振動流量計以及用於校正流動物質中的夾帶氣體的方法

2023-05-08 06:56:46 1

專利名稱：振動流量計以及用於校正流動物質中的夾帶氣體的方法
技術領域：
本發明涉及一種振動流量計及方法，並且更具體地涉及一種振動流量計以及用來
校正流動物質中的夾帶氣體的方法。
背景技術：
諸如科裡奧利(Coriolis)質量流量計和振動密度計之類的振動管道傳感器 (vibtating conduit sensor)通常通過檢測容納流動物質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位移傳感器接收到的測量信號來確定與管道中的物質相關的 屬性，如質量流量、密度等。充滿振動物質的系統的振動模式通常受到容納的管道以及管道 中所容納的物質的組合質量、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連接成一列並且在系 統中傳送例如流體、泥漿等材料的一個或多個管道。每個管道都可以被看作具有一組固有 振動模式，例如包括簡單彎曲、扭轉的、輻射狀的、以及耦合的模式。在典型的Coriolis質 量流量測量應用中，當物質流過管道時，以一種或多種振動模式激勵管道，並且在沿著管道 間隔開的各點處測量管道的運動。通常由以周期的方式擾動管道的致動器(例如諸如音圈 型驅動器的機電裝置)來提供激勵。可以通過測量在變換器位置處的運動之間的時延或相 位差來確定質量流率。通常使用兩個此類的變換器(或撿拾(pickoff)傳感器)，以便測量 該流管或多個流管的振動響應，並且這兩個變換器通常位於致動器上遊和下遊的位置。兩 個撿拾傳感器通過電纜連接(諸如通過獨立的兩對電線)連接到電子儀器。該儀器接收來 自兩個撿拾傳感器的信號並對這些信號進行處理，以便推導出質量流率測量結果。
使用流量計來對許多種的流體流動執行質量流率測量。其中可能會使用Coriolis 流量計的一個領域在於油井和氣井的計量。這些井的產物可能包括多相流，包括油或氣，還 可包括例如包括水和空氣在內的其它組分。非常希望的是，即使對於這種多相流而言，所得 到的計量也能儘可能地準確。 Coriolis儀表對於單相流提供了較高的準確性。但是，當Coriolis流量計用來 測量充氣的流體或者具有夾帶氣體的流體時，儀表的準確性可能會顯著降低。夾帶氣體通 常作為氣泡存在於流動物質中。氣泡的尺寸可能會依賴於存在的氣體量、流動物質的壓力、 溫度和管線中的混合度而變化。性能降低的程度不僅與存在的總的氣體量有關，而且還與 流動中的單獨氣泡的尺寸有關。氣泡的尺寸會影響測量準確度。較大的氣泡佔據較大的體 積，導致流動物質的密度出現波動。由於氣體的可壓縮性，氣泡的氣體量可能會變化，而其 尺寸不一定變化。相反，如果壓力變化，則氣泡尺寸可能相應地變化，隨著壓力下降而膨脹， 或者隨著壓力增大而縮小。這可能還會使流量計的固有頻率或者諧振頻率出現變化。
由氣泡引起的另一問題是滑移(sli卯age)。當流量計被振動時，小的氣泡通常會 隨著液體流動物質移動。但是，在流量管振動的過程中，較大的氣泡不會隨著液體移動。相 反，氣泡可能會從液體中解耦出來，並且會獨立於液體而移動。因此，液體可能在氣泡周圍 流動。這會不利地影響流量計的振動響應。
本領域仍然需要一種檢測有疑問級別的夾帶氣體的振動流量計。本領域還需要一 種在存在夾帶氣體時能夠準確地測量流動特性的振動流量計。本領域還需要一種能夠在任 何級別的夾帶氣體下準確地測量流動特性的振動流量計。

發明內容
根據本發明實施例，提供一種用於校正流動物質中的夾帶氣體的振動流量計。振 動流量計包括流量計組件，其被配置成生成流動物質的振動響應；氣泡振動傳感器，其被 配置成生成流動物質的氣泡測量信號；以及儀表電子裝置(meter electronic)，其被耦合 到流量計組件和氣泡振動傳感器。儀表電子裝置被配置成接收振動響應和氣泡測量信號， 至少使用氣泡測量信號確定流動物質中氣泡的氣泡尺寸，至少使用振動響應和氣泡尺寸確 定流動物質的一個或多個流動特性。 根據本發明實施例，提供一種用於校正流動物質中的夾帶氣體的振動流量計。振 動流量計包括流量計組件，其被配置成生成流動物質的振動響應；氣泡振動傳感器，其被 配置成生成流動物質的氣泡測量信號；以及儀表電子裝置，其被耦合到流量計組件和氣泡 振動傳感器。儀表電子裝置被配置成接收振動響應和氣泡測量信號，至少使用氣泡測量信 號確定流動物質中的氣泡的氣泡尺寸，至少使用振動響應確定流動物質的一個或多個流動 特性，並且如果氣泡尺寸超過預定的尺寸閾值則生成警報，該警報指示一個或多個流動特 性已經超過預定的測量容限。 根據本發明實施例，提供一種校正流動物質中的夾帶氣體的方法。該方法包括至 少使用流動物質的振動測量結果確定流動物質中氣泡的氣泡尺寸；通過振動流量管組件生 成振動響應；以及至少使用振動響應和氣泡尺寸確定一個或多個流動特性。
