專利名稱：用于修正流動材料的二相流的夾帶(entrained)相的振動流量計和方法
技術領域：
本發明涉及振動流量計和方法，更具體而言，涉及用于修正流動 材料的二相流中的夾帶相的振動流量計和方法。
背景技術：
諸如Coriolis質量流量計和振動密度計等振動管道傳感器通常通 過檢測包括流動材料的振動管道的運動來工作。可以通過處理從與管 道相關聯的運動傳感器接收到的測量信號來確定與諸如質量流量、密 度等與管道中的材料相關的性質。填充振動材料的系統的振動模式一 般受到包含管道和包含在其中的材料的組合質量、硬度和阻尼特性的 影響。
典型的Coriolis質量流量計包括在管線或其它運輸系統中嵌入式 連接并在該系統中傳送例如流體、漿料、乳劑等材料的一個或多個管 道。每個管道可以被視為具有一組自然振動模式，包括例如簡單彎曲、 扭轉、輻射狀以及耦合模式。在典型的Coriolis質量流量測量應用中， 在材料流過管道時在一個或多個振動模式下激勵管道，并在沿著該管 道間隔開的點處測量管道的運動。通常由致動器(例如諸如音圈型驅 動器等以周期性的方式干擾管道的機電裝置)來提供激勵。可以通過 測量傳感器位置處的運動之間的時間延遲或相位差來確定質量流速。 通常采用兩個此類傳感器(或拾取感測器)以便測量流管道(或多個 管道)的振動響應，并且其通常位于致動器的上游和下游位置處。所 述兩個拾取感測器通過電纜，諸如通過兩對獨立的導線而連接到電子 儀器。該儀器從兩個拾取感測器接收信號并處理該信號以便導出質量 流速測量。
使用流量計來執行很多種流體流的質量流速測量。其中可能能夠 使用Coriolis流量計的一個領域是油和氣體井的計量。此類井的產物 包括多相流，該多相流包括油或氣體、而且還包括其它成分、包括例 如水和空氣、和/或固體。非常需要的是即使對于此類多相流，結果得到的計量也盡可能地精確。
Coriolis計對于單相流提供高精度。然而，當使用Coriolis流量計 來測量包括夾帶氣體(的充氣流體或流體(乳劑))時，計的精確度 可能顯著降低。對于夾帶固體(漿料)同樣是這樣。
夾帶空氣一般作為氣泡存在于流動材料中。氣泡的尺寸可能根據 存在的空氣量、流動材料的壓力和溫度而改變。性能下降的程度不僅 與總共存在多少氣體有關，而且與流中的單個氣泡的尺寸有關。氣泡 的尺寸影響測量的精確度。
一個重要的誤差源是流體解耦(decouple)。流體解耦起因于氣 泡由于管的振動而相對于液體進行運動。氣泡相對于液體的相對運動 由與促使氣泡在重力的影響下上升到表面的力類似的浮力來驅動。然 而，在振動管中，促使氣泡運動的是振動管的加速度而不是重力加速 度。由于稠密流體比輕氣泡更強地抵抗加速度，所以氣泡被沿著與管 加速度相同的方向加速。因此氣泡比流管運動得更快且更遠，且氣泡 運動促使某些流體流動得比流管更慢。這是解耦問題的基礎。結果， 具有較低振動振幅的流體經歷較小的Coriolis加速度并比在沒有氣泡 的情況下賦予流管更少的Coriolis力。這導致當存在夾帶氣體時流速 和密度特性被低估(負流量和密度誤差)。
漿料呈現出類似于解耦的問題。然而，在漿料的情況下，固體顆 粒常常比液體重。在振動管的加速度下，較重的顆粒比液體運動少。 這促使某些液體比振動管運動得多。結果是當存在比液體重的顆粒時 液體被高估(正流量和密度誤差)。在這兩種情況下，由夾帶相與液 體之間的密度差來驅動夾帶相的差動運動。如果忽略氣體的壓縮性， 則可以使用相同的等式來描述夾帶空氣和顆粒兩者的行為。用液體密 度減去夾帶相密度對于氣體得出正數而對于固體得出負數。漿料的解 耦僅僅是負的。為此，對于乳劑和漿料兩者，將可互換地使用術語解井禺。
補償流體解耦已存在困難，因為存在確定氣泡相對于液體運動多 少的若干因素。流體粘滯性是一個明顯因素。在粘性非常大的流體中， 氣泡(或顆粒)被有效地固定在流體中且幾乎沒有流量誤差。
對氣泡遷移率的另一個影響是氣泡尺寸。氣泡上的阻力與表面面 積成比例，而浮力與體積成比例。因此，非常小的氣泡具有高的阻力
9浮力比并趨向于與流體一起運動。小氣泡因此引起小誤差。相反，大 氣泡不會趨向于與流體一起運動且導致大的誤差。這也適用于顆粒。 小顆粒趨向于與流體一起運動并引起小誤差。
流體與氣體之間的密度差是另 一 因素。浮力與流體和氣體之間的 密度差成比例。高壓氣體能夠具有高到足以影響浮力并降低解耦效應 的密度。另外，大氣泡占據更大的體積，導致流動材料的密度的真實 波動。由于氣體的壓縮性，氣泡可能在氣體量方面變化，而不一定在 尺寸方面變化。相反，如果壓力改變，則氣泡尺寸能夠相應地改變， 隨著壓力下降而膨脹或隨著壓力升高而收縮。這還可能引起流量計的 自然或諧振頻率的變化并因此引起實際二相密度的變化。
第二級因素也可能對氣泡和顆粒遷移率產生影響。高流速流體中
的湍流使大氣泡和顆粒破碎為小的，因此降低解耦誤差。表面活性劑 使氣泡的表面張力減小并降低其聚合的趨向。閥門能夠通過增加的湍 流來減小氣泡尺寸，同時管線彎頭能夠通過借助于離心力迫使氣泡合 在一起來增加氣泡尺寸。
在本領域中仍然需要一種檢測夾帶第二相材料的問題等級的振 動流量計。在本領域中仍然需要一種能夠在存在夾帶第二相材料的情 況下精確地測量流動特'性的振動流量計。在本領域中仍然需要 一 種能 夠在夾帶第二相材料的不同水平下精確地測量流動特性的振動流量 計。
發明內容
根據本發明的實施例提供了 一種用于修正流動材料的二相流中
的夾帶相的振動流量計。該振動流量計包括包含驅動器的流量計組
件，且該振動流量計被配置為生成對流動材料的振動響應。所述振動
流量計還包括耦合到流量計組件并接收振動響應的儀表電子裝置。該
儀表電子裝置被配置為使用振動響應來確定所測量的二相流的二相
密度，確定流量計組件的驅動器所消耗的計算驅動功率，并使用二相
流的液體成分的液體密度、夾帶成分的夾帶相密度、測量二相密度、 和計算驅動功率來計算密度補償系數。
