兩相流體流的檢測和測量的製作方法

2023-06-09 00:47:06 2

專利名稱：兩相流體流的檢測和測量的製作方法
技術領域：
本發明涉及對或關於兩相(two-phase)流體流的監視的改進，尤其涉及檢測流中的第二相成分的存在，並涉及測量一個或幾個成分的流速。
背景技術：
在一些工業中例如油工業，流動的流體可能不是一種成分。例如，其可能是碳氫化合物液體，其中攜帶很大比例的碳氫化合物氣體，或者，其可以相反，其中主要成分是碳氫化合物氣體，其帶有呈小滴形式的很大比例的碳氫化合物液體。另外，其可以是在其作為液體或氣體存在的壓力和溫度的條件下流動的一種成分的流體。在許多工業中，使用蒸氣(作為氣體)作為熱傳遞或消毒介質。在產生蒸氣時，就其溼度(存在液態水的程度)而言的蒸氣的質量是影響其作為熱能源的商業價值因而影響相關工廠的總的性能和效率的一個重要特徵。
因而，在流中第二相成分的存在改變主要測量信號和第一相或主要相成分之間的關係。如果不能預料第二相的存在，則在第一成分的流量的指示值中的誤差可能相當大，並且在某些情況下，流量計可以停止工作。
本發明涉及在流中的第二相成分的存在的檢測，並涉及通過分析和來自常規的單相流量計的主變換器相關的傳感器的完全無限制的信號，來進行在液體中具有氣體(gas-in-liquid)或氣體中具有液體(liquid-in-gas)的兩相中每個相(phase)的相對大小的確定。
大部分製造廠的操作依賴於在其處理操作和程序所涉及的各個單元之間的流體的輸送。一般地說，只是所涉及的單相的液體和已研製的儀表達到了高的精度和可靠性。不過，實際上，在工廠操作中的不規則性隨時都會發生，這引起在單相流中摻雜有第二流體。在這些情況下，事實上所有類型的流量計的性能成為不可靠的和不精確的，因而導致不滿足質量要求的產品，最終導致降低產量，甚至使生產停止。
在工業上，流量計或其它測量系統的主要要求是提供用於輸入到處理控制系統的信號，或者是測量預定體積的流體。為達到這個要求，常規的方法是如此調節這些測量信號，使得其提供流量的穩定的平均值，消除隨機的低的波動，這些波動也被稱為「噪聲」。對於單相流操作，傳感器信號一般在幾分之一秒到幾分鐘的時間內被平均，根據儀器和應用而定。由於處理或其它的裝置的作用，這減小了由於湍流或流的狀態的畸變而引起的必然的波動的影響，從而產生更穩定的讀數，這是處理控制和管理所要求的。
在本發明中，為了能夠利用單相流量計進行兩相流的監視，從和主要流變換器相關的傳感器信號恢復由于波動而產生的附加信息。
實驗室研究表明，當流體流過密閉的管路時，在來自流過被觀察的流體的許多不同類型的流量計中的主要傳感器的信號中具有波動的基本背景值。具有若干個構成這些波動的源，其中包括流體沿著管路並通過管路連接例如法蘭、彎頭、拐彎和閥門流動時在流體中產生的湍流的影響。還具有由處理設備例如泵、過濾器和混合器的操作產生的影響。
在單相流體流中這些波動的大小通常至少是小於測量信號的平均值的數量級，並且通常比所述平均值小得多。它們被普遍地看作「噪聲」，因而一般認為抑制或者消除這些噪聲是無意義的。不過，實驗室測量表明，當有意無意地在流中引入第二相時，噪聲的水平便立即或急劇地增加。在這些情況下產生的各種流的狀態通過分析來自測量系統的主要傳感器的完全未限制的信號被訪問。通過傳感器信號的成分例如「噪聲」的相當高的頻率例如大約3Hz到5kHz或更高的，但同時非常低的值的分析而恢復的信息，能夠確定在液體流中具有氣體或氣體流中具有液體的狀態下的每個相的相對大小。
在我們的共同未決的英國專利申請0212739.7中描述了使用渦流流量計測量單相或兩相流體流的方法，其中通過分析來自主要傳感器的全部信號來訪問流的各個狀態。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種用於檢測兩相流體流的發生或存在的方法，並通過測量和分析來自某些類型的流量計的完全未限制的主要傳感器信號，產生兩種成分的流體流中的每種成分的體積流速或質量流速，或者產生一種成分的兩相流中的各相的相對大小。
按照本發明，提供一種用於監視在密閉的管路中的流體流的方法，包括設置和所述管路相關的流量計，所述流量計從文氏流量計、楔/差動壓力流量計、噴嘴/差動壓力流量計、可變面積/差動壓力流量計、超聲流量計、渦輪流量計、科裡奧利流量計和電磁流量計中選擇，在使用中的流體通過所述流量計在管路內流動，其特徵在於包括以下步驟產生表示所述流體流的至少一個特徵的信號，測量未被限制的檢測信號的幅值或/與頻率分量，在所述檢測信號中包括任何波動，以及分析檢測信號的至少一個分量，以便確定是否存在第二相，或/與確定所述流體流的至少一相的大小。
本發明的方法還包括以下預備步驟利用兩個參考單相流量計校準選擇的單相流量計，一個用於每相，以便在各個成分混和而形成要被選擇的單相流量計測量的兩相流之前精確地建立各個成分的流量，以便確定在來自選擇的單相流量計的主要信號，所述信號中的波動，以及各個相的流量之間的關係。
流量計的類型理解下述的內容是重要的雖然具有大量不同的流量計，但是並不是所有這些流量計都提供適合於後面所述的信號分析技術的測量信號，用於檢測兩相流的發生或存在，並確定兩個成分的流體流中的每個成分的體積流速或質量流速。為了本說明的目的，提供合適的測量信號的常規類型的流量計被分為以下4組
組1包括這些流量計，其中主要變換器產生和體積流速呈平方定律關係的頭或差動壓力測量信號。
組2包括這些流量計，其中主要變換器產生頻域中的振蕩測量信號，並且所述頻率基本上和體積流速成比例。