根據本發明實施例，提供一種校正流動物質中的夾帶氣體的方法。該方法包括 至少使用流動物質的振動測量結果確定流動物質中氣泡的氣泡尺寸；通過振動流量管組件 生成振動響應；並至少使用振動響應確定流動物質的一個或多個流動特性；以及如果氣泡 尺寸超過預定尺寸閾值則生成警報，該警報指示一個或多個流動特性已經超過預定測量容 限。 發明的方面 按照所述振動流量計的一個方面，所述氣泡尺寸傳感器測量對流動物質中的一個 或多個氣泡的振動的氣泡響應。 按照所述振動流量計的又一方面，所述氣泡尺寸傳感器使流動物質振動，並且隨 後測量對該振動的氣泡響應。 按照所述振動流量計的又一方面，所述氣泡尺寸傳感器聲學地(acoustically) 使流動物質振動，並且隨後測量對該振動的氣泡響應。 按照所述振動流量計的又一方面，所述氣泡振動傳感器是單獨的，並且與流量計 組件獨立。 按照所述振動流量計的又一方面，所述氣泡振動傳感器被形成為流量計組件的一 部分。 按照所述振動流量計的又一方面，所述氣泡振動傳感器包括流量計組件的至少一 個撿拾傳感器。
按照所述振動流量計的又一方面，確定氣泡尺寸包括確定流動物質中的基本上最 大的氣泡的氣泡尺寸。 按照所述振動流量計的又一方面，確定氣泡尺寸進一步包括確定流動物質中超過 預定尺寸閾值的氣泡的氣泡尺寸。 按照所述振動流量計的又一方面，儀表電子裝置被進一步配置成如果氣泡尺寸超 過預定的尺寸閾值則生成警報，該警報指示一個或多個流動特性已經超過預定的測量容 限。
t計的又一方面，進一步包括生成氣泡尺寸輸出。 t計的又一方面，進一步包括如果氣泡尺寸超過預定尺寸閾值則
按照所述振動流3 按照所述振動效
生成改變流動條件指示。
按照所述振動流3
t計的又一方面，確定一個或多個流動特性進一步包括只有在氣 泡尺寸超過預定尺寸閾值時，才至少使用振動響應和氣泡尺寸來確定一個或多個流動特 性。
t計的又一方面，生成警報進一步包括生成指示氣泡尺寸的氣泡
計的又一方面，生成警報進一步包括生成流動物質中基本上最 按照所述振動流3 尺寸輸出。 按照所述振動^ 大的氣泡的氣泡尺寸輸出
按照所述振動流量計的又一方面，生成警報進一步包括如果氣泡尺寸超過預定尺 寸閾值則生成改變流動條件指示。 按照所述振動流量計的又一方面，儀表電子裝置進一步被配置成至少使用振動響 應和氣泡尺寸確定一個或多個流動特性。 按照所述方法的一方面，確定氣泡尺寸包括確定流動物質中基本上最大的氣泡的 氣泡尺寸。 按照所述方法的又一方面，確定氣泡尺寸進一步包括確定流動物質中超過預定尺 寸閾值的氣泡的氣泡尺寸。 按照所述方法的又一方面，該方法進一步包括如果氣泡尺寸超過預定尺寸閾值則
生成警報，該警報指示一個或多個流動特性已經超過預定測量容限。 按照所述方法的又一方面，進一步包括生成氣泡尺寸輸出。 按照所述方法的又一方面，該方法進一步包括如果氣泡尺寸超過預定尺寸閾值則 生成改變流動條件指示。 按照所述方法的又一方面，確定流動特性進一步包括僅在氣泡尺寸超過預定尺寸
閾值時，才至少使用振動響應和氣泡尺寸確定一個或多個流動特性。 按照所述方法的又一方面，生成警報進一步包括生成氣泡尺寸輸出。 按照所述方法的又一方面，生成警報進一步包括如果氣泡尺寸超過預定尺寸閾值
則生成改變流動條件指示。 按照所述方法的又一方面，該方法進一步包括至少使用振動響應和氣泡尺寸確定 一個或多個流動特性。 按照所述方法的又一方面，確定一個或多個流動特性進一步包括只有在氣泡尺寸 超過預定尺寸閾值時，才至少使用振動響應和氣泡尺寸確定一個或多個流動特性。


圖1示出包括流量計組件和儀表電子裝置的流量計。 圖2示出根據本發明的一個實施例的振動流量計。 圖3示出在振動流量計中校正流動物質中的夾帶氣體的方法的流程圖。 圖4是流動物質中的統計氣泡尺寸分布的圖表。 圖5示出相對於流體流動物質移動的半徑為R的氣泡。 圖6示出在流體流動物質中的滑移之前和之後的位移的流體體積和氣泡。 圖7示出在振動流量計中校正流動物質中的夾帶氣體的方法的流程圖。 圖8示出根據本發明的一個實施例的振動流量計。 圖9示出根據本發明的一個實施例的振動流量計。
具體實施例方式
圖1-9以及下面的說明描繪了特定示例以教導本領域技術人員如何製造和使用 本發明的最佳模式。出於教導發明原理的目的，對一些常規方面進行了簡化或者省略。本 領域技術人員會從這些示例中認識到落入本發明的範圍內的變形。本領域技術人員會認識 到可以以各種方式對下文描述的特徵進行組合，從而形成本發明的多個變形。因此，本發明 不限於下文描述的特定示例，而只由權利要求和其等價物加以限定。 圖1示出包括流量計組件10和儀表電子裝置20的流量計5。儀表電子裝置20經 由導線100連接到(流量)計組件10，並且儀表電子裝置20被配置成通過通信路徑26提供 密度、質量流率、體積流率、合計質量流量、溫度以及其它信息中的一個或多個的測量結果。 對本領域技術人員而言應該顯而易見的是，不管驅動器、撿拾傳感器、流管(flow conduit) 的數量多少或者振動的工作模式如何，本發明可以用在任何類型的Coriolis流量計中。