CN108603777B

CN108603777B - 确定含气液体的物理参数的方法

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Publication number: CN108603777B
Application number: CN201680074668.8A
Authority: CN
Inventors: 朱浩; 阿尔弗雷德·里德
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: EP3394575A1; US11002580B2; EP3394575B1; CN108603777A; DE102015122661A1; US20200271494A1; WO2017108283A1

Abstract

本发明涉及使用包括引导介质的测量管的感测元件来确定含有悬浮气泡形式气体的液体的物理参数的方法，该测量管能够被激发，以不同共振频率的弯曲振荡模式进行振荡。该方法包括以下步骤：确定f1模式和f3模式的共振频率(110)；基于f1模式和f3模式的共振频率来确定含有气体并且在测量管中被引导的液体的先前密度值(120)；并且对于基于模式的共振频率确定的先前密度值，确定含有气体并且在测量管中被引导的液体的声速值和/或取决于声速和模式的共振频率的至少一个校正项和/或密度误差(130)，使得定义校正的密度测量值(140)；或者确定用于先前的质量流速值的校正项，使得基于第一先前密度值、第二先前密度值、f1模式的共振频率和f3模式的共振频率来定义校正的质量流速测量值。

Description

确定含气液体的物理参数的方法

技术领域

本发明涉及利用具有用于引导含气液体的至少一个测量管的测量换能器来确定含气液体的物理参数的方法，其中该测量管具有入口侧端部和出口侧端部，其中测量换能器具有至少一个入口侧固定装置和一个出口侧固定装置，测量管利用这些固定装置分别固定到端部中的不同一个，其中测量管在两个固定装置之间可激发以执行振荡，其中含气液体的质量流量和密度可由测量管的振荡行为来确定。然而，针对质量流量和密度的测量值对于含气液体的声速和可压缩性具有随气体负载的增加而增加的交叉敏感性。因此，期望补偿这些交叉敏感性。

背景技术

WO 01/01086 A1公开了一种用于在科里奥利(Coriolis)质量流量计中进行质量流量测量的情况下对可压缩性补偿的方法。在这种情况下，质量流量测量以两种不同的模式进行，其中一种模式是弯曲振荡模式，且另一种模式是径向振荡模式。利用这两种模式确定的质量流量值的对比被使用。然而，由于径向模式振荡对于流动剖面和静态压力具有相当大的依赖性，因此这是一种有问题的方法。另外，为了能够记录弯曲振荡和径向模式振荡，需要比通常的两个换能器更多的换能器。同样，需要更加复杂的激发器结构。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种测量方法，该方法能够更加鲁棒且同时更加简单地补偿对于可压缩性和声速的交叉敏感性。本发明的目的利用要求保护的方法来实现。

本发明的方法是利用具有引导含气液体的至少一个测量管的测量换能器来确定含气液体的物理参数的方法，其中，气体尤其是以在液体中悬浮的气泡的形式存在，其中测量管具有入口侧端部和出口侧端部，其中测量换能器具有至少一个入口侧固定装置和一个出口侧固定装置，测量管利用固定装置分别固定到这些端部的不同一个，其中测量管在两个固定装置之间可激发以执行具有不同本征频率的各种模式的弯曲振荡，其中f1模式在固定装置之间没有振荡节点，并且其中，f3模式在固定装置之间具有两个振荡节点，其中，所述方法包括以下步骤：确定f1模式和f3模式的本征频率；基于f1模式的本征频率对测量管中引导的含气液体确定第一初始密度值；基于f3模式的本征频率对测量管中引导的含气液体确定第二初始密度值；确定测量管中引导的含气液体的声速值，和/或根据声速和模式的本征频率确定至少一个校正项和/或基于模式的本征频率确定的用于初始密度值的密度误差以使得确定校正的密度测量值；和/或基于第一初始密度值、第二初始密度值、f1模式的本征频率、和f3模式的本征频率确定用于初始质量流量值的校正项，以使得确定校正的质量流量测量值。