根據本發明的實施例提供了 一種在振動流量計中修正流動材料 的二相流中的夾帶相的方法。該方法包括生成所測量的二相流的二相密度，確定振動流量計的驅動器所消耗的計算驅動功率，并使用二相 流的液體成分的液體密度、夾帶成分的夾帶相密度、測量二相密度、 和計算驅動功率來計算密度補償系數。
根據本發明的實施例提供了 一種在振動流量計中修正流動材料 的二相流中的夾帶相的方法。該方法包括生成所測量的二相流的二相 密度，確定振動流量計的驅動器所消耗的計算驅動功率，使用二相流 的液體成分的液體密度、夾帶成分的夾帶相密度、測量二相密度、和 計算驅動功率來計算密度補償系數，并將密度補償系數與測量二相密 度相加以提供補償的二相密度。該方法還包括使用液體密度、夾帶成 分的夾帶相密度、補償二相密度、以及振動流量計的功率特性來確定 預測驅動功率。該方法還包括基于預測驅動功率值與計算驅動功率之 間的差來確定振動流量計的流量測量的精確度。
本發明的方面
在振動流量計的一方面，所述儀表電子裝置被配置為將驅動電壓
與驅動電流相乘以便確定計算驅動功率。
在振動流量計的另 一方面，所述儀表電子裝置被配置為將拾取感
測器電壓與驅動電流相乘以便確定計算驅動功率。
在振動流量計的又一方面，所述儀表電子裝置被配置為對等式
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求解以便確定計算驅動功率，其
中，K是比例常數，Id是測量的驅動電流，Io是零體積分數驅動電流， Epo是拾取電壓，且Et是拾取目標電壓。
在振動流量計的又 一 方面，計算密度補償系數包括對等式
L片lJ 、，'"求解，其中(p,)是液體密度，(Puut)是指示密度，(Pe)
是夾帶相密度，(Pe。mputed)是計算驅動功率，且C1和C2項包括預定的 儀表專用常數。
在振動流量計的又一方面，所述儀表電子裝置還被配置為將密度 補償系數與測量二相密度相加以提供補償二相密度。
在振動流量計的又一方面，所述儀表電子裝置還被配置為將密度 #卜償系數與所測量二相密度相加以提供補償二相密度，使用液體密 度、夾帶相密度、補償二相密度以及振動流量計的功率特性來確定預測驅動功率，并基于預測驅動功率值與計算驅動功率之間的差來確定
振動流量計的流量測量的精確度。
在振動流量計的又一方面，所述儀表電子裝置還被配置為對等式
A —— Pc，
L A J求解以獲得二相流的補償體積分數，其中，Pc。mp是補償二相密度。
在振動流量計的又一方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率 與預測驅動功率相差大于預定容差，則生成警報指示。
在振動流量計的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率 大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度的夾 帶相水平并進 一 步指示振動流量計中所需的流動條件方面的變化。
在振動流量計的又一方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率 大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過大的氣 泡尺寸并進一 步指示振動流量計中所需的流動條件方面的變化。
在振動流量計的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率 大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度的固 體夾帶相水平并進一 步指示振動流量計中所需的流動條件方面的變 化。
在振動流量計的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率 大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示。
在振動流量計的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率 小于預測驅動功率超過預定下閾值或者如果計算驅動功率大于預測 驅動功率超過預定上閾值，則對補償二相密度進行精密化。
在振動流量計的又 一 方面，對補償二相密度進行精密化包括使密 度補償系數減小與計算驅動功率和所述預定下閾值之間的差成比例的量。
在振動流量計的又 一 方面，確定精確度還包括將預測驅動功率與 計算驅動功率相比較，如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定 上閾值，則生成警報指示，以及如果計算驅動功率小于預測驅動功率 超過預定下閾值則通過使密度補償系數減小與計算驅動功率和預定 下閾值之間的差成比例的量來對補償二相密度進行精密化。
在該方法的一方面，確定計算驅動功率包括將驅動電壓與驅動電 流相乘。在該方法的另 一 方面，確定計算驅動功率包括將拾取感測器電壓
與驅動電流相乘。
在該方法的又 一 方面，確定計算驅動功率包括對等式
P二 AT x
」
」求解，其中，K是比例常數，Id 是測量的驅動電流，Io是零體積分數驅動電流，Epo是拾取電壓，且 Et是4合取目標電壓。
在該方法的又 一 方面，計算密度補償系數包括對等式
V -/7 )C1
、":'J x。c—)求解，其中(p,)是液體密度，(puut)是指示密度，
(Pc。mputed)是計算驅動功率，(Pe)是夾帶相密度，且C1和C2項包括預 定的儀表專用常數。
在該方法的又一 方面，該方法還包括將密度補償系數與測量二相 密度相加以提供補償二相密度。
在該方法的又一 方面，該方法還包括將密度補償系數與測量二相 密度相加以提供補償二相密度，使用液體密度、夾帶相密度、補償二 相密度、以及振動流量計的功率特性來確定預測驅動功率，并基于預 觀'J驅動功率值與計算驅動功率之間的差來確定振動流量計的流量測 量的精確度。
「A—P )
在該方法的又一方面，該方法還包括對等式L A-A j求解以獲得
