感器检测流量管的振动，并由这些传感器转换为测量信号，根据这些测量信号的相差，得出质量流率。

美国专利4187721公开了一种科里奥利质量流量计，包括：

-具有进口端和出口端的单个U形流量管，在操作过程中，介质流经流量管；

-固定在流量管的进口端和出口端上，从而使流量管能够被振动的支承装置；

-在操作过程中，使流量管振动的激振器；

-设置在流量管的进口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第一测量信号的第一测量装置；

-设置在流量管的出口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第二测量信号的第二测量装置；及

-用于在操作过程中，输出代表质量流率的第一测量值的求值电子线路，质量流率由第一和第二测量信号得出。

另外EP-A 849568(对应于美国序列号08/940644，申请日1997年9月30日)公开了一种科里奥利质量流量计，包括：

-具有进口端和出口端的单个直通流量管，在操作过程中，介质流经流量管；

-固定在流量管的进口端和出口端上，从而流量管能够被振动的的支承装置；

-在操作过程中，使流量管振动的激振器；

-设置在流量管的进口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第一测量信号的第一测量装置；

-设置在流量管的出口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第二测量信号的第二测量装置；及

-用于在操作过程中，输出代表质量流率的测量值的求值电子线路，质量流率由第一和第二测量信号得出。

另外，美国专利4660421，美国专利4733569都公开了一种科里奥利质量流量计，包括：

-具有进口端和出口端的螺旋形流量管，在操作过程中，介质流经流量管；

-固定在流量管的进口端和出口端上，从而流量管能够被振动的的支承装置；

-在操作过程中，使流量管振动的激振器；

-设置在流量管的进口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第一测量信号的第一测量装置；

-设置在流量管的出口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第二测量信号的第二测量装置；及

-在操作过程中，用于输出代表质量流率的测量值的求值电子线路，质量流率由第一和第二测量信号得出。

此外，美国专利4491025，美国专利4660421和美国专利5218873都公开了一种具有两个连通流量管的科里奥利质量流量计，在操作过程中，介质流过这两个连通流量管。这些流量管由具有进口端第一端部的进口端第一歧管和具有出口端第二端部的出口端第二歧管互连，并由支承装置固定，从而该流量管能够被振动。

开头提及的美国专利4187721和提及科里奥利质量流量计的EP-A849568还可用于测量流动介质的瞬时密度。对于本发明，于是假定上面称为科里奥利质量流量计的设备还测量流动介质的瞬时密度，即使通常在各个文献中没有对此进行说明，因为这是不言而喻的。

就科里奥利质量流量计和科里奥利质量流量/密度计而言，流量管的宽度D与流量管的长度的比率(D/L比率)对于测量精度非常重要。如果使用单个流量管，则宽度D实质上等于管道的标称直径。

在大于约0.05的D/L比率下，流量管中的介质的瞬时流速场会影响测量精度，以致最后得到的增大的测量误差不再可被忽略。测量已表明在大于0.05的D/L比率下，流速场的这种影响可能导致千分之几～百分之一的额外误差。

但是，由于对科里奥利质量流量/密度计设计的制限，即，一方面，由具体应用中规定的标称管道直径，另一方面，由要求科里奥利质量流量/密度计尽可能短和紧致的事实，限制了D/L比率的极小化。

本发明的一个目的是提供一种科里奥利质量流量/密度计，该科里奥利质量流量/密度计提供独立于瞬时流速场的高精度测量结果，同时在结构上尽可能地紧致。本发明的另一目的是提供一种产生这种测量结果的方法。