悬浮的气泡尤其是尺寸不大于三倍的穿透深度的气泡，这取决于液体的运动粘度和f1模式的本征频率。

对于首次近似，根据fi模式的本征频率f_i而定的含气液体的初始密度值ρ_i的公式可以具有以下形式：

其中c_0i、c_1i、和c_2i是与模式相关系数。

然而，以上近似并未考虑到测量管中振荡的含气液体的影响。振荡的含气液体的共振频率越接近于弯曲振荡模式的本征频率，则本征频率的影响越大。由于含气液体的共振频率通常高于测量管的本征频率，所以对f3弯曲振荡模式的影响大于对f1弯曲振荡模式的影响。这导致不同初始模式的特定密度值，其中初始密度值之间的比值提供了以确定并校正振荡的含气液体的影响的机会。

振荡的含气液体的共振频率依赖于其声速。在本发明的进一步发展中，用于初始密度值的模式特定校正项K_i因此根据含气液体的声速与确定初始密度值时所使用的模式的本征频率的商而确定。

在本发明的进一步发展中，在用于第一初始密度值的第一校正项除以用于第二初始密度值的第二校正项的商等于第一初始密度值除以第二初始密度值的商的情况下，通过搜索声速值来确定含气液体的声速c。在这种情况下，使用哪个数学程序是次要的。

在本发明的进一步发展中，根据fi模式的本征频率而定的用于初始密度值ρ_i的校正项K_i具有以下形式：

其中

其中，r和g是与气体无关的常数，c是含气液体的声速，f_i是fi模式的本征频率，ρ_corr是校正后的密度，以及b是比例常数，其中：尤其是r/b<1，尤其是r/b<0.9，和/或b＝1。

在本发明的进一步发展中，以上公式中的g是含气液体的共振频率f_res与含气液体的声速之间的比例因子，并且取决于测量管的直径，其中：

f_res＝g·c

在本发明的进一步发展中，基于fi模式的本征频率利用1/f_i尤其是(1/f_i)²的多项式来确定初始密度值，其中该多项式的系数与模式相关。

在本发明的进一步发展中，对于基于fi模式的本征频率的初始密度值的密度误差E_ρi，下式成立：

E_pi：＝K_i-1，

其中，初始质量流量值的质量流量误差E_m与第一初始密度值的密度误差E_ρ1之间的比例关系如下：

E_m：＝k·E_p1，

其中，比例因子k不小于1.5，例如不小于1.8，并且尤其是不小于1.9，其中，比例因子k不大于3，例如不大于2.25，并且尤其是不大于2.1。在本发明的当前优选实施例中，比例因子k＝2。

用于质量流量的修正项K_m为：

K_m：＝1+E_m，

其中校正的质量流量

被确定为

并且其中

是初始质量流量值。

在本发明的进一步发展中，该方法还包括如下步骤：

确定基于f1模式的本征频率的第一初始密度值与基于f3模式的本征频率的第二初始密度值之间的偏差；测试所述偏差是否大于参考值；并且如果是，则确定并且在给定情况下输出声速值。

在本发明的进一步发展中，用于密度值的偏差的参考值被选择，使得能够以不大于10％、尤其是不大于5％、并且优选不大于2％的统计误差来确定声速。

在本发明的进一步发展中，参考值不小于0.2kg/m³，尤其是不小于0.4kg/m³，其中参考值也不大于2kg/m³，例如不大于1kg/m³，尤其是不大于0.6kg/m³。

在本发明的进一步发展中，当在测量管中振荡的含气液体具有的共振频率不大于测量管的f1模式的本征频率的20倍时，尤其适用该方法。

在本发明的进一步发展中，当悬浮的气泡具有的半径r不大于五倍、尤其是不大于三倍的穿透深度δ时，使用该方法，其中：

δ＝(ν/(π^＊f_]))^1/2，

其中，ν是液体的运动粘度，并且f₁是f₁模式的本征频率。

穿透深度δ描述了由于悬浮的气泡与其周围液体的相对运动而引起的流场的范围。在小半径的情况下，悬浮的气泡基本上影响可压缩性，而在半径明显超过穿透深度的情况下出现附加效应，这使本发明的校正准确度降低。