另 外，應認識到流量計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IOI'、歧管102和102'、驅動器104、撿拾傳感 器105和105'以及流管103A和103B。驅動器104和撿拾傳感器105和105'被連接到流 管103A和103B。 在一個實施例中，如圖所示，流量管103A和103B包括基本為U型的流量管。可替 代地，在其它實施例中，流量管可包括基本為直的流量管。然而，也可以使用其它形狀，這都 在說明書和權利要求書的範圍之內。 法蘭101和101'被附著至岐管102和102'。岐管102和102'可以被附著到間隔 件106的相對端。間隔件106保持岐管102和102，之間的間隔，以防止流管103A和103B 中的不希望的振動。當流量計組件10被插入到承載被測流動物質的管道系統(未示出) 中時，流動物質通過法蘭101進入流量計組件10，穿過入口岐管102(在此處全部數量的流 動物質被引導以進入流管103A和103B)，流過流管103A和103B，並回到出口岐管102'中 (在此處該流動物質通過法蘭101'離開(流量)計組件10。 選擇流管103A和103B，並適當地將其安裝到入口岐管102和出口岐管102'，以 便分別關於彎曲軸W-W和W' -W'具有基本上相同的質量分布、慣性力矩和彈性模量。流管 103A和103B從岐管102和102'以實質上平行的方式向外延伸。
由驅動器104關於各彎曲軸W和W'沿相反方向、並在被稱為流量計5的第一異相 彎曲模式下驅動流管103A和103B。驅動器104可以包括許多眾所周知的裝置中的一種裝 置，如安裝到流管103A的磁體以及安裝到流管103B的反作用線圈(o卯osing coil)。交流 電通過反作用線圈以使兩個管道振蕩。由儀表電子裝置20經由導線IIO將合適的驅動信 號施加到驅動器104上。 儀表電子裝置20分別在導線111和111'上接收傳感器信號。儀表電子裝置20 在導線IIO上產生驅動信號，該驅動信號使驅動器104振蕩流管103A和103B。儀表電子裝 置20對來自撿拾傳感器105和105'的左和右速度信號進行處理，以計算質量流率。通信 路徑26提供輸入和輸出裝置，該輸入和輸出裝置允許儀表電子裝置20與操作員或者與其 它電子系統面接。圖1的描述只是作為Coriolis流量計的操作的一個例子加以提供，並不 旨在限制本發明的教導。 當流動物質中存在夾帶空氣(或者任何氣體)時，在測量一個或者多個流動特性 中會產生一個共同的問題。夾帶氣體可以作為不同尺寸的氣泡存在。當氣泡相對小時，它 們對流量測量的影響可以忽略。但是，隨著氣泡尺寸增大，流量測量中的誤差也會增大。
圖2示出根據本發明實施例的振動流量計99。振動流量計99包括流量計組件10、 氣泡尺寸傳感器50和儀表電子裝置20。儀表電子裝置20通過導線100耦合到流量計組件 10。在該圖所示的實施例中，儀表電子裝置20通過一根或者多根導線51耦合到氣泡尺寸 傳感器50。流量計組件10和氣泡尺寸傳感器50可以耦合到傳導流動物質的管道90。流 動物質可包括兩相或者多相流動。 流量計99產生改進的流動特性測量結果。在流動物質中存在夾帶氣泡時，流動特 性測量結果得以改進。例如，流量計99可以生成流動物質的改進的密度測量結果。但是， 應該理解的是，流量計99可以額外地提供流動物質的流動速率測量結果。作為結果，流量 計99可以包括振動密度計和/或Coriolis流量計。可以產生其它附加的流量測量結果， 該附加的流量測量結果在本說明書和權利要求書的範圍之內。 在一個實施例中儀表電子裝置20被配置成使流量管103A和103B振動。該振動 是由驅動器104執行的。儀表電子裝置20進一步接收來自於撿拾傳感器105和105'的作 為結果的振動信號。振動信號包括流量管103A和103B的振動響應。儀表電子裝置20對 振動響應進行處理，並確定一個或者多個流動特性，如密度、質量和/或體積流動速率等。
氣泡尺寸傳感器50可以包括振動流量計99的主要部分，並可以被形成為流量計 組件10的一部分。可替代地，氣泡尺寸傳感器50可以包括單獨的部件，該單獨的部件與流 量計組件10分離且獨立。在另一種替代中，氣泡尺寸傳感器50可以是流量計組件10的一 部分，並可以包括流量計組件10的至少一個撿拾傳感器105和/或105'。
氣泡尺寸傳感器50被配置成生成流動物質的氣泡測量信號。氣泡尺寸傳感器50 可以測量對流動物質中的一個或者多個氣泡的振動的氣泡響應，並由氣泡振動響應生成氣 泡測量信號。氣泡尺寸傳感器50可以被動地檢測氣泡振動。可替代地，氣泡尺寸傳感器50 可以使流動物質振動，並且隨後可以測量對該振動的氣泡響應。 在一些實施例中，振動包括聲學振動。可替代地，在其它實施例中，振動是非聲學 的。 在一些實施例中，氣泡尺寸傳感器50包括既產生振動又檢測振動的有源裝置。在