二相流的補償體積分數，其中，(Pc。mp)是補償二相密度。
在該方法的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率與預 測驅動功率相差大于預定容差，則生成警報指示。
在該方法的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率大于 預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度的夾帶相 水平并進一 步指示振動流量計中所需的流動條件方面的變化。
在該方法的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率大于 預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過大的氣泡尺 寸并進一 步指示振動流量計中所需的流動條件方面的變化。
在該方法的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率大于 預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度的夾帶固 相水平并進 一 步指示振動流量計中所需的流動條件方面的變化。在該方法的又 一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率大于 預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示。
在該方法的又一 方面，確定精確度還包括如果計算驅動功率小于 預測驅動功率超過預定下閾值或者如果計算驅動功率大于預測驅動 功率超過預定上閾值，則對補償二相密度進行精密化。
在該方法的又 一 方面，對補償二相密度進行精密化包括使密度補 償系數減小與計算驅動功率和所述預定下閾值之間的差成比例的量。
在該方法的又 一 方面，確定精確度還包括將預測驅動功率與計算 驅動功率相比較，如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上閾
值，則生成警報指示，以及如果計算驅動功率小于預測驅動功率超過 預定下閾值則通過使密度補償系數減小與計算驅動功率和預定下闊 值之間的差成比例的量來對補償二相密度進行精密化。
圖1示出根據本發明的實施例的用于修正流動材料的二相流中的 夾帶相的振動流量計。
圖2示出根據本發明的實施例的振動流量計的儀表電子裝置。
圖3是根據本發明的實施例的用于在振動流量計中修正流動材料 的二相流的夾帶相的方法的流程圖。
圖4是根據本發明的實施例的用于在振動流量計中修正流動材料 的二相流的夾帶相的方法的流程圖。
圖5是已在實驗上確定的針對多個流體參數并在體積分數范圍內 的驅動功率對比氣體體積分數的圖表。
圖6是示出計算驅動功率和預測驅動功率對比夾帶相的體積分數 的圖表。
圖7是類似于圖6的計算驅動功率和預測驅動功率的圖表，不同 的是計算驅動功率被示為小于預測驅動功率。
具體實施例方式
圖1~7及以下說明描繪特定的實例以教導本領域的技術人員如 何實現和使用本發明的最佳方式。為了教導本發明的原理，已將某些 傳統方面簡化或省略。本領域的技術人員應通過這些實例認識到落入本發明的范圍內的變體。本領域的技術人員應認識到可以以各種方式 來將下述特征組合以形成本發明的多種變體。結果，本發明不限于下 述特定示例，而是僅僅受到權利要求及其等價物的限制。
圖1示出根據本發明的實施例的用于修正流體材料的二相流中的 夾帶相的振動流量計5。所述夾帶相可以包括夾帶氣體。所述夾帶相 可以包括夾帶固體。以下討論集中于夾帶氣體。然而，該討論也適用 于夾帶固體。
振動流量計5包括流量計組件10和儀表電子裝置20。儀表電子 裝置20經由引線100連接到儀表組件10并被配置為通過通信路徑26 來提供密度、質量流速、體積流速、累計質量流量、溫度及其它信息 中的一個或多個的測量。對本領域的技術人員來說應顯而易見的是可 以在任何類型的Coriolis流量計中使用本發明，無論驅動器、拾取感 測器、流管道或振動的工作模式的數目如何。另外，應認識到振動流 量計5可以替換地包括振動密度計.。
流量計組件10包括一對法蘭101和101'、多支管102和102'、驅 動器104、拾取感測器105和105'以及流管道103A和103B。驅動器 104和拾取感測器105和105'連接到流管道103A和103B。
法蘭101和101'附著于多支管102和102'。多支管102和102'可 以附著于隔離物106的相對末端。隔離物106保持多支管102和102' 之間的間距以防止管線力^皮傳送到流管道103A和103B。當流量計組 件10被插入承載被測量的流動材料的管線(未示出)中時，流動材 料通過法蘭101進入流量計組件10,穿過進口多支管102 (在那流動 材料的總量被引導進入流管道103A和103B的)，流過流管道103A 和103B并退入出口多支管102',在那里其通過法蘭101'退出儀表組 件10。
選擇流管道103A和103B并適當地將其安裝到進口多支管102 和出口多支管102'以便分別繞彎曲軸W—W和W'—W'具有基本相同的 質量分布、慣性動量和彈性才莫數。流管道103A和103B以本質上平行 的方式從多支管102和102'向外延伸。
由驅動器104沿著關于各彎曲軸W和W'的相反方向并在l展動流 量計5的所謂第一異相彎曲模式下驅動流管道103A和103B。驅動器 104可以包括多個眾所周知的布置中的一個，諸如安裝于流管道103A