为了实现上述第一发明目的，本发明提供了一种用于流经管道的介质的科里奥利质量流量/密度计，所述科里奥利质量流量/密度计包括：

-至少一个具有进口端和出口端的流量管，在操作过程中，介质流经所述至少一个流量管；

-固定在流量管的进口端和出口端上，从而流量管能够被振动的支承装置；

-在操作过程中，使流量管振动的激振器；

-设置在流量管的进口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第一测量信号的第一测量装置；

-设置在流量管的出口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第二测量信号的第二测量装置；

-在操作过程中，输出代表流动介质的瞬时雷诺系数的第三测量信号的第三测量装置；及

-求值电子线路，用于在操作过程中，输出

--代表质量流率的第一测量值，第一测量值由第一，第二和第三测量信号得出，及

-代表介质的瞬时密度的第二测量值，该第二测量值由第一和第二测量信号得出。

此外，本发明包括一种对于流经管道的介质，用科里奥利质量流量/密度计产生代表质量流率的第一测量值的方法，所述科里奥利质量流量/密度计包括：

-至少一个具有进口端和出口端的流量管，在操作过程中，介质流经所述至少一个流量管；

-固定在流量管的进口端和出口端上，从而流量管能够被振动的支承装置；

-在操作过程中，使流量管振动的激振器；

所述方法包括下述步骤：

-检测流量管的振动，并产生代表进口端振动的第一测量信号和代表出口端振动的第二测量信号，用于形成代表未校正的质量流率的中间值；

-利用中间值，并利用代表介质的动力粘度的第四测量信号，产生代表流动介质的雷诺系数的第三测量信号；及

-利用源于第三测量信号的校正值，校正中间值。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第一实施例中，求值电子线路提供源于第三测量信号的校正值。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第二实施例中，利用由校准确定的层流的恒定校正值，利用由校准确定的湍流的恒定校正值，以及利用根据插值函数确定的，位于这两个恒定校正值之间的内插校正值，求值电子线路提供校正值。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第三实施例中，求值电子线路包括表格存储器，依赖于雷诺系数的数字化校正值被存储在该表格存储器中，借助根据第三测量信号形成的数字存储器访问地址，该表格存储器提供校正值。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第四实施例中，求值电子线路提供源于第一和第二测量信号的中间值，该中间值代表未校正的质量流率。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第五实施例中，求值电子线路响应中间值和校正值，输出第一测量值。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第六实施例中，科里奥利质量流量/密度计包括第四测量装置，该测量装置测量介质的动力粘度，并输出代表所述动力粘度的第四测量信号。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第七实施例中，第三测量装置响应未校正的中间值和第四测量信号，输出第三测量信号。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第八实施例中，第四测量装置测量介质的运动粘度，并输出代表所述运动粘度的第五测量信号。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第九实施例中，第四测量装置响应第二测量值和第五测量信号，输出第四测量信号。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第十实施例中，激振器包括被供给激发能的线圈，并且根据该线圈的电流和/或电压，第四测量装置得出第四测量信号和/或第五测量信号。

在根据本发明的科里奥利质量流量/密度计的第十一实施例中，第四测量装置根据沿着管道测得的压差，得出第四测量信号和/或第五测量信号。

在根据本发明的方法的第一实施例中，根据提供给激振器的激发能的电流和/或电压，得出第四测量信号。

在根据本发明的方法的第二实施例中，根据沿着管道测得的压差得到第四测量信号。

本发明的优点之一是即使在大于0.05的D/L比率下，科里奥利质量流量/密度计也可提供其中已补偿了瞬时流速场对测量精度的影响的质量流率。

结合附图，根据下面的实施例说明，本发明将变得显而易见。在附图中，相同的部件由相同的附图标记表示；为了清楚起见，在后续附图中省略了已介绍的参考字符。其中：

图1是科里奥利质量流量/密度计的质量流量传感器的垂直纵向图，部分以剖视图的形式给出。

图2是用于增大测量精度的科里奥利质量流量/密度计的求值电子线路的子电路的示意方框图；

图3是用于使用校正值，根据未校正的质量流量值，得出精度足够的质量流量值的子电路的示意方框图；

图4是根据测量的雷诺系数，得出质量流量校正值的子电路的示意方框图；

图5是根据插值函数，产生质量流量校正值的子电路的示意方框图；

图6a是根据介质的实测动力粘度，确定雷诺系数的子电路的示意方框图；

图6b是根据介质的实测运动粘度，确定雷诺系数的子电路的示意方框图；

图7是根据激振器的实测激发能，确定介质的运动粘度的子电路的示意方框图；

图8a是根据沿流动方向测得的压差，得出层流情况下运动粘度的实测值的子电路的示意方框图；

图8b是根据沿流动方向测得的压差，得出湍流情况下运动粘度的实测值的子电路的示意方框图；及

图9是确定介质的瞬时运动粘度的子电路的示意方框图。

现在参见图1，图1表示了具有单个直通流量管11的科里奥利质量流量/密度计的质量流量传感器1的垂直纵向图，部分以剖视图形式给出，流量管11具有进口端第一端部和出口端第二端部。

流量管11的第一端部配有第一凸缘111，第二端部配有第二凸缘112，从而可以压力密闭方式把质量流量传感器1插入操作过程中介质流经的管道中。

质量流量传感器1还包括支承装置12，支承装置12具有固定在流量管11的第一端部的第一端板121，固定在流量管11的第二端部的第二端板122，以及插在第一和第二端板121，122之间的支承管123。端板121，122以刚性并且压力密闭方式，尤其是真空密闭方式与流量管11相连。从而流量管11以自承方式被安装在端板121，122之间的支承管123的内腔中，从而可使之振动。

流量管11和端板121，122及凸缘111，112之间的接合点，以及端板121，122与支承管123之间的接合点可以是，例如焊接接头或者焊接接缝；端板121，122还可借助螺丝被固定在支承管123上，图1中表示了其中一个螺丝124。还可以和支承管123整体地形成这两个端板121，122。