9該實施例中的氣泡尺寸傳感器50可以使相應的流管或者流動物質振動，並且可以接收產 生的振動。可以對感生的振動進行分析，以確定流動物質中夾帶氣體的氣泡尺寸。氣泡尺 寸傳感器50可以可替代地直接使所述流振動，例如通過管道中的埠。可替代地，在其它 實施例中，氣泡尺寸傳感器50包括只檢測並且接收振動的無源裝置。氣泡尺寸傳感器50 可以檢測管道(例如包括流量計組件10的管道)的振動，或者可以直接檢測流動物質的振 動。氣泡尺寸傳感器50可以接收由流動物質的流動所產生的振動，其中可以對振動進行處 理以便確定一個或多個氣泡尺寸。 流量計組件10被配置成生成流動物質的振動響應。儀表電子裝置20可以接收並 處理氣泡測量信號和振動響應，以便尤其確定氣泡尺寸。儀表電子裝置20可以接收並處理 氣泡測量信號和振動響應，以便確定流動物質中超過預定尺寸閾值的氣泡的氣泡尺寸。儀 表電子裝置20可以接收並處理氣泡測量信號和振動響應，以便確定流動物質中基本上最 大的氣泡的氣泡尺寸。 儀表電子裝置20可以接收並處理氣泡測量信號和振動響應，以便至少使用振動 響應和氣泡尺寸確定一個或者多個流動特性(參見圖3和相關論述)。可替換地，儀表電子 裝置20可以接收並處理氣泡測量信號和振動響應，以便在氣泡尺寸超過預定尺寸閾值時 生成警報(參見圖7和相關論述)。因此，該警報可以指示流動特性已經超過預定測量容 限。 儀表電子裝置20可以生成氣泡尺寸輸出。在一些實施例中，氣泡尺寸輸出包括一 個或者多個氣泡的尺寸。在一些實施例中，氣泡尺寸輸出包括流動物質中基本上最大的氣 泡的氣泡尺寸。氣泡尺寸輸出可以被存儲和或傳遞給操作員，或者可以被傳遞給遠程位置 或者裝置。 儀表電子裝置20可以在氣泡尺寸超過預定尺寸閾值時生成改變流動條件指示。 該改變流動條件指示可以提示操作員或者技師改變流量計99中的流動條件，例如通過改 變流動速率、流動壓力或者其它流動條件。 儀表電子裝置20可以基於氣泡尺寸確定一個或者多個流動特性。例如，氣泡尺寸 可以與空隙率值和質量流率相關聯，或者體積流率可被相應地調節。在一些實施例中，儀表 電子裝置20僅在氣泡尺寸超過預定尺寸閾值時確定一個或者多個流動特性。
流體模型包括振蕩流中的球形微粒的運動方程，例如在Clift R. ， Grace J. R.和 Weber M. E.的"Bubbles, Drops and Particles", N. Y. Academic Press,1978， p. 306-314 中的運動方程，該文章通過引用被結合到本文中。通過對不穩定史氏(Stoke)方程求解， 並且然後對各項使用經驗校正以說明較高的雷諾數來建立這些方程，就像在一些Coriolis 流量計應用中可以找到的那樣。 圖3示出校正振動流量計中的流動物質中的夾帶氣體的方法的流程圖300。在步 驟301中，通過對流動物質中的一個或者多個氣泡進行氣泡尺寸測量來確定氣泡尺寸。氣 泡振動傳感器可以用於確定氣泡尺寸。可以使用如前面所討論的振動氣泡尺寸測量或者聲 學氣泡尺寸測量來確定氣泡尺寸。在對流程圖300進行論述之後，下面將詳細論述氣泡尺 在一些實施例中的氣泡尺寸包括瞬時氣泡尺寸。在一些實施例中的氣泡尺寸包括 基本平均的氣泡尺寸。在一些實施例中的氣泡尺寸包括超過預定尺寸閾值的氣泡的氣泡尺寸測量。在一些實施例中的氣泡尺寸包括基本上最大的氣泡尺寸。由於流動物質中最大的 氣泡會對所測流動特性具有最大的影響和衝擊，所以可以使用基本上最大的氣泡尺寸。
在步驟302中，通過使流量管組件振動來生成振動響應。振動響應會根據流量管 組件中的流動物質的流動而變化。 在步驟303中，至少使用振動響應和氣泡尺寸來確定一個或者多個流動特性。該 一個或者多個流動特性可以包括例如流動物質的密度。該一個或者多個流動特性可以包括 例如流動物質的質量流率。但是，可考慮其它的流動特性，這些流動特性都在本說明書和權 利要求書的範圍之內。 該確定可以提供一個或者多個流動特性的高水平的準確度。例如，已知密度測量 將受到液體流動物質中的夾帶氣體的影響，還已知作為兩相流動條件，並且因此可以使用 氣泡尺寸來更準確、可靠地確定密度。氣泡尺寸(以及可選的氣泡數)可以用於確定流動 物質中的基本上瞬時的氣體體積。可以從基本上瞬時的體積流率中減去氣體體積。
在一些實施例中，該確定步驟可以基於當前的氣泡尺寸。例如，如果所檢測的氣泡 不大於預定尺寸閾值，則可以可選地僅使用振動響應來執行該確定。相反，當氣泡尺寸超過 預定尺寸閾值時，則該確定步驟可以至少使用振動響應和氣泡尺寸。閾值可以被設定以使 僅在氣泡尺寸和夾帶氣體影響變得顯著時才執行該確定步驟。 Coriolis儀表要求在振蕩期間流動物質完全與流量管一起移動。當引入氣泡時， 由於在兩相之間至少存在一些相對運動或者解耦，所以該假設不再有效。用於預測移動的 流體的性能的流體模型可以預測Coriolis儀表中的解耦效應。此外，流體模型可以用來對 在已知氣泡尺寸的流動物質中的夾帶氣體進行補償。 管或管道中的氣泡尺寸是線路的幾何形狀、流動速率以及其它流體性質的複合 函數。可以實時地測量儀表內部的氣泡的準確分布，並且可以使用流體模型來對解耦 (decoupling)誤差進行補償，以及流體模型能夠允許改進夾帶氣體的測量。