15的磁鐵和安裝于流管道103B的反接線圈。交流電通過該反接線圈而引起兩個管道震動。由儀表電子裝置20經由引線110向驅動器104施加適當的驅動信號。儀表電子裝置20分別在引線111和1111上接收傳感器信號。儀 表電子裝置20在引線IIO上生成引起驅動器14振蕩流管道103A和 103B的驅動信號。儀表電子裝置20處理來自拾取感測器105和105' 的左右速度信號以便計算質量流速度。通信路徑26提供允許儀表電 子裝置20與操作員或與其它電子系統對接的輸入和輸出裝置。圖1 的說明僅僅是作為Coriolis流量計的操作示例而提供的，且并不意圖 限制本發明的教導。流量計組件10被配置為生成流動材料的振動響應。儀表電子裝 置20能夠接收并處理振動響應以便生成包括二相流的流動材料的一 個或多個流量測量。所述二相流可以包括夾帶氣體(包括夾帶空氣) 或夾帶固體。振動流量計5被配置為對夾帶氣體和固體進行修正以產 生盡管有夾帶相、但仍然可靠且精確的流量測量。在某些實施例中， 儀表電子裝置20可以接收并處理振動響應以便如果流量計組件10中 的夾帶相水平超過預定水平閾值則生成警報(參見圖4和隨附討論)。 該警報可以指示過度的夾帶相水平。該警報可以指示過度的氣泡尺 寸，諸如如果氣泡尺寸超過預定尺寸閾值或氣體體積。該警報可以指 示過度的顆粒尺寸或固體體積。該警報因此可以指示所述一個或多個 流量測量已超過預定測量公差。在某些實施例中，如果所得的流量測 量不夠精確，則儀表電子裝置20可以對修正進行精密化。當在流動材料中存在夾帶空氣(或任何氣體)時產生所述一個或 多個流量測量時的一個常見問題。所述夾帶空氣可以作為各種尺寸的 氣泡而存在。當氣泡相對較小時，它們對流量測量具有可忽略的影響。 然而，隨著氣泡尺寸增大，流量測量誤差也增大。根據本發明的某些實施例的儀表電子裝置20產生改進的流量測 量。該流量測量在流動材料中存在夾帶相的情況下得到改進。該流量 測量在流動材料中存在夾帶空氣泡的情況下得到改進。該流量測量在 流動材料中存在夾帶固體的情況下得到改進。例如，儀表電子裝置20 可以產生流動材料的改進的密度測量。儀表電子裝置20另外可以提 供流動材料的夾帶體積分數和/或其它流速測量。結果，振動流量計5可以包括纟展動密度計和/或Coriolis流量計。可以產生其它附加流量測 量并且其在說明書和權利要求的范圍內。在一個實施例中，如所示，流管103A和103B包括基本呈U型 的流管。替換地，在其它實施例中，流管可以包括基本上直的流管。 然而，還可以4吏用其它形狀，并且所述其它形狀在說明書和權利要求 的范圍內。在一個實施例中儀表電子裝置20被配置為使流管103A和103B 振動。由驅動器104來執行振動。儀表電子裝置20還從拾取感測器 105和105'接收所產生的振動信號。該振動信號包括流管103A和103B 的振動響應。儀表電子裝置20處理振動響應并確定所述一個或多個流量測量。圖2示出根據本發明的實施例的振動流量計5的儀表電子裝置 20。在本實施例中儀表電子裝置20包括可以耦合到引線100 (而且可 選地耦合到通信路徑26)的接口 201。儀表電子裝置20還包括處理 系統203。處理系統203可以包括任何方式的處理系統，包括通用或 專用處理器、電路等等。處理系統203從流量計組件10接收信號并 處理該信號，諸如來自拾取感測器105和105'的振動響應。處理系統 203還可以生成信號并將其傳輸到流量計組件10,諸如向驅動器104 供應功率的驅動信號。儀表電子裝置20還包括存儲信息的存儲系統204。存儲系統204 可以集成到處理系統203或與之分離。例如，存儲系統204可以存儲 振動響應211、測量二相密度212、液體密度2132、計算驅動功率214、 密度補償系數215、補償二相密度216、預測驅動功率217以及夾帶 相密度218。其它信息可以被存儲在存儲系統204中，包括下面所討 論的值。振動響應211可以包括流量計組件10的l展動響應。振動響應211 包括已經過處理以獲得流量測量的拾取信號。振動響應211因此可以 包括流量測量，包括質量流速和體積流速中的一個或多個。流速可以 被存儲為振動響應211的一部分或者可以存儲在單獨的值。測量二相密度212包括從拾取感測器105和105'獲得的密度測量。 測量二相密度212包括如本領域中所已知的那樣生成的流量計組件10 中的二相流的密度測量。結果，隨著二相流中的夾帶空氣量增加，測量二相密度212的精確度降低。液體密度213包括二相流的液體成分的已知密度。液體密度213 可以包括基于液體成分的存儲值或常數。夾帶相密度218包括二相流的夾帶第二相成分的已知密度(pe)。 夾帶相密度218可以包括基于夾帶成分的存儲值或常數。計算驅動功率214包括驅動器104所需的電功率。根據夾帶空氣 的量，驅動器104可以接收或可以不接收所有的所需電功率。計算驅 動功率214可以包括由處理系統203存儲的計算或測量值。計算驅動 功率214可以包括與驅動電壓相乘的驅動電流(即通過驅動器104的 電流與驅動器處的電壓相乘)。替換地，在驅動器104處的電壓未經 測量或相反已知的情況下，計算驅動功率214可以包括與拾取感測器 之一處的拾取電壓相乘的驅動電流。然而，這種方法也具有缺點，因 為驅動電流通常不是無限的，且即使可能需要，也可能不增加至超過 一定的水平。因此，可以根據其它值來計算所述計算驅動功率214(參 見下面的圖3的步驟302 )。例如，密度補償系數215包括將針對諸如夾帶氣體等夾帶相的影 響來補償測量二相密度212的補償系數。然而，氣體可以改變且密度 補償系數215可以補償任何氣體或氣體混合物。密度補償系數215說 明夾帶氣體的存在。密度補償系數215說明夾帶氣體的各種水平。補償二相密度216包括二相流的密度值。在某些實施例中，補償 二相密度216包括與密度補償系數215組合的測量二相密度212。預測驅動功率217包括期望被具有平均氣泡尺寸或其它期望流體 參數(諸如平均粘度、液體密度等)的補償二相密度所吸收的驅動功 率。預測驅動功率217包括使用補償二相密度216計算的驅動功率。在操作中及才艮據一個實施例，處理系統203接收4展動響應211, 由該振動響應生成測量二相密度212，并至少在密度方面對夾帶相進 行修正(參見圖3 4和隨附討論)。圖3是根據本發明的實施例的用于在振動流量計中修正流動材料 的二相流中的夾帶相的方法的流程圖300。