除了图1中所示的那种类型的质量流量传感器外，通常还使用具有两个直通流量管的质量流量传感器。

但是代替直通流量管，可使用关于科里奥利质量流量/密度计描述的所有其它形式的流量管，尤其是U形或者Ω形或者螺旋形流量管。可相对于介质的流动，并联或串联连接两个或多个流量管，最好是两个流量管。如果流量管被并联连接，则端部要装配上适当的歧管，以便分隔和混合流动介质。

介质可以是任意流体物质，尤其是液体，气体或蒸气。

流量管最好由钛，锆或优质钢制成。

图1还表示了激振器13，在流量管11和支承管123之间，最好在第一和第二端板121，122之间的中间位置，把激振器13设置在支承装置12内。操作中，该激振器13使流量管11以机械谐振频率振动，机械谐振频率本身又是介质的瞬时密度的量度。

激振器13可以是例如，螺线管组件，它包括固定在流量管11上的软磁铁芯，可在流量管11中移动的永磁体，及固定在支承管123上，并在操作中通过时变励磁电流的线圈。永磁体在时变励磁电流的作用下被移动，从而使流量管11振动，同时当介质流过流量管11时，进口端部分和出口端部分相对于彼此异相振动。

对于激励激振器13的励磁电子线路，参见美国专利4801897。

在直通流量管的情况下，振动通常是弯曲振动，该弯曲振动与弦线的振动相差不大。这些弯曲振动可具有叠加在其上的扭转振动，参见EP-A 849568。除了弯曲/扭转振动之外，通常激发环箍模式振动，这种情况下流量管蠕动移动，参见美国专利4949583。

在U形或者Ω形流量管的情况下，振动是悬臂振动，该悬臂振动与音叉的振动相差不大，参见美国专利4187721。

第一测量装置141和第二测量装置142沿着流量管11彼此间隔给定距离被设置在支承装置12内，用于测量振动。测量装置141，142最好位于间隔流量管11中部相同距离的位置处，并提供代表振动的第一测量信号x_s1和第二测量信号x_s2。

为此，测量装置141，142包括振动传感器，振动传感器最好以如美国专利5736653中公开的电动振动传感器的形式实现，不过也可被设计为光学振动传感器，参见美国专利4801897。

质量流量传感器1由传感器外壳15保护，免受环境影响。传感器外壳15被设计成把支承装置12和与质量流量传感器1相连的所有电导线都放置在其中，为了清楚起见，图中没有表示出电导线。

传感器外壳15具有颈状过渡部分16，电子仪器壳体17被固定在颈状过渡部分16上。

在电子仪器壳体17中，容纳有上面提及的励磁电子线路和求值电子线路2，以及也用于科里奥利质量流量/密度计的操作的其它电路。这些电路可以是，例如，向由外部电源供电的科里奥利质量流量/密度计提供动力的电子线路，和/或在科里奥利质量流量/密度计和外部信号处理器之间传送数据的通信电子线路。

如果质量流量传感器1的振动行为会受到电子仪器壳体17的不利影响，则可使电子仪器壳体17间隔质量流量传感器1一定距离。那么，在电子仪器壳体17和质量流量传感器1之间将只存在电导线，从而电子仪器壳体17和传感器1在振动方面实际上是彼此相互隔离的。

图2表示了科里奥利质量流量/密度计的求值电子线路2的子电路的方框图，该子电路提供代表质量流率的第一测量值x_m。

测量信号x_s1，x_s2被送给求值电子线路2的测量电路21。测量电路21可以，例如由美国专利5648616中公开的科里奥利质量流量/密度计的求值电子线路实现，测量电路21使用，例如美国专利4801897中公开的励磁电路得到质量流率。还可使用本领域技术人员熟悉的用于科里奥利质量流量/密度计的其它测量电子线路。

但是，在大的D/L比率下，测量电路21测定的质量流率不够准确，需要校正；于是，这里把测量电路21测定的质量流率称为中间值X_m ^*，根据中间值X_m ^*，得到测量值X_m，测量值X_m表示具有足够精度的质量流率。

中间值X_m ^*的校正以发明人的下述认识为基础。

流量管11中的质量流率由下式给出：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·D^2\·\mathrm{\ρ}\·v_m---\left(1\right)$

其中

dQ/dt    ＝质量流率

D        ＝流量管11的内径

ρ       ＝介质的瞬时密度

v_m      ＝流过流量管11的介质的平均速度

平均速度v_m是流量管11的横截面内流动介质的所有速度矢量的算术平均值。

中间值X_m ^*由下式给出

其中

X_f       ＝代表流量管11的振动的瞬时频率的测量值

X_φ      ＝代表测量信号x_s1，x_s2之间的瞬时相位差的测量值

K₁       ＝科里奥利质量流量/密度计的第一参数

参数K₁主要取决于介质的瞬时温度；另外还取决于介质的瞬时密度。

对于等式(2)，假定确定参数K₁的介质性质，即介质的瞬时温度和瞬时密度已知，因为在科里奥利质量流量/密度计的操作过程中，介质的瞬时温度和瞬时密度也被测量，温度测量参见美国专利4768384，密度测量参见美国专利4187721。