若干公司提供了基於多相流動聲學的氣泡尺寸測量，包括來自馬裡蘭Jessup的 DynaFlow公司的ABS Acoustic Bubble Spectrometer (聲學氣泡光譜儀)，以及包括來自澳 大利亞Clayton的CSI匪a皿facturing&Materials Technology的StreamTone產品。測 量原理非常簡單。當各氣泡遭遇流中的壓力擾動或者來自外部源的壓力擾動時，各氣泡會 以其固有頻率徑向地振蕩。第一模式的振蕩頻率(o)主要是氣泡尺寸的函數，表示如下 其中，(a)項是氣泡半徑，(P)項是流動物質的液體密度，(Y)項是流動物質的絕 熱指數，以及(P)項是液體壓力。測量包括採用湍流或者通過以某些頻率有源激勵來激勵 氣泡，然後接收並分析返回的頻率。 對於較小的氣泡，振動氣泡尺寸測量可能不是非常準確或可靠。然而，可能期望的 是只測量超過某尺寸的氣泡，因為較小的氣泡對流量計的準確度表現出可以忽略的影響。
圖4是流動物質中統計的氣泡尺寸分布圖。眾所周知，管線中的氣泡分布由對數 正態分布進行了很好的描述，其對較小的直徑有明顯偏斜。如下文所示，由於它意味著只有 幾個大的包含大部分氣體體積的氣泡，所以這是有益的。如正態分布一樣，必須已知均值和 標準差來定義分布的形狀。對於下面的推導，這些參數表示以適度的流動速率的典型水流和氣流。 關於Coriolis流量計中的解耦誤差有兩個控制方面。由於儀表中的氣體體積在 兩相之間產生相對運動時確定解耦的流體的量，所以儀表會受到該儀表中的氣體體積的影 響。換言之，儀表不會關注存在多少氣泡，而是會關注其受那些氣泡位移的流體體積的影 響。其次，如果某個氣泡非常小以致於其不會從流體中解耦，則該氣泡不會產生任何誤差， 並且不需要被考慮。從解耦觀點來看，只有較大的氣泡會有關係。 一個5mm直徑的氣泡的 影響可能會比數百個0. 5mm氣泡在儀表中產生更大的誤差。 從體積觀點來看，只有分布中的幾個較大的氣泡會有關係，因為這些氣泡包括了
幾乎所有的總體積。由於球體的體積是其半徑的立方，所以這是直觀的。 然而，當考慮由流體模型預測的實際解耦時，會存在到較大的氣泡尺寸的另一個
轉變。該模型預測對於非常小的氣泡尺寸將不存在解耦。因此，對於典型的已經被偏斜到
較小尺寸的對數正態分布而言，分布中的許多氣泡將被完全地與流體同步地鎖定，並且在
質量流量或者密度測量中不會產生誤差。 已經發現氣泡尺寸對應於氣泡的振蕩頻率。因此，可以通過檢測振動響應來確定 氣泡尺寸。如果只希望找到流動中的最大尺寸的、最顯著的氣泡，則應該檢查在800-2000Hz 範圍內的某處的相對低頻的信號。由於泵和其它部件的原因而導致這大大超過大多數振 動。結果，可以檢查所接收的振動響應以尋找在800-2000Hz之間的某處所接收信號的急劇 增加，這將表示流動中的大的氣泡。 假設液體特性已知，並且儀表中氣泡的尺寸已知，則儀表中發生的相對運動(即 解耦)的量可以計算出來。因此，可以確定每個氣泡比液體移動得更遠的程度，這指示出確 切地有多少流體響應於氣泡的運動由另一方向回移。這直接導致通過簡單的方程確定密度 誤差以及空隙率。該方法包括重心方法。應該理解的是，也可以考慮其它方法，它們都在本 說明書和權利要求書的範圍之內。 圖5示出了相對於流體流動物質移動的半徑為R的氣泡。該氣泡包括流體介質中 的球體。該流體介質與流量管同步振蕩。粒子的半徑為R，隨著管子從零到峰值的每次振 蕩，粒子移動總距離(Ap)。所關注的點是氣泡通過流體行進的距離，而並不是其相對於實驗 室參考系的絕對運動。該相對運動可以被定義為(Ap-Af)，其中(Af)是連續流體介質的幅 度。流體幅度(Af)實質上是流量管振動的幅度，是已知量。 該圖示出從到最大振動幅度的管子運動的中線(該圖中的左邊位置)移動到一側 的氣泡。受到通過流體從零到峰值幅度移動的粒子影響的總體積為受影響體積(=G — ^ )(^2)+土冗W3 (2) 然而，發生移動的液體的實際體積不包括氣泡的體積。只關心在流量管振動期間 移動的液體的體積，該體積被表示為 發生位移體積(VolumeDisplaced) = (Ap-Af) (JiR2) (3) 使用該體積和上圖，可以看出可以採用重心分析來找到在氣泡的路徑中的流體的
平均位移。在氣泡從零移動到峰值義^j之前，發生位移的流體的重心的方程為
formula see original document page 13
在氣泡從零移動到峰值義^S之後，發生位移的流體的重心的方程為formula see original document page 13