在步驟301中，振動流量 計測量二相流的密度以獲得測量二相密度。如前文所討論的，根據流 動材料的夾帶相水平、流速、及其它參數，測量二相密度可以具有各 種程度的誤差。18在步驟302中，確定計算驅動功率。計算驅動功率是振動流量計 的驅動器為了使流管道振動所需的電功率。在一個實施例中可以通過 將驅動電流與驅動電壓相乘來確定計算驅動功率。替換地，可以通過 將驅動電流與拾取感測器之一處存在的拾取電壓相乘來確定計算驅 動功率。該拾取感測器電壓可以包括驅動電壓的可接受代用品，因為 在振動流量計中通常不測量或確定驅動電壓，而拾取感測器電壓經過 測量且已知。然而，驅動流管道所需的功率與振動振幅的平方成比例。因此， 當目標幅度加倍時，達到該目標振動振幅所需的功率變成四倍。遺憾 的是，驅動電流(Id)將不超過相關電源的電流能力且驅動器可能不 一定接收所需的驅動電流水平以便適當地驅動流管道，尤其是當在二 相流中存在大的夾帶相水平時。因此，計算驅動功率可以包括驅動器 為了完全使流管道振動所需的功率，而不是驅動器所消耗的功率。因 此，驅動器可能需要比供應的功率更多的功率。根據本實施例計算的計算驅動功率包括完全使流管道振動所需 的功率，即使當可用電流不足時。根據以下等式來計算所述計算驅動 功率。f> 二《X(1)其中(K )項是振動流量計的比例常數，(Id )項是測量驅動電流， (Io)項是零體積分數的驅動電流(諸如校準電流)，(EPO)是測量 的拾取電壓，且(Et)項是拾取目標電壓。等式(l)的解確定由于夾 帶相的存在而得到的計算驅動功率。項(I d x E p o )是與消耗的總驅動功率成比例的功率項。嚴格地說， 應使用驅動EMF電壓而不是拾取電壓(Epo)來計算驅動功率。然而， 驅動EMF難以測量，同時容易測量的拾取電壓(EPO)與驅動EMF 成比例。因此，在等式中可以采用拾取電壓(EPO)。拾取電壓(Epo) 與驅動電流(Id)的此乘積與使流管振動所需的功率成比例。拾取目 標電壓(Et)對應于指定的振動振幅目標。通常調節驅動電流(Id) 以將拾取電壓保持在其目標電壓并因此將振動振幅保持在其目標振 幅。然而，穿過液體的夾帶氣泡或夾帶固體向振動流管施加大的阻尼 力，因此常常在拾取電壓(EP0)達到其目標電壓(Et)之前達到驅動電流極限。當發生這種情況時，拾取電壓(EP0)小于目標電壓(Et) 且振動振幅小于其目標。振幅比項Up。 J針對由于驅動電流到達其極限而引起的振動振幅 的減小來調整驅動功率。換言之，在等式(1)中計算的功率是使振 動振幅保持在其目標所需的功率，即使此功率不可用。當振動振幅在其目標時，則Epc^Et且電壓比項等于1。等式(1)中的最終項、I0x Et項是在不存在第二相(氣體或固體)的情況下驅動流量計所需的零 空隙分數功率。此項可以包括工廠校準功率值。必須用總功率減去零 空隙分數功率，因為純液體產生非常少的或不產生質量流量誤差。因 此等式(1)計算由于夾帶相而產生的功率增加。此增加大致上與由 于該相而引起的誤差成比例。可以在工廠校準期間確定零體積分數功 率。在步驟303,計算密度補償系數。可以根據以下等式來計算該密 度補償系數密度補償系數<formula>formula see original document page 20</formula>其中(Puut)相是儀表未修正(即測量或指示)密度，(Pl)是已知液體密度，(pc。mputed)相是根據等式(1)計算的驅動功率。通過未修正體積分數L A J的函數來修正未修正密度(puut)，其中(pe) 是夾帶相密度。對于特定的流量計類型，可以確定常數(C1 )和(C2).對于一種流量計類型，可以通過實驗將該常數確定為Cl =0.66和〔2 = 0.0015。然而，應理解的是這兩個常數可以根據流量計尺寸、類型等 而改變。可以從計算驅動功率的儀表輸出參數和指示/測量體積分數導出密度補償等式(2)。應注意的是液體密度(Pl)和夾帶成分密度Pe 必須是已知的以便從測量二相密度獲得未修正體積分數。請注意，如 果夾帶成分在低壓下是氣體，則其密度可以近似為零，幾乎沒有或沒 有補償中的退化。還請注意，每種儀表類型可能需要唯一 的補償等式。在步驟304,將密度補償系數與步驟301的測量二相密度組合以便獲得補償二相密度(pe。mp)。該補償二相密度比測量二相密度更準 確地反映二相流的密度。補償二相密度使夾帶氣體對流特性測量的影 響最小化。補償二相密度使較大氣泡對流特性測量的影響最小化。圖4是根據本發明的實施例的用于在振動流量計中修正流動材料的二相流的夾帶相的方法的流程圖400。在步驟401,如前文所討論
的，振動流量計測量二相流的密度以獲得測量二相密度。
在步驟402,如前文所討論的，確定計算驅動功率。 在步驟403,如前文所討論的，計算密度補償系數。 在步驟404,如前文所討論的，將密度補償系數與步驟401的測
量二相密度組合以便獲得補償二相密度。
在步驟405，確定預測驅動功率。該預測驅動功率^f吏用補償二相
密度來生成驅動功率預測。可以使用補償二相密度并根據以下等式來
生成預測驅動功率(Y):
y = [(C3);c4 + (C4)x3 - (C5)x2 + (C6);c]x (A - pe )2 (3)
,一A
其中X是補償氣體體積分數^ A J， pc是補償密度，且(pe) 是夾帶相密度。
圖5是已經在實驗上確定的針對多個流體參數并在體積分數范圍 內的驅動功率對比氣體體積分數的圖表。該圖表反映上述等式(3)。
;的下方線是針:;干i小尺寸的氣泡的實際計算驅動功率圖且上 方線是針對若干較大尺寸的氣泡。從圖表中可以看出對于相同的氣體 空隙分數而言較大氣泡需要更多的驅動功率。從圖表中還可以看出對 于特定的流量計型號可以在實驗中確定特性功率曲線。使用由在前密 度補償過程產生的氣體體積分數值，可以使用特性曲線來導出預測驅 動功率。
通過插入補償體積分數(VFc。mpensated )值(圖表中的x項)，可 以通過等式(3)來獲得預測驅動功率(圖表中的Y項)。補償體積 分數可以包括氣相或固相關于液相的體積分數。補償體積分數