对于等式(2)，还假定在进口端检测的流量管振动与在出口端检测的流量管振动之间的科里奥利诱导相位差正比于瞬时质量流率。该假定假设在流量管11中产生的所有流速场以相同的瞬时流率产生相同的科里奥利力。在随着D/L比率降低，精度越来越高的情况下，这是成立的，因为这种情况下所有流速场彼此相同或者至少非常类似。在大的D/L比率下，尤其是在D/L比率大于0.05的情况下，该假定的正确性降低，导致准确度下降的中间值X_m ^*。

研究表明测量精度值特别取决于介质流动是层流还是湍流。

这样，为了确定测量值X_m，可通过确定流量管11中层流或者湍流的存在，并以中间值X_m ^*的校正值X_k的形式把这一点考虑进去，可校正中间值X_m ^*。修改等式(2)给出：

等式(3)由求值电子线路2的第二子电路22实现，图3中以方框图的形式表示了第二子电路22。

子电路22包括第一加法器221，加法器221根据第一输入端的校正值X_k和第二输入端为1的值产生第一和值，并在输出端输出该第一和值。

子电路22还包括具有用于第一和值的第一输入端和用于中间值X_m ^*的第二输入端的第一乘法器222。乘法器222在输出端提供第一乘积值(1+X_K)·X_m ^*，它对应于测量值X_m。

本发明中，X_k来源于介质的瞬时雷诺系数，描述流动介质的流速场的数值。于是，质量流量传感器1包括测量介质的瞬时雷诺系数的第三测量装置143，参见图2。测量装置143提供代表雷诺系数的第三测量信号x_Re，并将其输送给求值电子线路2。

在层流的情况下，测量信号x_Re的值小于湍流情况下的测量信号x_Re的值。这样，对于流量管11的每个宽度D，以及管道的相关标称宽度，对于层流存在雷诺系数的上限值，对于湍流存在雷诺系数的下限值，它们是不相同的。这两个极限值在校准过程中被确定。

在校准过程中确定的层流的雷诺系数的上限值由第二参数K₂代表，该参数被存储在求值电子线路2中。在校准过程中确定的湍流的雷诺系数的下限值由第三参数K₃代表，该参数被存储在求值电子线路2中。

测量信号x_Re与这两个参数K₂，K₃的比较表明在流量管11中是存在层流还是存在湍流，并提供相应的校正值X_K。该比较以下述不等式为基础：

其中

X_K2       ＝层流的恒定校正值，由校准确定

X_K3       ＝湍流的恒定校正值，由校准确定

f(x_Re)    ＝从X_K2到X_K3单调上升的插值函数，其形状可调节，参见下文。

根据等式(4)测量信号x_Re与这两个参数K₂，K₃的比较结果，对于层流是校正值X_K＝X_K2，对于湍流是校正值X_K＝X_K3，或者对应于插值函数f(x_Re)的内插校正值X_K＝f(x_Re)。

等式(4)由第三子电路23实现，图4中以方框图的形式表示了第三子电路23的单个功能元件。

子电路23包括具有用于参数K₂的参比输入端和用于测量信号x_Re的信号输入端的第一比较器231。比较器231为x_Re＜K₂提供第一二进制值，当测量信号x_Re的瞬时值小于参数K₂的值时，该二进制值为1；否则该第一二进制值为0。该第一二进制值被输送给第二乘法器232的第一输入端。第二乘法器232的第二输入端接收层流的恒定校正值X_K2。

子电路23还包括具有用于参数K₃的参比输入端和用于测量信号x_Re的信号输入端的第二比较器233。比较器233为x_Re＞K₃提供第二二进制值，当测量信号x_Re的瞬时值大于参数K₃的值时，该二进制值为1；否则该第二二进制值为0。

该第二二进制值被输送给第三乘法器234的第一输入端。第三乘法器234的第二输入端接收湍流的恒定校正值X_K3。

子电路23还包括具有关于第一二进制值的第一输入端和用于第二二进制值的第二输入端的或非门235。或非门235为K₂≤x_Re≤K₃提供第三二进制值，当第二和第二二进制值为0时，第三二进制值为1；否则第三二进制值为0。

或非门235之后的反相器236把第三二进制值改变为反相第四二进制值，该第四二进制值被应用于第二乘法器232的第三输入端，以及应用于乘法器234的第三输入端。

这样，乘法器232提供第二乘积值，如果第一和第四二进制值为1，该第二乘积值等于层流的恒定校正值X_K2；否则该第二乘积值为0。类似地，乘法器234提供第三乘积值，如果第二和第四二进制值为1，该第三乘积值等于湍流的恒定校正值X_K3；否则该第三乘积值为0。