組3包括這些流量計，其中主要變換器產生複數的振蕩測量信號，其中傳感器信號的相位移基本上是質量流速的函數，並且頻率是流體密度的函數。
組4包括這些流量計，其具有兩個主要的約束或限制。第一個限制是它們不用於氣體或液體，除非它們具有某個小的程度的導電性。第二個限制是需要信號處理來克服在電極和流動的液體之間的界面上產生的寄生信號，信號處理在實際上消除電極信號的所有的「噪聲」分量。然而，只有對這個問題提供折中的解決方案的信號處理技術可供利用。
表1表示可以用於本發明的不同類型的流量計的列表，其按照其主要傳感器信號的特徵被分組，其確定在本發明中所需的分析的類型。伴隨著表1是在本文中的所有附圖的列表。
所有組的共同特徵在工業應用中，通常在要被合適地預設為某個值的時間內平均傳感器信號，所述時間在幾分之一秒和幾分鐘之間，根據傳感器的類型和應用而定。雖然這減少了由於處理和其它裝置的影響而引起的流狀態的幹擾而產生的波動的影響，並產生對於處理控制和管理是優選的較穩定的信號，與此同時，其消除了傳感器信號的較高的頻率分量。事實上，正是這些分量攜帶著信息，從這些信息可以識別兩相流的發生或存在，並確定每相的大小。
一般地說，在流中第二相成分的引入或存在導致在主要測量信號和第一相成分之間的關係的極大的在某些情況下驚人的改變。如果第二相的存在未被預料到或者未被識別，則改變的關係將引起主要成分的測量的流量的大的誤差。
所有的組用於識別兩相流的存在並確定這些相的相對大小的共同的方法步驟。
用於識別兩相流的存在或發生的步驟對於在表1中所列的所有常規單相流量計基本相同。其涉及在主要和次要相流的流量的整個範圍內校準流量計。這似乎是一個過分的要求，但是，雖然其涉及獲得大量的數據點，但是當它們被校準以便確定其儀表係數或校準常數時，在完成上述的所有流量計的製造之後，只需要重複隨後的步驟。其區別在於，在存在次要相的一個固定的流量範圍時，對於預選的每個主要流量，獲得一個校準曲線。


圖1表示測試流量設備，用於泵吸水的一個被控制的流量，其中可以注入空氣以便產生兩相流。在混和之前和混和之後利用被測試的流量計測量兩個單相的流量；圖2是可變面積(GilfloTM)流量計的示意圖；圖3是V錐流量計的示意圖；圖4表示作為水對蒸氣的質量分數(mass fraction)的函數的在溼蒸氣條件下來自GilfloTM儀的差動壓力信號的均方波動；圖5表示作為水對蒸氣的質量分數的函數的在溼蒸氣條件下來自GilfloTM儀的平均差動壓力信號；圖6表示在溼蒸氣條件下來自GilfloTM儀的差動壓力信號的標準偏差如何隨水對蒸氣的分數而急劇地增加；圖7表示對於3％的乾燥分數(97％的蒸氣質量)GilfloTM流量計的時域信號及其頻譜；圖8和圖7類似，其中5.95％的乾燥分數(94.05％的蒸氣質量)；圖9和圖7類似，其中11.3％的乾燥分數(88.7％的蒸氣質量)；圖10和圖7類似，其中16.95％的乾燥分數(83.05％的蒸氣質量)；圖11和圖7類似，其中22.6％的乾燥分數(77.4％的蒸氣質量)；圖12是來自渦輪流量計的基本頻率信號對單相液體流量的曲線；圖13表示在2」5葉片渦輪流量計的連續的葉片通過時刻的波動；
圖14表示在存在不同的第二相(空氣)流時渦輪流量計的頻率校準係數(頻率對液體流量的比)如何改變；圖15表示2」5葉片渦輪流量計的連續交叉時間周期的標準偏差如何隨第二相(空氣)的流量而增加；圖16表示對於不同的水流量，葉片通過周期τrms的標準偏差如何按照第二相(空氣)的流量而改變；圖17表示神經網絡輸出的曲線；圖18是用於通過EM儀校準兩相流的流環的示意圖，其中流量調節器剛好被置於EM流量計之前；圖19是在時域和頻域內的EM流量計的信號，其中空氣流量為01/min，流量調節器位於EM流量計的上遊；圖20和圖19類似，其中空氣流量為5l/min；圖21和圖19類似，其中空氣流量為10l/min；圖22和圖19類似，其中空氣流量為15l/min；圖23和圖19類似，其中空氣流量為20l/min；圖24和圖19類似，其中空氣流量為25l/min；圖25和圖19類似，其中空氣流量為30l/min；圖26表示具有流量調節器的EM流量計信號的AC分量的功率隨在水中存在的空氣的百分數的改變；圖27是用於通過EM儀校準兩相流的流環的示意圖，其中旋渦發生器置於EM計之前，用於混和所述的相；圖28表示在具有強的旋渦的兩相流下的EM流量計信號的功率頻譜；圖29表示對於水中的空氣的百分數描繪的EM流量計信號的AC分量的信號功率的曲線，其中具有漩渦流；圖30表示在不同的水流量下對於水中的空氣的分數描繪的由單相科裡奧利流量計測量的質量流速的曲線；圖31和圖30類似，其中描繪測量的混合物密度；圖32和圖30類似，不過描繪測量的體積流速；
圖33表示對水中的空氣的分數描繪的由用科裡奧利計測量的頻率值計算的頻率波動的標準偏差的曲線；圖34和圖33類似，描繪對於水中空氣的分數相波動的STD的曲線；圖35表示在不同的水流量下對於水中空氣的分數描繪的科裡奧利驅動信號的曲線；圖36表示在不同的水流量下，對於水中空氣的分數描繪的科裡奧利傳感器信號的功率；圖37表示在不同的水流量下對於水中空氣的分數描繪的科裡奧利驅動信號對傳感器信號的比(DoS)；以及圖38和圖37類似，不過具有應用於DoS信號的校正係數。
具體實施例方式