(VFc。mpensated )表示為〔A-A j因此，等式(3)以補償體積分數的 形式使用密度補償系數來提供預測驅動功率(Y)。另外，使用振動 流量計的功率特性(常數C3至C6)來導出預測驅動功率。該功率特 性可以存儲在儀表電子裝置中或者可以在外部提供。對于每種振動流 量計型號，可能需要獨立地導出該功率特性。
再次參照圖4,在步驟406中，將預測驅動功率與計算驅動功率 相比較。這樣做是為了確定流量測量的精確度。如果計算驅動功率在 預測驅動功率的預定容差之內，則可以將流量測量確定為可接受的精確。如果不是，則可以生成警報指示。
大夾帶氣泡和低流速的條件遭遇解耦誤差，以及除解耦誤差之外 的誤差。此條件稱為流動不對稱性且是氣泡對重力的響應的結果。如 果氣泡相對于流體上升的速度比得上流體速度，則氣體緩慢并聚積在 任何向下流動的流管區中且快速通過任何向上流動的流管區。氣體分 布的這種不對稱性導致儀表中的非典型氣體體積分數并進一步引起 向下流動的流管區中的過度管阻尼。結果，不能預期在這些條件下的 解耦補償消除流量和密度誤差且需要識別這些條件以便進行輸出警 告或進一步補償。
對于非常小的氣泡和較高流速的條件，流動不對稱性誤差減小， 因為小氣泡趨向于被流體攜帶(高拖曳浮力比)。理想的是，能夠識 別這種氣泡類型以便以不同的方式進行補償。
對于漿料，存在類似的流動不對稱性條件。大顆粒和低流速可以 導致顆粒沉積在儀表中的低點處。這引起儀表中的非典型固體體積分 數、過度阻尼和不能補償的流量和密度誤差。此不對稱條件也需要識 別且需要輸出警告。
在步驟407，如果計算驅動功率在預測驅動功率的預定容差量內， 則將補償密度測量視為精確且補償到此為止。否則，流量測量已變得 不可接受的不精確。因此，方法繼續進行到步驟408。
在步驟408,如果計算驅動功率超過預測驅動功率多于預定上閾 值，則該方法分支到步驟409。否則，在計算驅動功率小于預測驅動 功率多于預定下閾值的情況下，則方法分支到步驟410。
圖6是示出計算驅動功率和預測驅動功率對比夾帶相的體積分數 的圖表。在圖6中，將計算驅動功率示為大于預測驅動功率。預測驅 動功率是標稱(nominal)夾帶氣泡尺寸、流體粘度及諸如流速等其它 參數所需的功率。密度補償系數同樣是針對標稱流體混合物參數而確 定的。因此，如果計算驅動功率不同于預測驅動功率，則補償密度不 同于二相混合物的真實密度。例如，諸如大氣泡尺寸和低粘度等條件 消耗比預測功率更多的功率，而且產生比補償系數修正更多的誤差。 功率與密度誤差之間存在相關性，因為損耗振動能量的同一機制、流 體解耦產生密度誤差。因此，預測功率與計算功率之間的差充當補償 精確度的檢查。在本示例中，計算驅動功率大于預測驅動功率多于預
22定上閾值(虛線)。因此，可以將補償密度測量視為不可接受的不精 確。當發生這種情況時，可以諸如通過將流量混合或增加流速或壓力 來觸發指示需要改變流動條件的警報。而且，直至上閾值為止，對于 較高的解耦條件，可以改變補償系數等式。
圖7是類似于圖6的計算驅動功率和預測驅動功率的圖表，不同 的是計算驅動功率被示為小于預測驅動功率。當流體解耦的量小于針 對用來確定預測功率的標稱條件的流體解耦量時，存在這種條件。在 本示例中，計算驅動功率小于預測驅動功率超過預測下閾值(虛線)。 因此，補償二相密度尚不十分精確。因此，可以對補償系數等式進行 精密化以反映較低的解耦量。經修改的補償系數產生更精確的補償二 相密度并促使計算驅動功率更緊密地跟隨預測驅動功率。
再次參照圖4,在步驟409中，如果計算驅動功率大于預測驅動 功率多于預定上閾值，則生成警報指示。可以生成該警報指示以便警 告操作員正在發生不利的流動條件。可以生成該警報指示以便警告流 量測量已變得不可靠。可以生成警報指示以便對過度的夾帶相水平進 行警告，諸如過多固體或過度固體顆粒尺寸、或夾帶氣體情況下的過 度氣泡尺寸。另外，可以生成警報指示以便提示流動條件的變化。例 如，警報指示可以提示流速、流動壓力或其它流動條件的變化。在某 些實施例中，可以存儲和/或傳輸該警報條件，諸如將其傳輸到能夠改 變流動條件的操作員或技術員。
在步驟410，如果計算驅動功率小于預測驅動功率，則可以對補 償二相密度進行精密化以便改進流量測量的精確度和可靠性。在某些 實施例中，通過減小密度補償系數來對補償二相密度進行精密化。在 某些實施例中，使密度補償系數減小與計算驅動功率和預定下閾值之 間的差成比例的量。
2權利要求
1.一種用于修正流動材料的二相流的夾帶相的振動流量計(100)，包括流量計組件(10)，流量計組件(10)包括驅動器(14)，振動流量計(100)被配置為生成針對流動材料的振動響應，并且還包括耦合到流量計組件(10)并接收振動響應的儀表電子裝置(20)，該振動流量計(100)的特征在于儀表電子裝置(20)被配置為使用振動響應來生成二相流的測量二相密度，確定流量計組件(10)的驅動器(104)所需的計算驅動功率，并使用二相流的液體成分的液體密度、夾帶成分的夾帶相密度、測量二相密度、和計算驅動功率來計算密度補償系數。
2. 權利要求1的振動流量計(100),其中，儀表電子裝置(20) 被配置為將驅動電壓與驅動電流相乘以便確定計算驅動功率。
3. 權利要求1的振動流量計(100)，其中，儀表電子裝置(20)被配置為將拾取感測器電壓與驅動電流相乘以便確定計算驅動功率。
4. 權利要求1的振動流量計(100),其中，儀表電子裝置(20)算驅動功率，其中，K是比例常數，Id是測量的驅動電流，Io是零體 積分數驅動電流，Epo是拾取電壓，且Et是拾取目標電壓。
5.權利要求1的振動流量計(100),其中，計算密度補償系數是夾帶相密度，(Puut)是測量二相密度，(Pc。mputed)是計算驅動功率，且Cl和C2項包括預定的儀表專用常數。
6. 權利要求1的振動流量計(100),其中，儀表電子裝置(20) 還被配置為將密度補償系數與測量二相密度組合以提供補償二相密度。