对应于插值函数f(x_Re)的内插校正值(其产生将在下面说明)被提供给第四乘法器237的第一输入端。第三二进制值被提供给乘法器237的第二输入端，从而乘法器237提供第四乘积值，如果第三二进制值为1，则第四乘积值等于对应于f(x_Re)的内插校正值；如果第三二进制值为0，则第四乘积值也为0。

第二，第三和第四乘积值分别被输送给第二加法器238的第一，第二和第三输入端，第二加法器238输出第二和值。由于在任意给定时间，只有第二或第三或第四乘积值不为零，因此第二和值对应于所需的校正值X_K。

也可利用在子电路23中配置的模糊逻辑电路产生校正值X_K。为了实现这一点，用关于层流的第一隶属函数代替第一比较器231，用关于湍流的第二隶属函数代替第二比较器233，用关于共存的层流和湍流的第三隶属函数代替或非门235。这些隶属函数必须由校准测量确定，并提供分别代替第一，第二和第三二进制值，并且位于0和1之间的第一，第二和第三隶属值。反相器236必须由例如，减法器代替，该减法器随后从值1中减去第三隶属值。

对于具有层流和湍流分量的流动条件，利用插值函数f(x_Re)，根据等式(4)，对校正值XK插值。可按照常规方式，例如在参数K₂作为中心的情况下，以幂级数的形式展开插值函数f(x_Re)，从而

$f\left(x_{\mathrm{Re}}\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{(x_{\mathrm{Re}}-K_2)}^n=a_0+a_1(x_{\mathrm{Re}}-K_2)+a_2{(x_{\mathrm{Re}}-K_2)}^2---\left(5\right)$

这样，通过使用n次近似多项式，可以任意精度实现插值函数f(x_Re)。插值函数f(x_Re)的系数a_n必须通过校准确定。

例如，如果近似多项式仅仅是一次多项式，即，如果n＝1，对于相应的插值函数f(x_Re)，得到线性关系式：

f₁(x_Re)＝α₀+α₁(x_Re-K₂)                  (6)

利用等式(4)，

$f_1\left(x_{\mathrm{Re}}\right)=X_{K2}+\frac{X_{K3}-X_{K2}}{K_3-K_2}(x_{\mathrm{Re}}-K_2)---\left(7\right)$

图5表示了第4子电路24的方框图，该子电路实现按照等式(7)的插值函数f(x_Re)。

子电路24包括具有用于层流的校正值X_K2的减数输入端和用于湍流的校正值X_K3的被减数输入端的第一减法器241，第一减法器241提供关于X_K2-X_K3的第一差值。具有用于参数K₂的减数输入端和用于参数K₃的被减数输入端的第二减法器242提供关于K₃-K₂的第二差值。具有用于参数K₂的减数输入端和用于测量信号x_Re的被减数输入端的第三减法器243提供关于x_Re-K₂的第三差值。

子电路24还包括具有用于第一差值的被除数输入端和用于第二差值的除数输入端的第一除法器244。除法器244输出对应于表达式(X_K3-X_K2)/(K₂-K₃)的第一商值。

具有用于第一商值的第一输入端和用于第三差值的第二输入端的第五乘法器245产生关于(x_Re-K₂)·(X_K3-X_K2)/(K₂-K₃)的第五乘积值，第五乘积值被提供给第三加法器246的第一输入端。把层流的校正值X_K2提供给加法器246的第二输入端，从而加法器246提供关于X_K2+(x_Re-K₂)·(X_K3-X_K2)/(K₂-K₃)的第三和值。如果K₂≤x_Re≤K₃，即在具有层流和湍流分量的流动条件下，则该第三和值对应于所需的内插校正值X_K＝f(x_Re)。

代替等式(7)，可利用子电路24实现基于等式(4)和(5)的任意其它近似多项式。

代替图4和5中分别所示的子电路23和24，求值电子线路2可包括含有关于校正值X_K的离散值的表格存储器。可通过来源于测量信号x_Re的数字存储器地址访问这些离散值。该数字存储器地址由编码器之后的模-数转换器形成。表格存储器可以是可编程只读存储器，例如EPROM或者EEPROM。

对于根据等式(4)所必需的雷诺系数的测量，使用下述关系式：

$\mathrm{Re}=\frac{1}{\mathrm{\η}}\·\frac{4}{\mathrm{\π}\·D}\·\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\ρ}}\·\frac{4}{\mathrm{\π}\·D}\·\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

其中

η    ＝介质的动力粘度

ζ    ＝介质的运动粘度

把根据等式(1)的平均速率v_m代入等式(8)，给出如下雷诺系数

$\mathrm{Re}=\frac{1}{\mathrm{\η}}\·\frac{4}{\mathrm{\π}\·D}\·\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{\mathrm{\ζ}\·\mathrm{\ρ}}\·\frac{4}{\mathrm{\π}\·D}\·\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