為了實現所需的校準，流量計必須安裝在具有如圖1所示的配置的流設備中。當然，其必須在密閉的流體下操作，並且作為發明人的主要的研究，發明人使用水作為主要相，空氣作為次要相。關於涉及較低的和中等流速的試驗，作為主要相(1)的水藉助於重力饋給從容器被吸入，而包括在流環中的泵(2)不被啟動。特定試驗所需的流速由設置點(3)施加於常規的處理控制器(4)，在那裡其和由參考流量計(6)測量的流速比較。然後控制器產生一個輸出信號，該信號被提供給控制閥(7)，使得其設置被調節，從而使實際流速等於所需的值。當重力饋給的「頭」不足以提供試驗所需的流速時，閥門(7)被設置為完全打開，來自控制器(4)的輸出信號從閥門(7)被傳遞給可變速驅動裝置(3)，其接著調節泵(2)的速度，直到達到所需的流速，然後保持恆定。
在流環中的第一流量計是傳遞標準流量計(6)，或者是具有所需精度和用於試驗程序的可調範圍的流量計。為了確保其實際的性能符合其規範，重要的是遵守製造者的指示，包括其安裝和使用，特別是關於在流量計的上遊(8)和下遊(9)的推薦的直管的長度。
為了進行兩相流試驗，作為第二相的壓縮空氣的供應通過和用於供水類似的設施由大樓服務處取得。其包括以足夠的精度覆蓋試驗程序中的流速的範圍的參考流量計(11)，控制器(12)，和控制閥(14)。在操作中，控制器比較代表所需的流速值的信號(13)和來自參考流量計(11)的信號，並產生一個信號，當把該信號提供給控制閥(14)時，使得空氣流量等於所需的值。
當需要時，空氣通過噴嘴注入流環，噴嘴優選地位於用於主要相的參考流量計(6)的下遊的一點(15)，在管路工程的中心，使得其對所述流量計的性能沒有大的影響。被測試的流量計(17)被安裝在流環中，位於空氣注入點的下遊，並由推薦長度的直管(16)隔開。除去被試驗的儀器之外，還提供有直的長度的管(18)，以便在被排放到液體容器之前進行穩流。
流量計的校準涉及編制試驗程序，以便在單相或兩相流的情況下獲得在一個預定的流速範圍內的性能數據。這產生關於測量的信號特徵的圖形數據的矩陣，使得選擇的流量計能夠用於確定單相或兩相流的有無，並確定單成分流的體積或質量流速，或確定在兩相流中兩種成分或任何一種成分的體積或質量流速。因為發明人使用空氣作為第二相，其是可壓縮的，重要的是注意接近被試流量計的線壓力(linepressure)。當被試流量計本身引入大的壓降時，必須測量上遊和下遊的壓力，使得主要變換器的實際壓力可以被估算。
試驗過程從對照傳遞標準或參考流量計收集被試流量計的足夠的校準點開始，以便在所需的操作範圍內建立在測量信號和主要流體的實際流速之間的精確的關係。然後對於主要流體流速的相同的系列重複所述過程，不過具有以在覆蓋處理條件的預期範圍的一系列的預定流速中的最低的流速引入的次要相。對於次要流體的其它預選的流量重複所述過程，直到收集到足以覆蓋處理條件的預期範圍的足夠的數據點。
每個試驗一般涉及使環中的流經過足夠的時間以便穩定，然後在一個在統計上大的時間間隔內，例如64秒，使用高解析度的A/D轉換器例如14位的A/D轉換器，以高的速率例如8kHz採樣來自被試流量計的完全未限制的傳感器信號。然後可以使用快速傅立葉變換分析每個數據塊。這種一系列測量的結果示於圖7-圖11。
雖然上述的校準過程是針對兩相的水流中的空氣的，也可以針對兩相的空氣流中的水進行。在這種情況下，主要流體(空氣)以由主要相參考流量計測量的被控制的流量從空氣透平泵被吸入校準設備，然後以一個測量的流速流動的次要相(水)被注入要被校準的流量計的空氣流的上遊，以便測量兩相流。
用於第一組流量計包括在組1中的類型的流量計，即目標流量計，文氏管流量計，噴嘴流量計，楔流量計，和可變面積流量計，它們都按照柏努利定律工作P/ρg+V2/2g+z＝常數這表示在單相流體的流內在數據點上方高度z處的一點壓力P和平均流速V之間的關係，其中ρ是在該點的流體密度，g是重力加速度。
對於所有這些流量計(可變面積流量計除外)，通過測量位於主要變換器的上遊和下遊推薦距離處的分接點之間的差動壓力ΔP，使用呈以下形式的關係，獲得體積流速qvqv＝K(ΔP/ρ)1/2或者等同地ΔP＝K』qv2ρ，其中K』＝1/K2其中K是校準常數，其通過雷諾數Re和流體的性能有關。
質量流速qm由qm＝qv.ρ給出。
對於可變面積流量計，在差動壓力和流量之間的二次關係被基本上線性的關係代替，如後所述。
這些類型的流量計涉及測量主要變換器(差動壓力產生裝置)的上遊和下遊預定距離處的線壓力的差，這通過使用差動壓力變換器來實現，而不使用兩個單獨的壓力發送器。其理由是，流量計本身幾乎無疑地在比傳感器的間距大得多的線壓力下操作，並且甚至可能大4個數量級之多，這顯然會破壞或損壞傳感器。實驗表明，使用一對匹配的壓力發送器不能提供足夠的穩定性或靈敏度，以便達到所需的精度。因此使用雙膜裝置來隔離來自線壓力的差動壓力(ΔP)，使得可以使用具有窄的跨度的一個壓力傳感器，並且在本專利的情況下，使用具有寬的頻率響應的壓力傳感器。
設計和研製了在處理工業中目前使用的大多數ΔP測量系統，用於這樣一些應用，其中主要的考慮是提供精確而穩定的信號用於處理的管理或控制。它們還具有魯棒的結構，以便經得起它們必須在其中操作的苛刻環境，並且它們必須保證能夠用於危險的環境中。
因而，大部分可以在市場上得到的ΔP測量系統的響應時間可以在幾分之一秒和幾分鐘之間調節。這實際上消除了由處理以及其它的安裝影響引起的流狀態的幹擾而導致的波動的影響，並產生對於處理控制和管理是優選的比較穩定的信號。不過，其還消除了傳感器信號的較高頻率的分量，這些分量實際上攜帶著可用來識別兩相流的發生或存在，並用於確定每相的大小的信息。
不過，具有一些高達幾千赫茲的頻率響應的ΔP發送器，並且已經用於我們的實驗室試驗中，不過它們的結構不夠魯棒以經受在大多數工廠中存在的苛刻環境。類似地，可以得到高達10千赫茲的頻率響應的壓力發送器，但是它們的結構一般也不適用於在工業中存在的苛刻條件。