附图说明

现在将基于附图给出的实施例更加详细地解释本发明，其中：

图1示出了本发明的方法的实施例的第一示例的流程图；

图2示出了本发明的方法的实施例的第一示例的细节的流程图；

图3示出了示出密度测量值的比值与声速之间的关系的曲线图；

图4示出了示出密度校正值与声速之间的关系的曲线图；

图5a示出了示出利用本发明的方法确定的声速值的图；以及

图5b示出了示出利用本发明的方法确定的密度值的图。

具体实施方式

图1示出的用于确定密度值的本发明的方法100的实施例的示例始于步骤110，用于确定f1弯曲振荡模式和f3弯曲振荡模式的本征频率。为此，能够尤其是同时激发f1弯曲振荡模式和f3弯曲振荡模式。所求的本征频率能够通过改变激发频率、最大化振荡幅度与模式特定激发功率的比值来确定。

在步骤120中，基于所确定的本征频率f_i，使用以下公式确定初始密度值ρ₁和ρ₃：

其中，c_0i，c_1i和c_2i是与模式相关的系数。

在步骤130，如下面基于图2至图4更加详细地解释的那样，发生确定用于密度测量的校正项。

最后在步骤140中，利用校正项来确定校正的密度值。

如图2所示，为了确定校正项，步骤130包括首先在步骤131计算初始密度值的比值V，因此例如将初始密度值ρ₁和ρ₃相除得到V：＝ρ₁/ρ₃。

然后，在步骤132中确定声速c，其在弯曲振荡模式的被测量本征频率的情况下产生初始密度值的计算的比值V：

其中，r例如是0.84，b＝1，并且g是声速与共振频率之间的测量管相关比例因子，其能够假设值为例如10/m。

图3示出了对于弯曲振荡模式的两个不同的本征频率数值对，声速作为初始密度值的比值V的函数。实线是用于f1＝200Hz且f3＝900Hz，虚线是用于f1＝210Hz且f3＝950Hz。因此，例如在f1＝200Hz且f3＝900Hz的情况下，例如c＝360m/s的声速存在于V＝0.95、f1＝200Hz且f3＝900Hz处。

随后，在图2的方法的步骤133中，基于所确定的声速使用以下公式计算模式特定校正项K_i：

最后，在图1中的方法的步骤140中使用初始密度值ρ_i来计算所校正的密度值：

因此，将初始密度值ρ_i除以校正项K_i以得到校正的密度值ρ_corr。

图4示出了在f1＝200Hz的本征频率的情况下在步骤133中针对f1模式确定的校正项K_i。根据在步骤132中确定的声速c＝360m/s，基于f1弯曲振荡模式的本征频率的初始密度值将例如为0.26％，该值是偏大的。因此，将初始密度值除以校正项1.0026，以获得所校正的密度值。

图5a中示出了本发明的在盐水中的声速作为气泡占比(GVF或含气率)的函数的结果。在实验过程中，在这种情况下，随着气泡占比的增加，f1模式的本征频率从例如177.3Hz下降到例如174.5Hz，而f3模式的本征频率从例如1088.8Hz下降到例如1015Hz。

最后，图5b中示出了在不同气泡占比值的情况下利用本发明方法来确定本发明的质量流量的结果，其中用于校正初始质量流量值的相应校正项是基于图5a所示的声速值来确定的。正方形是针对未校正值的误差，而三角形表示本发明的已校正值的误差。

用于科里奥利质量流量测量装置的初始质量流量测量值的校正项能够由对密度的校正项来确定，这通过首先从对密度的校正项K_i来确定密度误差E_ρi：

E_ρi：＝K_i-1，

用于校正初始质量流量值的质量流量误差E_m尤其是第一初始密度误差E_ρi的两倍，因此：

E_m：＝2·E_p1。

同样，质量流量误差E_m能够被计算为：

对于质量流量的校正项K_m，下列成立：

K_m：＝1+E_m，

其中，校正的质量流量

被确定为

并且

其中，

是先前质量流量值，其由在测量管上对称地布置的两个振荡传感器的信号之间的相位差和校准因子产生。

Claims

1.一种用于利用测量换能器确定含气液体的物理参数的方法，所述测量换能器具有用来引导液体的至少一个测量管，其中气体以在液体中悬浮的气泡的形式存在，

其中，所述至少一个测量管具有入口侧端部和出口侧端部，

其中，所述测量换能器具有至少一个入口侧固定装置和一个出口侧固定装置，所述测量管利用所述固定装置分别固定到所述端部的不同端部，其中，所述测量管在两个所述固定装置之间可激发，以执行具有不同本征频率的各种模式的弯曲振荡，其中f1模式在所述固定装置之间不具有振荡节点，并且其中，f3模式在所述固定装置之间具有两个振荡节点，