因此，對於管子從零到峰值位移的每次振蕩，體積(JiR2(Ap-Af))移動平均距離 圖6示出在流體流動物質中發生滑移之前和之後發生位移的流體體積和氣泡。 (X)項是發生位移的流體體積的重心。該圖示出由於滑移導致的重心(X)的移動。重心(X) 的移動與流量管的振動相反地發生。 然而，已知向後移動的流體量對於確定對密度測量的影響是沒有用的。作為替 代，需要的是將向後移動與管向前移動相同距離的等效體積，以便產生重心的相同變化。 然後可以假設該體積不參與管的振蕩，並且體積中包含的質量在密度測量中不體現。這 包括體積計算的守恆，假設在振蕩期間氣泡的體積不會變化。以下計算會得到不參與 (non-participating)的體禾只formula see original document page 13或者
formula see original document page 13 不參與的體積包括粒子體積乘以相對粒子位移與管子位移的比率。將管子中的所 有粒子求和，結果可以按照空隙率(I1來表示
formula see original document page 13 或者formula see original document page 13 該結果反映了向右移動(Ap-Af)的氣體球和向左移動相同距離的液體球。相同的 方法和方程可以進一步用來推導不參與的體積。 可以按如下方式建立實際密度(P artual)和具有解耦的密度(P d_upled)的方程
formula see original document page 13
密度誤差可以作為解耦密度和實際密度之差除以實際密度來計算formula see original document page 14 只要粒子的相對運動即Ap項從流體模型中已知，該方程就可直接給出密度誤差。 氣泡尺寸測量結果和已知的流動物質流體特性提供流體模型所需的信息。用此信息，可以 校正儀表的密度輸出。此外，由於實際的液體密度已經從流動物質流體特性中已知，所以該
信息可以進一步用來確定空隙率r 。 氣泡尺寸測量的使用提供了一種可以用來以非常魯棒性的方式檢測氣體的存在
的完全獨立的測量。該技術不僅允許檢測氣體，而且可以提供夾帶氣體影響流量測量的程 度的估計。 圖7示出校正振動流量計中的流動物質中的夾帶氣體的方法的流程圖700。在步 驟701中，如之前論述的，確定氣泡尺寸。 在步驟702中，通過振動流量管組件生成振動響應。至少使用振動響應來確定流 動物質的一個或者多個流動特性。該確定可以進一步包括使用氣泡尺寸。
在步驟703中，將氣泡尺寸與預定尺寸閾值進行比較。在一些實施例中的預定尺 寸閾值可以包括可接受的夾帶氣體閾值。如果氣泡尺寸小於或者等於預定尺寸閾值，則氣 泡尺寸是可接受的，並且該方法繞過步驟704且退出。如果氣泡尺寸大於預定尺寸閾值，則 氣泡尺寸是不可接受的，並且方法前進到步驟704。 在步驟704中，生成警報。警報指示一個或者多個流動特性已經超過預定測量容 限。例如，如果氣泡太大，則流動物質的密度測量會被不利地影響，並且由於夾帶氣體導致 密度測量的準確度會是不可接受的。其它流動特性也會被夾帶氣體劣化。
生成警報可以包括在儀表電子裝置20中設置警報條件。生成警報可以包括向其 它諸如監控系統等的裝置傳送警報條件或者指示。生成警報可以包括生成任何方式的可視 生成警報可以進一步包括傳送、顯示或者在其他情況下指示氣泡尺寸，例如生成 氣泡尺寸輸出。氣泡尺寸可以包括最大的氣泡尺寸。可替代地，氣泡尺寸輸出可以包括代 表性的氣泡尺寸或者平均氣泡尺寸。 在一些實施例中，生成警報可以進一步包括生成混合指示，其指示對於改變流動 條件的需求。在一些實施例中，生成警報可以進一步包括改變流動條件。例如，流動物質壓 力可以被增大以降低夾帶氣體誤差。增大的壓力可以減小氣泡尺寸。可替代地，流動速率 可以被增大以便使氣泡分裂，並提供混合動作。在另一可替代方式中，可以開始混合動作以 便打碎氣泡或者在其他情況下減小氣泡尺寸。混合指示可以提示流動條件的變化以便打碎 氣泡或者在其他情況下減小氣泡尺寸。 圖8示出根據本發明的一個實施例的振動流量計99。在該實施例中的振動流量 計99包括儀表電子裝置20和儀表組件10。儀表組件10包括流量管103A和103B、驅動器 104和撿拾傳感器105和105'。如前，儀表組件10通過導線100耦合到儀表電子裝置20。 此外，氣泡尺寸傳感器50可以包括流量計組件10的一部分，並且可以通過鏈路51耦合到 儀表電子裝置20。本實施例的氣泡尺寸傳感器50可以位於流量計組件10上的任何位置， 或者可替代地可以延伸進入流量計組件10的流量管中。在一些實施例中，氣泡尺寸傳感器 50可以包括附著到流管或者成為流管的一部分的振動撿拾器或者傳感器。