差動壓力型流量計的另一個例子是V-ConeTM流量計，如圖3所示。在該圖中，主要變換器一個被同軸地安裝在導管(4)內的錐體(6)，流體通過所述導管沿所示的方向(1)流動，錐體的頂點指向上遊。其由管子保持定位，通過管子在下遊的錐體表面的壓力和低壓埠(3)連通，同時高壓埠(2)位於更上遊的一個短的距離。設置在錐體(6)的底部和導管(4)的內壁之間的相當小的徑向間隙(7)，以便提供所需的β比。跨過錐體產生的差動壓力提供和流量的平方定律關係，但是來自下遊埠的壓力信號特別相應於由於兩相流的衝擊而引起的「噪聲」值的增加。
研製了可變面積流量計以克服組1流量計的由於其在測量信號和流量之間的平方定律關係而產生的受限制的範圍。可變面積儀(圖2)便是一個例子。其包括成形的錐體(5)，其由彈簧(6)加載和約束，以便藉助於流體的力的作用在導管(7)和孔板(4)內同軸地運動，從而沿所示的方向(1)流動。這引起孔的有效面積改變，藉以構成一種流量計，其中在高壓埠(2)和低壓埠(3)之間的測量的差動壓力ΔP幾乎線性地隨體積流速qv而改變，而不像其它產生差動壓力的類型的流量計那樣，ΔP對qv具有二次相關性。
雖然這些結果表示，利用存在於傳感器信號內的噪聲中的信息，能夠測量其中主要成分是蒸氣的蒸氣流中的水的兩相的流量，但是可以理解，同樣的處理可以應用於液體流中的氣體，其中主要成分是液體。在氣體流中的液體的情況下，一致的性能是特別有利的，以便確保兩種成分在進入流量計時例如利用Laws Flow Conditioner被很好地混和，如在Laws，E.M的論文「Flow conditioning-a newdevelopment」中所述，該文發表在Flow Measurement.Instrumentation，1990 Vol.1 No3，165-170。
僅僅作為例子下面說明商標為GilfloTM的可變面積流量計的使用，用於產生代表兩相的液體流中具有氣體的兩種成分的體積流速的信號。
這種可變面積流量計比其它類型的流量計具有特別的優點，這是因為在孔的兩側產生的湍流產生有效的混和，即使當氣相和液相在接近流量計時未被混和。此外，在GilfloTM流量計中，例如藉助於應變儀通過測量施加到彈簧上的機械力，可以消除差動壓力變換器。所實現的混和使得其尤其適用於蒸氣的質量以及在天然氣中的濃縮的碳氫化合物的比例的重要的測量。蒸氣的質量在水-蒸氣混合物的總體積中是蒸氣的一小部份(按體積)，因此等於蒸氣的體積流速除以蒸氣和水的流量之和。當使用蒸氣作為製造處理中的熱源時，蒸氣質量是一種重要的測量。
為了測量液體和氣體的流量，測量在傳感器信號中的波動和信號的常態的平均值。可以通過計算在信號的抽樣平均值附近的均方根信號波動求出波動。許多抽樣的值x(n)的平均信號值x被按照下式首先計算x_=n=1Nx(n)N]]>其中N是抽樣數據點x(n)的數量。
在平均值附近的波動的根均方幅值xrms按下式計算xrms=n=1N(x(n)-x_)2N]]>其中N是抽樣信號值x(n)的(大的)數量，xrms和數據抽樣的標準偏差相同。
或者，波動可以從抽樣的傳感器信號的頻譜中被獲得。
在下面的曲線中，所有的壓力和差動壓力測量都是使用在4-20mA電流循環下操作的發送器進行的，相關的信號調節電路把這轉換成相應於發送器的範圍的0-+10V的信號。這個信號被輸入到分析系統。垂直的刻度代表差動壓力，由從在流速為0時的0V到最大流速時的+10V改變的電壓表示。數據是通過在大約每秒4000個採樣對差動壓力信號進行採樣獲得的。
在圖7-圖11中，示出了對於一個固定的蒸氣流速和對於7個不同的水流速的相對於平均值的差動壓力傳感器信號中的波動的時域曲線。在每個時間波動曲線的旁邊還繪出了波動的頻譜，其是通過對信號進行快速傅立葉變換獲得的，並繪出了高達1400Hz的功率譜。可以通過使頻譜中的所有的離散的頻率處的譜功率相加計算rms波動，然後取所得結果的平方根以給出結果ΔPrms。此外，可以把頻譜內的任何有限範圍中的「噪聲」相加，但是應當避免由於驅動流的泵而導致的壓力脈動。
圖7-圖11清楚地表明，壓力信號的波動隨蒸氣流的溼度而增加，而圖5表示平均差動壓降受蒸氣質量的影響很小。圖6表示rms壓力波動對於可變面積壓力計對於蒸氣的溼度幾乎線性地增加，因此其可直接用於測量溼度。
為了確定在兩相狀態下的各個流的相對大小，流量計必須首先被校準，這涉及在要被流量計覆蓋的主要流體的單相流的範圍內，測量和繪製主要的和附加的傳感器信號。然後在主要流體的流量被保持恆定，但次要流體的流速在要被覆蓋的整個範圍內按步改變的條件下重複所述處理。
對於任何蒸氣流速的值，rms波動和注入的水的流速成比例地急劇地改變。顯然，傳感器信號的rms波動的增加按照在主要相(蒸氣)中引入的次要相(水)的數量在傳感器信號之間進行區分。
雖然在4個變量(蒸氣流，水流，主要信號和附加信號)之間的關係是非線性的，多層的神經網絡能夠擬合複雜的非線性數據，因此提供一種用於處理可觀測數據的方法，從而產生一個對於主要的和次要的相的流量可以輸出好的測量值的系統。
來自流量計的4個輸入數據值可以用作神經網絡的輸入。它們是主要信號(差動壓力ΔP)和附加信號rms信號波動ΔPrms，平方波動(ΔPrms)2，以及ΔP中的波動的對數功率譜的值的平均。神經網絡被訓練使得由4個輸入值產生兩個輸出值主要相(蒸氣)流量和次要相(水)流量。