7. 權利要求1的振動流量計(100),其中，儀表電子裝置(20) 還被配置為將密度補償系數與測量二相密度組合以提供補償二相密 度，使用液體密度、夾帶相密度、補償二相密度以及振動流量計(100) 的功率特性來確定預測驅動功率，并基于預測驅動功率值與計算驅動 功率之間的差來確定振動流量計(100)的流量測量的精確度。
8. 權利要求7的振動流量計(100),其中，儀表電子裝置(20)包4舌乂于等式、A-A J求解，其中，(P,)是液體密度，(Pe)還被配置為對等式L a-a」求解以獲得二相流的補償體積分數，其中， (P圓p)是補償二相密度。
9. 權利要求7的振動流量計(100)，其中，確定精確度還包括 如果計算驅動功率與預測驅動功率相差超過預定容差，則生成警報指示。
10. 權利要求7的振動流量計(100),其中，確定精確度還包括 如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上闊值，則生成警報指 示，指示過度的夾帶相水平并進一步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
11. 權利要求7的振動流量計(100),確定精確度還包括如果計 算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過大的氣泡尺寸并進 一 步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
12. 權利要求7的振動流量計(100)，其中，確定精確度還包括 如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指 示，指示過度的固體夾帶相水平并進一步指示振動流量計中的流動條 件的所需變化。
13. 權利要求7的振動流量計(100),其中，確定精確度還包括 如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則產生警報指示。
14. 權利要求7的振動流量計(100),其中，確定精確度還包括 如果計算驅動功率小于預測驅動功率超過預定下閾值或者如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則對補償二相密度進行精密化。
15. 權利要求14的振動流量計(100),其中，對補償二相密度 進行精密化包括使密度補償系數減小與計算驅動功率和預定下閾值 之間的差成比例的量。
16. 權利要求7的振動流量計(100)，其中，確定精確度還包括 將預測驅動功率與計算驅動功率相比較，如果計算驅動功率大于預測 驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，以及如果計算驅動功率 小于預測驅動功率超過預定下閾值則通過使密度補償系數減小與計尸 二 x算驅動功率和預定下閾值之間的差成比例的量來對補償二相密度進行精密化。。
17. —種用于在振動流量計中修正流動材料的二相流中的夾帶相 的方法，該方法包括生成二相流的測量二相密度，該方法的特征在于確定振動流量計的驅動器所需的計算驅動功率；以及 使用二相流的液體成分的液體密度、夾帶成分的夾帶相密度、測量二相密度、和計算驅動功率來計算密度補償系數。
18. 權利要求17的方法，其中，確定計算驅動功率包括將驅動電 壓與驅動電流相乘。
19. 權利要求17的方法，其中，確定計算驅動功率包括將拾取感測器電壓與驅動電流相乘。
20. 權利要求17的方法，其中，確定計算驅動功率包括對等式<formula>formula see original document page 4</formula>求解，其中，K是比例常數，Id是測量的驅動電流，Io是零體積分數驅動電流，Epo是拾取電壓，且 Et是拾取目標電壓。
21. 權利要求17的方法，其中，計算密度補償系數包括對等式<formula>formula see original document page 4</formula>求解，其中，(p,)是液體密度，(p誠)是測量二相密度，(Pe)是夾帶相密度，(Pc。甲ted)是計算驅動功率，且C1 和C2項包括預定的儀表專用常數。
22. 權利要求17的方法，還包括將密度補償系數與測量二相密度 組合以提供補償二相密度。
23. 權利要求17的方法，還包括將密度補償系數與測量二相密度組合以提供補償二相密度； 使用液體密度、夾帶相密度、補償二相密度、以及振動流量計的功率特性來確定預測驅動功率；以及基于預測驅動功率值與計算驅動功率之間的差來確定振動流量計的流量測量的精確度。
24. 權利要求23的方法，還包括對等式<formula>formula see original document page 4</formula>求解以獲得二相流的補償體積分數，其中，(pe。mp)是補償二相密度。
25. 權利要求23的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動功率與預測驅動功率相差超過預定容差，則生成警報指示。
26. 權利要求23的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度 的夾帶相水平并進 一 步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
27. 權利要求23的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過大 的氣泡尺寸并進 一 步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