根据本发明，按照等式(9)，介质的动力粘度或者运动粘度被用于产生第三测量信号x_Re，从而用于确定校正值X_K，因为可以考虑到介质的瞬时密度ρ，容易地相互转换这两个粘度。

如果使用动力粘度，把相应的测量信号代入等式(9)，给出关于测量信号x_Re的下述关系式：

$x_{\mathrm{Re}}=\frac{K_4}{x_{\mathrm{\η}}}\·X_m^{*}---\left(10\right)$

其中

x_η    ＝代表介质的动力粘度的第四测量信号

K₄     ＝来源于商4/πD的第四参数

在具有第五子电路25的第三测量装置143中实现等式(10)，图6a中以方框图的形式表示了第五子电路25。

子电路25包括具有用于参数K₄的被除数输入端和用于测量信号x_η的除数输入端的第二除法器251。除法器251输出关于K₄/x_η的第二商值，该商值被输送给第六乘法器252的第一输入端。把中间值X_m ^*提供给乘法器252的第二输入端。这样，乘法器252提供对应于根据等式(10)的测量信号x_Re的第六乘积值。

根据等式(10)确定测量信号x_Re必需的测量信号x_η由另一个，第四测量装置144产生，参见图2。

根据等式(8)，运动粘度和介质的瞬时密度可用于确定介质的动力粘度。利用等式(9)，给出如下测量信号x_η

x_η＝x_ζ·X_ρ                               (11)

其中

x_ζ    ＝代表介质的运动粘度的第五测量信号

X_ρ    ＝代表介质的瞬时密度的第二测量值。

在基于等式(11)的本发明实施例中，测量装置144使用代表介质的运动粘度的测量信号x_ζ来产生测量信号x_η。因此，如图6b中以方框图形式表示的子电路25包括具有用于测量信号x_ζ的第一输入端和用于测量值X_ρ的第二输入端的第七乘法器253。乘法器253以乘积值的形式输出测量信号x_η，测量信号x_η被提供给第二除法器251的除数输入端。测量值X_ρ来源于，例如流量管的瞬时振动频率，参见上面提及的美国专利4187721。

下面将说明产生测量信号x_ζ所必需的测量。由于粘度是描述流动介质的内部摩擦的数值，发明人得出如下结论，通过测量提供给激振器13的激发能，能够确定运动粘度。当和空的流量管11相比时，由于介质的内摩擦的缘故，导流流量管11的振动作为介质的粘度，尤其是运动粘度的函数，被进一步衰减。为了保持流量管11的振动，必须通过相应地增大激发能，补偿由于摩擦引起的额外的能量损耗。

于是，在本发明的一个优选实施例中，使用下述关系式确定测量信号x_ζ：

x_ζ＝K₅·(x_exc-K₆)²                        (12)

其中

x_exc      ＝代表供给激振器13的激发能的第六测量信号

K₅，K₆   ＝分别为第五恒定参数和第六恒定参数。

根据等式(11)和(12)，测量信号xζ只取决于在科里奥利质量流量/密度计的操作中产生的定义量值，即取决于测量值X_p和取决于代表激发能的测量信号x_exc。

在基于等式(12)的本发明实施例中，测量装置144包括第六子电路26，图7中以方框图的形式表示了该子电路。

子电路26包括具有用于表示激发能的测量信号x_exc的被减数输入端和用于参数K₆的减数输入端的第四减法器261。减法器261产生关于x_exc-K₆的第四差值，并将其输送给第一乘幂器262的信号输入端。把为2的值提供给幂数输入端，从而乘幂器262把第四差值改变为关于(x_exc-K₆)²的第一幂值。该幂值被输送给第八乘法器263的第一输入端，第八乘法器263把该幂值乘以在第二输入端提供的参数K₅，形成关于K₅·(x_exc-K₆)²的第八乘积值，该乘积值对应于测量信号x_ζ。

代表激发能的测量信号x_exc由激振器处的电流和/或电压测量，或者由阻抗测量产生。在本发明的一个实施例中，与由螺线管组件构成的激振器13相关的电压-电流转换器把施加在线圈上的励磁电压转换为正比于该电压的电流，该电流又由后续的均方根转换器转换为均方根值。均方根值则是代表激发能x_exc的测量信号。

代替测量激发能，确定介质的运动粘度的另一种可能性是测量并计算沿着管道或者沿着流量管11适当测量长度内的压差。

在沿着该测量长度，层流占主导地位的情况下，运动粘度是：

$\mathrm{\ζ}=\frac{2\mathrm{\π}\·D^4}{L}\·{\left(\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}\right)}^{-1}\·\mathrm{\Δp}---\left(13\right)$