為了獲得所述神經網絡，必須在相同的兩相流條件下採集兩個單獨的數據組。作為例子，圖17示出了對於渦輪機流量計的在訓練和試驗之後的神經網絡的輸出。訓練和試驗數據點的一致表示測量的好的可重複性。點不一致之處是可再現性的量度，並且可能是由於在試驗設備中的流狀態的不穩定性以及不允許有足夠的時間來計算平均值和rms信號值造成的。
用於第2組流量計渦輪流量計是第2組中的主要類型的流量計。其由在被中心軸支撐著的軸承上運轉的葉片轉子組件構成。整個組件藉助於上遊和下遊吊架被中心地安裝在流量計的本體內，其還作為流校直器。轉子的角速度和通過流量計的流體的體積流速成比例。
在這些流量計的多數中，主要傳感器包括強磁體，圍繞所述磁體纏繞線圈，使得當各個轉子葉片接近並通過傳感器時，磁阻的改變產生一個準正弦的電壓信號。不過，這在轉子上強加一個非常小的減速力，在低的流量下對流量計的性能具有不利影響。這可以通過使用在射頻或高頻下操作的感應傳感器來克服，當每個葉片接近並通過所述傳感器時，其產生脈衝型的瞬變電壓信號。
在兩種情況下，通常藉助於相關的信號調節電路把信號轉換成脈衝串，使得每個脈衝相應於流體的一個離散的體積的通過。在恆定的流量下，由流體產生的衝擊葉片的驅動轉矩精確地平衡由作用在轉子上的粘滯力引起的阻力和由於傳感器而產生的減速力。
流量可以由轉子的轉動頻率ft獲得，或者，由葉片通過頻率fb獲得，除了一個對於非理想的行為的小的校正之外，即即qv＝Kfb＝KftNB其中NB是在轉子上的葉片的數量，K是校準常數。
這個種類中的另一種類型的流量計超聲都卜勒流量計。
這裡只作為例子說明利用渦輪流量計產生表示液體流中具有氣體的兩相的兩種成分的體積流速的信號。
在渦輪流量計的情況下，主要信號是蝸輪葉片通過頻率fB，並被看作是一個準正弦波，或者被看作是和每個葉片通過一個參考位置相關的一系列脈衝，視傳感器的類型而定。頻率fB可以通過測量若干個脈衝出現的時間間隔來獲得。附加的信號可以從相繼脈衝之間的間隔的波動的均方根導出。因而，如果在時間T內出現N個脈衝，則頻率fB＝N/T，脈衝到達之間的平均周期τ是1/fB。如果在相繼脈衝之間的時間間隔是一個時間序列t(n)，則在到達時間的rms波動□rms可以由下式計算
rms=n=1N(t(n)-_)2N]]>圖12表示對於渦輪流量計的基本校準曲線。X軸表示流體的流量(水)，y軸表示相應的傳感器信號頻率。呈現了好的成比例性。
圖13表示在每個葉片通過傳感器恆速產生的相繼脈衝之間的時間間隔的圖。時間間隔平均為5ms，但是在具有5葉片轉子的渦輪流量計中連續的葉片對的間隔看起來是略微不同的。這是由於葉片的間距中的小的差別所致。因而頂部的線表示在葉片4到達之前脈衝間隔的圖(即由葉片3和4產生的脈衝之間的持續時間)。該圖表示大約5.05ms的平均時間間隔，不過也呈現大約±0.02ms的波動。觀察在所有葉片的第550個旋轉周期和第575個旋轉周期之間的波動可見，同一個波動(由脈衝周期中的上升部分跟隨著的凹下部分)影響所有5個葉片，表明其是由流狀態中的波動引起的。
圖14表示兩相流對渦輪流量計的影響。每個點是在存在不同的空氣流量時測量的渦輪頻率fv對水流速qv的比fv/qv。距x軸最近的點是由僅有水(沒有空氣流)時進行的測量獲得的點，並且表示作為單相儀表的流量計的行為。按照應該的情況，在大約1.42脈衝/秒每升/分鐘，所述的比基本上是恆定的。不過，當空氣被注入流量計的上遊流動的水中同時保持水流速恆定時，所述的比非常明顯地改變(在最低的水流量下從1.42變為1.96)，這表示在具有第二相(空氣)的情況下，流量計不能給出水流量的好的讀數。
不過，如果和特定的葉片對相關的脈衝間隔τrms中的rms波動被測量(例如在圖13中的任何一個軌跡中的波動)，則這被發現隨著第二相的流量而發生很大的改變。這個波動被描繪在圖15中。每條線表示對於每對葉片計算的τrms的值，可以由圖13中的每個軌跡進行計算。這在不同的注入的空氣流量值下被重複，同時保持水流量恆定。波動的程度清楚地表示第二相(空氣)的流速。
為了確定在兩相流狀態下各個流量的相對大小，流量計必須首先被校準，涉及在由流量計覆蓋的主要流體的單相流的範圍內測量整個未被限制的傳感器信號。然後必須在主要流體的流速被保持恆定的條件下重複所述處理，不過其中次要流體的流量在要被覆蓋的整個範圍內被改變。圖14和16是在兩相流下進行這種校準的例子，並且表示在同樣條件下主要信號fv和附加信號τrms的行為，用於在兩相流的條件下校準渦輪流量計。
關於可變面積流量計，4個變量(水流量，空氣流量，主要信號，附加信號)之間的關係是非線性的。多層神經網絡也能擬合非線性數據，從而提供一種用於處理可觀測的數據的方法，以便構成對於主要相流量和次要相流量產生好的測量值的系統。
為了訓練神經網絡，必須在相同的兩相流條件下採集兩個單獨的渦輪數據組。在訓練和試驗之後神經網絡的輸出如圖17所示。訓練和試驗數據點的一致表示測量的好的重複性。而點不一致之處是可再現性的度量，並且可能是由於在試驗設備中流狀態的不穩定性以及不允許足夠的時間以估算平均的和rms信號值所致。
組2還包括超聲流量計，其使用高頻聲波來確定在管子內流動的流體的速度。具有兩個基本類型的超聲流量計，一個使用都卜勒效應，其中流體的速度引起反射聲波的頻率的改變，另一個使用聲波反對流體流行進對順著流體流行進的時間差。
都卜勒效應流量計需要具有聲反射材料，例如隨流體流行進的小顆粒或小泡。在沒有流體的條件下，發射到管子中的超聲波的頻率和由流體反射的超聲波的頻率是相同的。在流動的條件下，反射波的頻率由於都卜勒效應而改變。當流體運動較快時，都卜勒頻率的改變隨流體的速度而線性地增加。電子發射器處理來自發射波及其反射的信號，以便確定流速。