28. 權利要求23的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度 的夾帶固相水平并進一步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
29. 權利要求23的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示。
30. 權利要求23的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率小于預測驅動功率超過預定下閾值或者如果計算驅動功率小于 預測驅動功率超過預定上閾值，則對補償二相密度進行精密化。
31. 權利要求30的方法，其中，對經補償的二相密度進行精密化 包括使密度補償系數減小與計算驅動功率和所述預定下閾值之間的 差成比例的量。
32. 權利要求23的方法，其中，確定精確度還包括 將預測驅動功率與計算驅動功率相比較；如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警 報指示；以及如果計算驅動功率小于預測驅動功率超過預定下閾值，則通過使密度補償系數減小與計算驅動功率和所述預定下閾值之間的差成比 例的量來對補償二相密度進行精密化。
33. —種用于在振動流量計中修正流動材料的二相流中的夾帶相 的方法，該方法包括生成二相流的測量二相密度，該方法的特征在于確定振動流量計的驅動器所需的計算驅動功率； 使用二相流的液體成分的液體密度、夾帶成分的夾帶相密度、測 量二相密度、和計算驅動功率來計算密度補償系數；將密度補償系數與測量二相密度組合以提供補償二相密度； 使用液體密度、夾帶相密度、補償二相密度、以及振動流量計的功率特性來確定預測驅動功率；以及基于予貞測馬區動功4H直與計算馬區動功率之間的差來確定沖展動流量 計的流量測量的精確度。
34. 權利要求33的方法，其中，確定計算驅動功率包括將驅動電 壓與驅動電流相乘。
35. 權利要求33的方法，其中，確定計算驅動功率包括將拾取感測器電壓與驅動電流相乘。
36. 權利要求33的方法，其中，確定計算驅動功率包括對等式<formula>formula see original document page 6</formula>求解，其中，K是比例常數，Id 是測量的驅動電流，Io是零體積分數驅動電流，Epo是拾取電壓，且 Et是拾取目標電壓。
37. 權利要求33的方法，其中，計算密度補償系數包括對等式U,-PJ ，'"求解，其中，(p,)是液體密度，(Pe)是夾帶相密度，(Puut)是測量二相密度，(P函puted)是計算驅動功率，且C1 和C2項包括預定的儀表專用常數。
38. 權利要求33的方法，還包括對等式L A j求解以獲得二相 流的補償體積分數，其中，(pe。mp)是補償二相密度。
39. 權利要求33的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率與預測驅動功率相差超過預定容差，則生成警報指示。
40. 權利要求33的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度 的夾帶相水平并進一步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
41. 權利要求33的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過大 的氣泡尺寸并進 一 步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
42. 權利要求33的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示，指示過度 的夾帶固相水平并進 一 步指示振動流量計中的流動條件的所需變化。
43. 權利要求33的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動 功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警報指示。
44. 權利要求33的方法，其中，確定精確度還包括如果計算驅動一丄i"T 73t nrr —r —I..古'IT 、丄A -r~ r; i 丄'+/ ,.ffi71— r irr —丄，L杰 I t 叨千y、 丁了貝V"^i^/j^/千觀Xi了貝疋「 l效J1且5Xa百5 口;^T[—丹^iW々V干M、，預測驅動功率超過預定上閾值，則對補償二相密度進行精密化。
45. 權利要求44的方法，其中，對補償二相密度進行精密化包括 使密度補償系數減小與所計算的驅動功率和所述預定下閾值之間的 差成比例的量。
46. 權利要求33的方法，其中，確定精確度還包括 將預測驅動功率與計算驅動功率相比較；如果計算驅動功率大于預測驅動功率超過預定上閾值，則生成警 報指示；以及如果計算驅動功率小于預測驅動功率超過預定下閾值，則通過使 密度補償系數減小與所計算的驅動功率和所述預定下閾值之間的差 成比例的量來對補償二相密度進行精密化。
全文摘要
本發明提供了一種用于修正流動材料中的二相流的夾帶相的振動流量計(100)。振動流量計(100)包括流量計組件(10)，流量計組件(10)包括驅動器(104)，振動流量計(100)被配置為生成針對流動材料的振動響應。振動流量計(100)還包括耦合到流量計組件(10)并接收振動響應的儀表電子裝置(20)。儀表電子裝置(20)被配置為使用振動響應來生成二相流的測量二相密度，確定流量計組件(10)的驅動器(104)所需的計算驅動功率，并使用二相流的液體成分的液體密度、夾帶相成分的夾帶相密度、測量二相密度、和計算驅動功率來計算密度補償系數。
文檔編號G01F1/84GK101663566SQ200780052828
公開日2010年3月3日 申請日期2007年5月3日 優先權日2007年5月3日
發明者C·B·范克萊夫, J·溫斯坦 申請人:微動公司