在湍流占主导地位的情况下，运动粘度是(Δp)⁴

$v={\mathrm{0,3}}^{-4}\·\frac{D^{19}}{L^4}\·{\mathrm{\ρ}}^3\·{\left(\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}\right)}^{-7}\·{\left(\mathrm{\Δp}\right)}^4---\left(14\right)$

其中

L      ＝测量长度

Δp    ＝测量长度内的压差

等式(13)以众所周知的Hagen-Poiseuille定律为基础，而等式(14)则是以经验为主确定的。就压差而论，两个等式都是具有具有单个交点的单调递增函数。

于是，在本发明的又一实施例中，利用下述关系式确定测量信号x_ζ，这些关系式是通过把相应的测量信号代入等式(13)和(14)得到的：

其中

X_ζ1    ＝代表层流情况下介质的运动粘度的测量值

X_ζ2    ＝代表湍流情况下介质的运动粘度的测量值

x_Δp    ＝代表压差的第七测量信号

K₇      ＝来源于根据等式(13)的商2πD⁴/L的第七参数

K₈      ＝来源于根据等式(14)的商0.3^-4D¹⁹/L⁴的第八参数。

根据等式(15)，测量信号x_ζ的有效值总是这两个测量值中较小的那个值，对于层流来说，这两个测量值是X_ζ1，对于湍流来说，这两个测量值是X_ζ2。

根据等式(15)，测量信号x_ζ取决于在科里奥利质量流量/密度计的操作中产生的定义量值，即取决于中间值X_m ^*和取决于第二测量值X_ρ。另外，测量信号x_ζ取决于另一定义量值，即取决于测量信号x_Δp，该测量信号代表压差，并在操作过程中被确定。

在本发明的另一实施例中，为了实现等式(15)，测量装置144包括如图8a，8b中所示的第七子电路27和如图9中所示的第八子电路28。

子电路27用于产生代表介质的粘度X_ζ1和X_ζ2的两个测量值。它包括具有用于测量信号x_Δp的被除数输入端和用于中间值X_m ^*的除数输入端的第三除法器271。除法器271提供关于x_Δp/X_m ^*的第三商值，该第三商值被提供给第九乘法器272的第一输入端。乘法器272的第二输入端被供给参数K₇，从而乘法器272输出关于K₇·x_Δp/X_m ^*的第九乘积值，该乘积值对应于层流情况下，介质的运动粘度的测量值X_ζ1。

子电路27还包括具有用于测量信号x_Δp的信号输入端和用于为4的值的幂数输入端的第二乘幂器273。乘幂器273提供关于(x_Δp)⁴的第二幂值，并将其提供给第四除法器276的被除数输入端。

子电路27还包括具有用于中间值X_m ^*的信号输入端和用于为7的值的幂数输入端的第三乘幂器274。乘幂器274提供关于(X_m ^*)⁷的第三幂值。具有关于测量值X_ρ的信号输入端和用于为3的值的幂数输入端的第四乘幂器275输出关于(X_ρ)³的第四幂值。

第三幂值(x^* _m)7被提供给第四除法器276的除数输入端，而第四幂值(X_ρ)³被提供给第十乘法器277的第一输入端。乘法器277具有用于参数K₈的第二输入端和用于关于(x_Δp)⁴/(X_m ^*)⁷的第四商值的第三输入端，该第四商值由除法器276提供。这样，乘法器277输出关于K₈·(X_ρ)³·(x_Δp)⁴/(X_m ^*)⁷的第十乘积值，该乘积值对应于代表湍流情况下，介质的运动粘度的测量值X_ζ2。

图9中所示的子电路28用于实现按照等式(15)的两个不等式。子电路28包括具有用于第九乘积值的第一输入端和用于第十乘积值的第二输入端的第三比较器281。比较器281提供关于K₇·x_Δp/X_m ^*＜K₈·(X_ρ)³·(x_Δp)⁴/(X_m ^*)⁷的第五二进制值，如果第九乘积值小于第十乘积值，则第五二进制值为1；否则为0。

第五二进制值被提供给第二反相器282和提供给第十一乘法器283的第一输入端。乘法器283的第二输入端被供给第九乘积值，从而乘法器283输出第十一乘积值，如果第五二进制值为1，则第十一乘积值等于第九乘积值，如果第五二进制值为0，则第十一乘积值为0。

反相器282提供第六二进制值，该二进制值相对于第五二进制值被反转，并施加于第十二乘法器284的第一输入端。乘法器284的第二输入端被供给第十乘积值，从而乘法器284提供第十二乘积值，如果第六二进制值为1，则第十二乘积值等于第十乘积值，如果第六二进制值为0，则第十二乘积值为0。