通過時間超聲流量計沿管子的上遊和下遊方向在變換器之間發送和接收超聲波。在沒有流動的條件下，在變換器之間沿上遊行進和沿下遊行進經過的時間相同。在流動的條件下，上遊的波行進較慢，因而比下遊波(較快)佔用較多的時間。當流體運動較快時，在上遊時間和下遊時間之間的差τ隨流體的速度而線性地增加。電子發射器處理上遊和下遊時間，以便確定流速。
兩種類型的超聲流量計依賴於流體是同相的假定。只要引入具有不同的聲性能的第二相，便在原始的傳感器信號的幅值域和頻率域中具有改變。這些改變可用於確定第二相的存在，並測量相對的流量。具體地說，在都卜勒頻率中的波動表示存在第二相，而波動的程度的度量表示兩個相的相對流速。通過時間超聲流量計在具有兩相流時呈現許多由渦輪流量計表現的特徵的改變，其中在上遊和下遊通過時間之間的脈衝間隔中的rms波動τrms隨第二相的流量顯著地改變。此外，對於兩種類型的超聲流量計，第二相的存在對液體的聲特性具有阻尼作用，從而引起傳感器信號的幅值的改變。
對於組3流量計的應用科裡奧利流量計是組3中的主要類型的流量計。在主要變換器的設計方面具有許多不同的方案，最簡單的是一個直的管子，在兩端被牢固地錨定，在其中心被電磁地驅動，以便在管子的自然頻率下諧振。也有彎曲的管子變換器的各種設計。
操作原理是科裡奧利效應或者由於流體蒸氣的科裡奧利加速度而引起的角動量的守恆。構成科裡奧利質量流速計中的主要變換器的管子的許多不同的構型被研製並被在商業上使用了，還有許多用於激勵管子並檢測其運動的其它方法，不過在近些年來，研發集中在作為主要變換器的直的管子上。當激勵力被施加於在每端被牢固地錨定的直管的中心並垂直於其軸線時，便使直管振動，通過管子流動的流體的科裡奧利加速度產生在施加的驅動力的任何一側上沿著相對的方向作用到管子上的力。在振蕩的第一半周期間，管子的前半個的位移被減速，而管子的後半個的位移被加速。這引起被放置在驅動力的施加點和管子的兩個固定端之間的中部的傳感器的信號的相位改變。在振蕩的第二半周期間，管子的前半個的位移被加速，同時管子後半個的位移被減速。這導致在來自兩個傳感器的信號之間的相位差的反向。這個相位改變的大小是質量流速的函數，而諧振的頻率是流動的流體的密度的函數。
至少具有3種方法用於提供用於檢測和測量第二相的存在的裝置。首先，在驅動頻率中的波動隨氣體部分(第二相)的增加而顯著增加，因而可用於對其測量。第二，在兩個傳感器信號之間的相位差，其是用於測量液體的質量流速的基本量，也呈現隨氣體部分的增加而顯著增加的波動，因而可用於測量氣體的部分。
最後，為維持管子的諧振振蕩所需的驅動功率直接受空氣-氣體混合物內的粘滯損失的影響，所述粘滯損失隨液體-氣體流中存在的氣體的部分而增加。當氣體部分的增加時，對於給定大小的傳感器信號，需要較大的驅動功率。在實際應用中，由於各種約束，例如由於機械激勵的幅值而產生的疲勞應力，以及為滿足固有的電氣安全性所需的功率的限制，驅動功率可能必須被限制。不過，驅動功率對傳感器信號的比可用於確定氣體部分。
圖30-38表示利用科裡奧利流量計在兩相流條件下(在水中具有空氣)進行的測量。圖30表示由一系列的運行由科裡奧利流量計顯示的質量流速，其中水的質量流速被保持恆定，而空氣被注入流量計的上遊，分4步進行注入，直到達到使流量計能夠工作的最大的空氣部分。對於在196和295升/分鐘之間的6個不同的水流速，重複這種處理。顯示的讀數呈現小的誤差。
圖31表示由驅動頻率導出的由流量計測量的混合物的密度。如果流量計測量的是混合物的平均密度，這應當是一條直線，因此不能由密度的改變導出空氣流量的正確的值。不過，氣泡尺寸以及在管子中的位置的隨機性引起振蕩的管子的諧振頻率的波動，使得如果驅動頻率的值也被採樣，並且計算頻率值的標準偏差(□frms)(其和由平均頻率計算的根均方偏差相同)，則發現rms頻率波動隨空氣部分幾乎線性地改變(標準偏差)。對於注入的空氣部分的這個□frms的偏差繪製在圖33中。校正處理使得□frms能夠用於測量空氣部分，並能夠用於校正在測量的液體質量流速中的誤差。
同樣，在傳感器信號之間的相位差的波動可以被採樣，並且其標準偏差被示於圖34，使得在校準之後能夠測量空氣部分。
在實驗期間採集了驅動功率、傳感器功率(幅值的平方)、以及驅動功率對傳感器幅值的比，並把平均值對照空氣部分繪製在圖35-37中。所述的比隨空氣部分而改變，但是也隨壓力而改變。如果把量(drive_powersensor_poewr)*pressure]]>繪製成圖38，則獲得表示體積空氣部分的一根曲線。此外，為了在兩相流的條件下獲得正確的液體和氣體流速，必須進行校準處理，使得可以由所述數據直接獲得兩個流速。
對於組4流量計的應用組4覆蓋了電磁流量計，它們具有以下的缺點它們只能在主要相是液體並且至少輕微地導電的流體流的條件下滿意地工作，而在主要相是氣體時則根本不能工作。不過，實驗室試驗已經表明，如果常規的磁場調製被穩態激勵代替，在單相(導電的)液體流中引入氣相則引起電極信號的功率和頻譜的明顯的改變，這可以和流中第二相的存在與大小相關聯。
重要的是應當理解，在其正常的操作方式下，這種類型的流量計中的磁場以相當低的頻率被調製，例如大約12Hz，使得可以消除在流動的流體和金屬電極之間的界面上發生的電氣機械和其它的寄生影響。在實現這個時，信號處理電路消除信號的低頻和非常低的值的分量，由於第二相的存在而引起的改變的檢測則依賴於這些分量。