圖9示出根據本發明的實施例的振動流量計99。在該實施例中的振動流量計99 採用撿拾傳感器105中的一個既作為撿拾傳感器又作為氣泡尺寸傳感器50。因此，流量計 組件10通過導線100耦合到儀表電子裝置20。導線100傳送振動響應和氣泡尺寸測量結 果兩者。 如果需要，可以根據任何實施例來採用根據本發明的振動流量計和方法，以便提 供多個優點。該振動流量計以及方法可以用來確定準確的流動特性。該振動流量計以及 方法可以用來在流動物質中出現夾帶氣體時，確定一個或者多個被測流動特性。該振動流 量計以及方法可以用來僅在氣泡尺寸超過尺寸閾值時，才確定從流量計組件獲得的流動特 性。 該振動流量計以及方法可以用來確定氣泡尺寸。該振動流量計以及方法可以用來 確定氣泡體積。該振動流量計以及方法可以用來確定夾帶氣體的量，包括夾帶氣體的體積。 該振動流量計以及方法可以用來確定流動物質中的空隙率。 該振動流量計以及方法可以用來確定比臨界尺寸更大的氣泡。該振動流量計以及 方法可以用來確定臨界氣泡的體積。該振動流量計以及方法可以用來在氣泡尺寸超過尺寸 閾值時生成警報。該振動流量計以及方法可以用來生成氣泡尺寸輸出。該振動流量計以及 方法可以用來在氣泡尺寸超過尺寸閾值時生成改變流動條件指示。
1權利要求
一種用於校正流動物質中的夾帶氣體的振動流量計(100)，包括流量計組件(10)，其被配置成生成流動物質的振動響應；氣泡尺寸傳感器(50)，其被配置成生成所述流動物質的氣泡測量信號；以及儀表電子裝置(20)，其被耦合到所述流量計組件(10)和所述氣泡尺寸傳感器(50)，並被配置成接收所述振動響應和所述氣泡測量信號，至少使用所述氣泡測量信號確定所述流動物質中的氣泡的氣泡尺寸，至少使用所述振動響應和所述氣泡尺寸確定所述流動物質的一個或多個流動特性。
2. 權利要求1所述的振動流量計(IOO)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)測量對所述流 動物質中的一個或多個氣泡的振動的氣泡響應。
3. 權利要求1所述的振動流量計(IOO)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)使所述流動物 質振動，並且隨後測量對該振動的氣泡響應。
4. 權利要求1所述的振動流量計(IOO)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)聲學地使所述 流動物質振動，並且隨後測量對該振動的氣泡響應。
5. 權利要求1所述的振動流量計(IOO)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)是單獨的，並 且與所述流量計組件(10)獨立。
6. 權利要求1所述的振動流量計(IOO)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)被形成為所述 流量計組件(10)的一部分。
7. 權利要求1所述的振動流量計(100)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)包括所述流量 計組件(10)的至少一個撿拾傳感器(105)。
8. 權利要求1所述的振動流量計(100)，其中確定所述氣泡尺寸包括確定所述流動物 質中基本上最大的氣泡的氣泡尺寸。
9. 權利要求1所述的振動流量計(100)，其中確定所述氣泡尺寸進一步包括確定所述 流動物質中超過預定尺寸閾值的氣泡的氣泡尺寸。
10. 權利要求1所述的振動流量計(100)，其中所述儀表電子裝置(20)被進一步配置 成如果所述氣泡尺寸超過預定的尺寸閾值，則生成警報，其中該警報指示所述一個或多個 流動特性已經超過預定的測量容限。
11. 權利要求1所述的振動流量計(ioo)，進一步包括生成氣泡尺寸輸出。
12. 權利要求l所述的振動流量計(100)，進一步包括如果所述氣泡尺寸超過所述預定 尺寸閾值，則生成改變流動條件指示。
13. 權利要求l所述的振動流量計(100)，其中確定所述一個或多個流動特性進一步包 括僅在所述氣泡尺寸超過所述預定尺寸閾值時，才至少使用所述振動響應和所述氣泡尺寸 來確定所述一個或多個流動特性。
14. 一種用於校正流動物質中的夾帶氣體的振動流量計(100)，包括 流量計組件(IO)，其被配置成生成所述流動物質的振動響應； 氣泡尺寸傳感器(50)，其被配置成生成所述流動物質的氣泡測量信號；以及 儀表電子裝置(20)，其被耦合到所述流量計組件(10)和所述氣泡尺寸傳感器(50)，並被配置成接收所述振動響應和所述氣泡測量信號，至少使用所述氣泡測量信號確定所述流 動物質中的氣泡的氣泡尺寸，至少使用所述振動響應確定所述流動物質的一個或多個流動 特性，並且如果所述氣泡尺寸超過預定的尺寸閾值，則生成警報，其中該警報指示一個或多個流動特性已經超過預定的測量容限。
15. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)測量對所述 流動物質中的一個或多個氣泡的振動的氣泡響應。
16. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)使所述流動 物質振動，並且隨後測量對該振動的氣泡響應。
17. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)聲學地使所 述流動物質振動，並且隨後測量對該振動的氣泡響應。
18. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)是單獨的， 並且與所述流量計組件(10)獨立。
19. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)被形成為所 述流量計組件(10)的一部分。
20. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中所述氣泡尺寸傳感器(50)包括所述流 量計組件(10)的至少一個撿拾傳感器(105)。
21. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中確定所述氣泡尺寸包括確定所述流動 物質中基本上最大的氣泡的氣泡尺寸。
22. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中確定所述氣泡尺寸進一步包括確定所 述流動物質中超過預定尺寸閾值的氣泡的氣泡尺寸。
23. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中生成所述警報進一步包括生成氣泡尺寸輸出。
24. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中生成所述警報進一步包括如果所述氣 泡尺寸超過所述預定尺寸閾值，則生成改變流動條件指示。
25. 權利要求14所述的振動流量計(100)，其中所述儀表電子裝置(20)進一步被配置 成至少使用所述振動響應和所述氣泡尺寸確定所述一個或多個流動特性。
26. 權利要求25所述的振動流量計(100)，其中確定所述一個或多個流動特性進一步 包括僅在所述氣泡尺寸超過所述預定尺寸閾值時，才至少使用所述振動響應和所述氣泡尺 寸來確定所述一個或多個流動特性。
27. —種在振動流量計中校正流動物質中的夾帶氣體的方法，該方法包括 至少使用所述流動物質的振動測量結果確定所述流動物質中氣泡的氣泡尺寸； 通過振動流量管組件生成振動響應；以及至少使用所述振動響應和所述氣泡尺寸確定一個或多個流動特性。
28. 權利要求27所述的方法，其中確定所述氣泡尺寸包括確定所述流動物質中基本上 最大的氣泡的氣泡尺寸。
29. 權利要求27所述的方法，其中確定所述氣泡尺寸進一步包括確定所述流動物質中 超過預定尺寸閾值的氣泡的氣泡尺寸。
30. 權利要求27所述的方法，進一步包括如果所述氣泡尺寸超過預定尺寸閾值，則生 成警報，其中該警報指示一個或多個流動特性已經超過預定測量容限。
31. 權利要求27所述的方法，進一步包括生成氣泡尺寸輸出。
32. 權利要求27所述的方法，進一步包括如果所述氣泡尺寸超過所述預定尺寸閾值， 則生成改變流動條件指示。
33. 權利要求27所述的方法，其中確定所述流動特性進一步包括僅在所述氣泡尺寸超 過所述預定尺寸閾值時，才至少使用所述振動響應和所述氣泡尺寸確定所述一個或多個流 動特性。
34. —種在振動流量計中校正流動物質中的夾帶氣體的方法，該方法包括 至少使用所述流動物質的振動測量結果確定所述流動物質中氣泡的氣泡尺寸； 通過振動流量管組件生成振動響應，並至少使用所述振動響應確定所述流動物質的一個或多個流動特性；以及如果所述氣泡尺寸超過預定尺寸閾值，則生成警報，其中該警報指示所述一個或多個 流動特性已經超過預定測量容限。
35. 權利要求34所述的方法，其中確定所述氣泡尺寸包括確定所述流動物質中基本上 最大的氣泡的氣泡尺寸。
36. 權利要求34所述的方法，其中確定所述氣泡尺寸進一步包括確定所述流動物質中 超過預定尺寸閾值的氣泡的氣泡尺寸。
37. 權利要求34所述的方法，其中生成警報進一步包括生成氣泡尺寸輸出。
38. 權利要求34所述的方法，其中生成警報進一步包括如果所述氣泡尺寸超過所述預 定尺寸閾值，則生成改變流動條件指示。
39. 權利要求34所述的方法，進一步包括至少使用所述振動響應和所述氣泡尺寸確定 所述一個或多個流動特性。
40. 權利要求39所述的方法，其中確定所述一個或多個流動特性進一步包括僅在所述 氣泡尺寸超過所述預定尺寸閾值時，才至少使用所述振動響應和所述氣泡尺寸確定所述一 個或多個流動特性。
全文摘要
提供一種用於校正流動物質中的夾帶氣體的振動流量計(100)。振動流量計(100)包括流量計組件(10)，其被配置成生成流動物質的振動響應；氣泡尺寸傳感器(50)，其被配置成生成流動物質的氣泡測量信號；以及儀表電子裝置(20)，其被耦合到流量計組件(10)和氣泡尺寸傳感器(50)。儀表電子裝置(20)被配置成接收振動響應和氣泡測量信號，至少使用氣泡測量信號確定流動物質中氣泡的氣泡尺寸，至少使用振動響應和氣泡尺寸確定流動物質的一個或多個流動特性。
文檔編號G01F1/74GK101715545SQ200780053110
公開日2010年5月26日 申請日期2007年5月25日 優先權日2007年5月25日
發明者J·魏因施泰因, M·J·貝爾 申請人:微動公司