其中，所述方法(100)包括如下步骤：

确定所述f1模式和所述f3模式的本征频率(110)；

基于所述f1模式的本征频率对所述测量管中引导的所述含气液体确定第一初始密度值(120)；

基于所述f3模式的本征频率对所述测量管中引导的所述含气液体确定第二初始密度值(120)；

确定所述测量管中的液体的声速的值(132)，和

根据所述声速和确定初始密度值时所使用的f_i模式的本征频率，确定用于初始密度值的校正项K_i(130)和

确定基于该f_i模式的本征频率的初始密度值的密度误差，以使得确定校正的密度测量值(140)，

其中，根据f_i模式的本征频率而定的初始密度值ρ_i的校正项K_i具有以下形式：

其中

其中，r和g是与气体无关的常数，c是含气液体的声速，f_i是f_i模式的本征频率，ρ_corr是校正的密度，以及b是比例常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一初始密度值的第一校正项除以所述第二初始密度值的第二校正项所得的商等于所述第一初始密度值除以所述第二初始密度值所得的商的情况下，所述含气液体的声速c是通过搜索声速值来确定的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：r/b<1。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：r/b<0.9。

5.根据权利要求1或3或4所述的方法，其中b＝1。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，g是所述含气液体的共振频率f_res与所述含气液体的声速之间的比例因子，并且依赖于所述测量管的直径，其中：

f_res＝g·c。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，基于f_i模式的本征频率利用1/f_i或者是(1/f_i)²的多项式来确定所述初始密度值，其中，所述多项式的系数与模式相关。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法附加地包括如下步骤：由对密度的校正项，来确定初始质量流量测量值的校正项，以使得确定校正的质量流量测量值，

对于基于所述f_i模式的本征频率的初始密度值的密度误差E_ρi，下式成立：

E_ρi：＝K_i-1，

其中，用于校正初始质量流量值的质量流量误差E_m与所述第一初始密度值的密度误差E_ρ1的比例关系如下：

E_m：＝k·E_ρ1，

其中，比例因子k不小于1.5，

其中，比例因子k不大于3，

其中，对于初始质量流量测量值的校正项K_m，下式成立：

K_m：＝1+E_m，

其中，校正的质量流量测量值

被确定为：

其中

是初始质量流量值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，比例因子k不小于1.8。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，比例因子k不小于1.9。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，比例因子k不大于2.25。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，比例因子k不大于2.1。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法附加地包括如下步骤：

确定基于所述f1模式的本征频率的第一初始密度值与基于所述f3模式的本征频率的第二初始密度值之间的偏差；

测试所述偏差是否大于参考值；以及

如果是，则确定并在给定情况下输出声速值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，用于密度值的所述偏差的所述参考值被选择，使得能够以不大于10％的统计误差来确定所述声速。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，用于密度值的所述偏差的所述参考值被选择，使得能够以不大于5％的统计误差来确定所述声速。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，用于密度值的所述偏差的所述参考值被选择，使得能够以不大于2％的统计误差来确定所述声速。

17.根据权利要求13所述的方法，

其中，所述参考值不小于0.2kg/m³，并且其中，所述参考值也不大于2kg/m³。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述参考值不小于0.4kg/m³。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述参考值也不大于1kg/m³。

20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述参考值也不大于0.6kg/m³。

21.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述测量管中振荡的所述含气液体具有共振频率，所述共振频率不大于20倍的所述测量管的所述f1模式的本征频率。

22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述悬浮的气泡具有半径r，所述半径r不大于五倍的穿透深度δ，其中

δ＝(ν/(π＊f₁))^1/2，

其中，ν是液体的运动粘度。

23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述悬浮的气泡具有半径r，所述半径r不大于三倍的穿透深度δ，其中

δ＝(ν/(π＊f₁))^1/2，

其中，ν是液体的运动粘度。