因而，為了應用所述處理檢測在(導電的)流體中兩相流的發生或存在，需要修改常規的電磁流量計的操作方式，使得在大多數時間，其在正常方式下操作，但是或者根據指令，或者以預定的間隔，電磁體的調製被中斷，並由電磁體的穩態激勵代替，同時在一個短暫的時間間隔，例如32秒，從電極收集數據，然後進行上述的分析。
應當注意，這個過程只影響信號調節電路，而不影響設計、結構或對流量管的固有的安全考慮。
圖19-25表示在增加注入液體流中的空氣部分的條件下，在放大之後的來自EM流量計的未限制的傳感器信號中的噪聲波動的時間圖。用於採集數據的流量設備基本上和圖1所示的相同。只是在空氣注入點(15)和被測流量計(17)之間的部分被改變，如圖18所示，以受控的流量從前述的源中汲取的水通過直的長管(9)被提供給空氣注入點(15)，在此其和也以前述的受控的流速提供的空氣流(10)組合。由空氣注入點，流體通過大約40管徑長的直管長度(16)送到流量調節器(20)，流量調節器位於被測流量計(17)的大約3個管徑的上遊。除此之外，流動的流體通過足夠長的管(18)被提供給容器，以避免對被測流量計的操作的任何不利影響。
圖26表示當水中的空氣的百分數增加時，均方噪聲的功率穩定地增加。這個噪聲可直接用於測量空氣部分。在圖19到25的時間圖旁邊的是通過對噪聲信號數據進行FFT而獲得的噪聲功率譜的圖。
為了獲得更可再現的結果，有利的是在兩相混合物進入流量計之前使其通過混和器。為此，一個Laws流調節器被包括在流環中，在流量計的上遊，如圖18所示。另一種方法是在流量計的上遊包括一個漩渦發生器，如圖27所示，除去流量調節器被除去並把漩渦發生器插入空氣注入點(15)的出口附近之外，其基本上和圖18相同。這對把所有的空氣集中在漩渦中的兩相的水流中的空氣、管子中心向下的螺旋流具有影響，使得只有水流近流量計中的傳感器電極。此時對於漩渦流由傳感器電極檢測的噪聲波動的幅值大於當空氣較均勻地分布在管子中時的幅值，這通過比較圖26和29便可看出，其中具有漩渦的功率是5.8volts2，而無漩渦時則為1.8volts2。由漩渦產生的噪聲信號的功率譜被繪製在圖28中，並且是非常平滑的。較大的噪聲功率具有使得分析較少受噪聲的其它源影響的優點。
在平均值附近的傳感器信號中的噪聲波動的均方信號功率Prms可以按下式計算Prms=n=1N(x(n)-x_)2N]]>其中N是採樣的差動壓力信號值x(n)的數量。
在上述的所有例子中可以發現，在主要相內存在的次要流體相引起流量測量信號的(來自主要傳感器的未被限制的信號)的特徵的改變。因而，例如在以恆定的流量流動的水中引入空氣將引起主要傳感器信號的特徵的改變。在可變面積流量計的情況下，所述改變是差動壓力的改變，對於渦輪流量計，是傳感器信號的頻率的改變，這表示流的平均速度的增加。此外，在主要信號中的rms波動也增加，並且正是這種改變，其迄今被認為是多餘的，提供關於兩相流中的相部分的重要信息。正是通過分析和處理來自流量計的傳感器信號，可以確定在液體中具有氣體的流狀態下每個相的相對大小。
可以設想，本發明的方法可用於和上述不同的流狀態，並且可以用於液體中具有液體的流狀態，其中所述液體是不能混和的，可以用於具有固體的液體或氣體，並且可以用於3相流狀態。這種流狀態的一個特定的例子是送入工廠的蒸氣流，在工廠蒸氣是熱能的主要來源。其中蒸氣的質量或水分部分是頭等重要的，因為其影響工廠條件和總體性能。
因而本發明提供一種通過分析整個未被限制的傳感器信號的「噪聲」分量來表徵流體流，從而提供所述流的狀態的指示，即是否存在單相流或兩相流，並用於測量任何一相或兩相的流速的方法。本發明表達一種和常規的流量測量方法截然不同的方法，常規的流量測量方法試圖丟棄「噪聲」-在傳感器信號中的小的低電平的波動-而本申請人卻理解了附加於包含在「噪聲」內的信息上的重要性。
對於其中主要傳感器產生給定類型的測量信號(例如差動壓力，或頻率，或時間周期讀數-見表1)的流量計，可以應用同樣的方法來從小的波動中提取或恢復附加的信息。
權利要求
1.一種用於監視在密閉的管路中的流體流的方法，包括設置和所述管路相關的流量計，所述流量計從包括文氏流量計、楔/差動壓力流量計、噴嘴/差動壓力流量計、可變面積/差動壓力流量計、超聲流量計、渦輪流量計、科裡奧利流量計和電磁流量計的組中選擇，在使用中的流體在管路內流動通過所述流量計，其特徵在於包括以下步驟產生表示所述流體流的至少一個特徵的信號，測量未被限制的一個或幾個感測信號的幅值和/或頻率分量，在所述感測信號中包括任何波動，以及分析所述一個或幾個感測信號的至少一個分量，以便確定是否存在第二相，和/或確定所述流體流的至少一相的大小。
2.如權利要求1所述的方法，對於檢測流體流中第二相的存在，其特徵在於以下步驟產生表示所述流體流的至少一個特徵的信號，測量未被限制的一個或幾個感測信號的幅值或/與頻率分量，在所述感測信號中包括任何波動，以及分析所述一個或幾個感測信號的至少一個分量，以便確定流體流中是否存在第二相。
3.如權利要求1所述的方法，對於計量流體流中的至少一相，其特徵在於以下步驟產生表示所述流體流的至少一個特徵的信號，測量未被限制的一個或幾個感測信號的幅值和/或頻率分量，在所述感測信號中包括任何波動，以及分析所述一個或幾個感測信號的至少一個分量，以便確定所述流體流的相中的至少一個相的體積流速或質量流速。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於以下步驟分析所述一個或幾個感測信號的至少一個分量，以便確定所述流體流的相中的每一相的體積流速或質量流速。
5.如前面任何一個權利要求所述的方法，其特徵在於，所述流量計從組(如前面限定的)中選擇，其中其傳感器和主要變換器相關，並適用於產生和體積流速具有平方定律或其它已知關係的差動壓力測量信號。