第十一乘积值被提供给第四加法器285的第一输入端，第十二乘积值被提供给加法器285的第二输入端。由于在任意给定时间，这两个乘积值中只有一个乘积值不为零，由加法器285产生的第四和值等于测量信号x_ζ。

通过适当的温度测量，可容易地补偿由于，例如介质中的温度差异引起的，根据等式(15)确定的运动粘度和流量管11中的实际运动粘度之间的任意差异。

子电路21，22，23，24，25，26，27和28被假定为模拟计算电路，不过也可通过使用分立元件或微处理器，以数字计算电路的形式，或者至少部分以数字计算电路的形式实现。

如果实际并行操作的子电路22…28的操作在时间方面无关紧要，则通过以这样一种方式使用多路复用器和多路分解器，可把类似的函数，例如加法，减法，乘法，除法及乘幂结合在一起，即在子电路中这些函数只被实现一次，并且通过顺序地把相应的输入值应用于输入端，产生各个计算值。

Claims (15)

1.一种用于流经管道的介质的科里奥利质量流量/密度计，所述科里奥利质量流量/密度计包括：

-至少一个具有进口端和出口端的流量管，在操作过程中，介质流经所述至少一个流量管；

-固定在流量管的进口端和出口端上，从而流量管能够被振动的支承装置；

-在操作过程中，使流量管振动的激振器；

-设置在流量管的进口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第一测量信号的第一测量装置；

-设置在流量管的出口端，用于在操作过程中测量振动，并输出第二测量信号的第二测量装置；

-在操作过程中，输出代表流动介质的瞬时雷诺系数的第三测量信号的第三测量装置；及

-求值电子线路，用于在操作过程中，输出

--代表质量流率的第一测量值，第一测量值由第一，第二和第三测量信号得出，及

-代表介质的瞬时密度的第二测量值，该第二测量值由第一和第二测量信号得出。

2.按照权利要求1所述的科里奥利质量流量/密度计，其中求值电子线路提供源于第三测量信号的校正值。

3.按照权利要求2所述的科里奥利质量流量/密度计，其中求值电子线路利用通过校准确定的层流的恒定校正值，利用通过校准确定的湍流的恒定校正值，以及利用根据插值函数确定的，位于这两个恒定校正值之间的内插校正值，提供校正值。

4.按照权利要求2所述的科里奥利质量流量/密度计，其中求值电子线路包括表格存储器，依赖于雷诺系数的数字化校正值被存储在该表格存储器中，借助根据第三测量信号形成的数字存储器访问地址，该表格存储器提供校正值。

5.按照权利要求3或4所述的科里奥利质量流量/密度计，其中求值电子线路提供源于第一和第二测量信号的中间值，该中间值代表未校正的质量流率。

6.按照权利要求5所述的科里奥利质量流量/密度计，其中求值电子线路响应中间值和校正值，输出第一测量值。

7.按照权利要求6所述的科里奥利质量流量/密度计，其中科里奥利质量流量/密度计包括第四测量装置，该测量装置测量介质的动力粘度，并输出代表所述动力粘度的第四测量信号。

8.按照权利要求7所述的科里奥利质量流量/密度计，其中第三测量装置响应未校正的中间值和第四测量信号，输出第三测量信号。

9.按照权利要求7所述的科里奥利质量流量/密度计，其中第四测量装置测量介质的运动粘度，并输出代表所述运动粘度的第五测量信号。

10.按照权利要求9所述的科里奥利质量流量/密度计，其中第四测量装置响应第二测量值和第五测量信号，输出第四测量信号。

11.按照权利要求9所述的科里奥利质量流量/密度计，其中激振器包括被供给激发能的线圈，根据该线圈的电流和/或电压，第四测量装置得出第四测量信号和/或第五测量信号。

12.按照权利要求9所述的科里奥利质量流量/密度计，其中第四测量装置根据沿着管道测得的压差，得出第四测量信号和/或第五测量信号。

13.一种对于流经管道的介质，用科里奥利质量流量/密度计产生代表质量流率的第一测量值的方法，所述科里奥利质量流量/密度计包括：

-至少一个具有进口端和出口端的流量管，在操作过程中，介质流经所述至少一个流量管；

-固定在流量管的进口端和出口端上，从而流量管能够被振动的支承装置；

-在操作过程中，使流量管振动的激振器；

所述方法包括下述步骤：

-检测流量管的振动，并产生代表进口端振动的第一测量信号和代表出口端振动的第二测量信号，用于形成代表未校正的质量流率的中间值；

-利用中间值，并利用代表介质的动力粘度的第四测量信号，产生代表流动介质的雷诺系数的第三测量信号；及

-利用源于第三测量信号的校正值，校正中间值。

14.按照权利要求13所述的方法，其中根据提供给激振器的激发能的电流和/或电压，得出第四测量信号。

15.按照权利要求13所述的方法，其中根据沿着管道测得的压差得到第四测量信号。

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