6.如前面權利要求1-4任何一個所述的方法，其特徵在於，所述流量計從組(如前面限定的)中選擇，其中其傳感器和主要變換器相關，並適用於產生在頻域內的測量信號，藉以使頻率和體積流速成比例。
7.如前面權利要求1-4任何一個所述的方法，其特徵在於，所述流量計從組(如前面限定的)中選擇，其中其傳感器和主要變換器相關，並適用於產生振蕩測量信號，其中頻率分量實質上和體積流速成比例。
8.如前面權利要求1-4任何一個所述的方法，其特徵在於，所述流量計從組(如前面限定的)中選擇，其中其傳感器和主要變換器相關，並適用於產生振蕩測量信號，所述振蕩測量信號是流體流的密度及其質量流速的複函數。
9.如前面任何一個權利要求所述的方法，其特徵在於校準流量計的步驟。
10.如從屬於權利要求4至8時的權利要求9所述的方法，其特徵在於，在分別的管路內使用兩個參考單相流量計，在所述管路中兩個單獨的相分量的流在它們被組合以產生一個兩相流然後使所述兩相流通過選擇的單相流量計之前被測量，其特徵在於以下步驟在選擇的流量計的整個操作範圍內測量並記錄通過每個參考流量計的各自的流量，並同時在每一點測量和記錄由和選擇的(被測的)流量計相關的傳感器產生的整個測量信號，藉以恢復信號數據，其包括但不限於信號的幅值(rms)和信號的功率，整個未被限制的傳感器信號的譜頻率分量，以便確定在各個流體流的相的流量和所述整個測量信號之間的關係，因而對照來自參考流量計的數據校準選擇的流量計。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，在一種裝置中包括管路，所述管路包括選擇的流量計和適用於主要相和次要相的兩個參考流量計，其特徵在於以下步驟對管路供應兩相流體流，以及在選擇的流量計的整個操作範圍內在選擇的點測量由和選擇的流量計的主要變換器相關的傳感器產生的整個信號，藉以確定在主要相的流速和與各自的主要變換器相關的整個測量信號之間的關係，並因而對照來自參考流量計的數據校準選擇的流量計。
12.如權利要求9和10所述的方法，其特徵在於，在一種裝置中包括管路，所述管路包括選擇的流量計和適用於液體的主要相流體和氣體的次要相流體的兩個參考流量計，其特徵在於以下步驟對管路供應兩相流體流，以及在選擇的流量計和適用於液相主要流體的參考流量計以及用於氣體的次要相的另一個參考流量計的整個操作範圍內在選擇的點測量由和參考流量計的主要變換器相關的傳感器產生的整個信號，藉以確定在流體流中液相和氣相的組合的流速和與各自的主要變換器相關的整個測量信號之間的關係，並因而對照來自參考流量計的數據校準選擇的流量計。
13.如權利要求10到12任何一個所述的方法，其特徵在於，在選擇的流量計的上遊在流體流管路中包括流量調節器。
14.如權利要求10到12任何一個所述的方法，其特徵在於，在選擇的流量計的上遊在流體流管路中包括渦流發生器。
15.如權利要求9和任何一個從屬於權利要求9的權利要求所述的方法，其特徵在於，根據液體中具有氣體的相進行兩相流體流的校準。
16.如權利要求9和權利要求10到14任何一個所述的方法，其特徵在於，根據氣體中具有液體的相進行兩相流體流的校準。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，傳感器信號的幅值的改變被用作關於次要相存在的決定因素。
18.一種用於測量密閉的管路中的蒸氣流量的方法，包括在傳輸要被測量的蒸氣的管路中設置流量計，所述流量計從包括文氏流量計、楔/差動壓力流量計、噴嘴/差動壓力流量計、可變面積/差動壓力流量計、超聲流量計、渦輪流量計、科裡奧利流量計和電磁流量計的組中選擇，其特徵在於產生表示蒸氣流量的至少一個特徵的信號，測量包括但不限於信號的幅值和頻率分量以及功率的信號的分量，保留和信號相關的波動，以及分析所述信號的所述分量，以便確定流體流的至少一相的體積流速。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於按照權利要求9和10所述的方法校準選擇的流量計的步驟。
20.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，和信號相關的波動是兩相流體流的存在的決定因素。
21.一種用於按照權利要求18所述的方法確定在管路中流動的蒸氣的質量的方法。
22.如權利要求9和從屬於權利要求9的任何一個權利要求所述的方法，其特徵在於，所述校準根據液體中具有液體的相利用兩相流體流進行。
23.如權利要求9和從屬於權利要求9的任何一個權利要求所述的方法，其特徵在於，所述校準根據液體中具有固體的相利用兩相流體流進行。
24.如權利要求9和從屬於權利要求9的任何一個權利要求所述的方法，其特徵在於，所述校準根據蒸氣中具有的水的相利用兩相流體流進行。
全文摘要
一種利用和管路相關的流量計監視密閉的管路中的流體流量的方法，所述流體通過流量計而流動，包括以下步驟產生表示流體流的至少一個特徵的信號，以及測量包括任何的信號波動的信號分量，並分析感測的信號的至少一個分量，從而確定第二相流體是否存在，與/或確定至少一個相的大小。
文檔編號G01F1/66GK1701216SQ03825223
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月18日 優先權日2002年9月19日
發明者比德·卓塞弗·安斯沃斯, 艾德華·霍爾·海格哈姆, 蒙格考爾·普薩亞塔農特 申請人:薩塞克斯大學