振动流量计以及用于校正流动物质中的夹带气体的方法

专利名称：振动流量计以及用于校正流动物质中的夹带气体的方法
技术领域：
本发明涉及一种振动流量计及方法，并且更具体地涉及一种振动流量计以及用来
校正流动物质中的夹带气体的方法。
背景技术：
诸如科里奥利(Coriolis)质量流量计和振动密度计之类的振动管道传感器 (vibtating conduit sensor)通常通过检测容纳流动物质的振动管道的运动来工作。可以 通过处理从与管道相关联的位移传感器接收到的测量信号来确定与管道中的物质相关的 属性，如质量流量、密度等。充满振动物质的系统的振动模式通常受到容纳的管道以及管道 中所容纳的物质的组合质量、硬度和阻尼特性的影响。 典型的Coriolis质量流量计包括在管线或其它运输系统中连接成一列并且在系 统中传送例如流体、泥浆等材料的一个或多个管道。每个管道都可以被看作具有一组固有 振动模式，例如包括简单弯曲、扭转的、辐射状的、以及耦合的模式。在典型的Coriolis质 量流量测量应用中，当物质流过管道时，以一种或多种振动模式激励管道，并且在沿着管道 间隔开的各点处测量管道的运动。通常由以周期的方式扰动管道的致动器(例如诸如音圈 型驱动器的机电装置)来提供激励。可以通过测量在变换器位置处的运动之间的时延或相 位差来确定质量流率。通常使用两个此类的变换器(或捡拾(pickoff)传感器)，以便测量 该流管或多个流管的振动响应，并且这两个变换器通常位于致动器上游和下游的位置。两 个捡拾传感器通过电缆连接(诸如通过独立的两对电线)连接到电子仪器。该仪器接收来 自两个捡拾传感器的信号并对这些信号进行处理，以便推导出质量流率测量结果。
使用流量计来对许多种的流体流动执行质量流率测量。其中可能会使用Coriolis 流量计的一个领域在于油井和气井的计量。这些井的产物可能包括多相流，包括油或气，还 可包括例如包括水和空气在内的其它组分。非常希望的是，即使对于这种多相流而言，所得 到的计量也能尽可能地准确。 Coriolis仪表对于单相流提供了较高的准确性。但是，当Coriolis流量计用来 测量充气的流体或者具有夹带气体的流体时，仪表的准确性可能会显著降低。夹带气体通 常作为气泡存在于流动物质中。气泡的尺寸可能会依赖于存在的气体量、流动物质的压力、 温度和管线中的混合度而变化。性能降低的程度不仅与存在的总的气体量有关，而且还与 流动中的单独气泡的尺寸有关。气泡的尺寸会影响测量准确度。较大的气泡占据较大的体 积，导致流动物质的密度出现波动。由于气体的可压縮性，气泡的气体量可能会变化，而其 尺寸不一定变化。相反，如果压力变化，则气泡尺寸可能相应地变化，随着压力下降而膨胀， 或者随着压力增大而縮小。这可能还会使流量计的固有频率或者谐振频率出现变化。
由气泡引起的另一问题是滑移(sli卯age)。当流量计被振动时，小的气泡通常会 随着液体流动物质移动。但是，在流量管振动的过程中，较大的气泡不会随着液体移动。相 反，气泡可能会从液体中解耦出来，并且会独立于液体而移动。因此，液体可能在气泡周围 流动。这会不利地影响流量计的振动响应。
本领域仍然需要一种检测有疑问级别的夹带气体的振动流量计。本领域还需要一 种在存在夹带气体时能够准确地测量流动特性的振动流量计。本领域还需要一种能够在任 何级别的夹带气体下准确地测量流动特性的振动流量计。

发明内容
根据本发明实施例，提供一种用于校正流动物质中的夹带气体的振动流量计。振 动流量计包括流量计组件，其被配置成生成流动物质的振动响应；气泡振动传感器，其被 配置成生成流动物质的气泡测量信号；以及仪表电子装置(meter electronic)，其被耦合 到流量计组件和气泡振动传感器。仪表电子装置被配置成接收振动响应和气泡测量信号， 至少使用气泡测量信号确定流动物质中气泡的气泡尺寸，至少使用振动响应和气泡尺寸确 定流动物质的一个或多个流动特性。 根据本发明实施例，提供一种用于校正流动物质中的夹带气体的振动流量计。振 动流量计包括流量计组件，其被配置成生成流动物质的振动响应；气泡振动传感器，其被 配置成生成流动物质的气泡测量信号；以及仪表电子装置，其被耦合到流量计组件和气泡 振动传感器。仪表电子装置被配置成接收振动响应和气泡测量信号，至少使用气泡测量信 号确定流动物质中的气泡的气泡尺寸，至少使用振动响应确定流动物质的一个或多个流动 特性，并且如果气泡尺寸超过预定的尺寸阈值则生成警报，该警报指示一个或多个流动特 性已经超过预定的测量容限。 根据本发明实施例，提供一种校正流动物质中的夹带气体的方法。该方法包括至 少使用流动物质的振动测量结果确定流动物质中气泡的气泡尺寸；通过振动流量管组件生 成振动响应；以及至少使用振动响应和气泡尺寸确定一个或多个流动特性。
根据本发明实施例，提供一种校正流动物质中的夹带气体的方法。该方法包括 至少使用流动物质的振动测量结果确定流动物质中气泡的气泡尺寸；通过振动流量管组件 生成振动响应；并至少使用振动响应确定流动物质的一个或多个流动特性；以及如果气泡 尺寸超过预定尺寸阈值则生成警报，该警报指示一个或多个流动特性已经超过预定测量容 限。 发明的方面 按照所述振动流量计的一个方面，所述气泡尺寸传感器测量对流动物质中的一个 或多个气泡的振动的气泡响应。 按照所述振动流量计的又一方面，所述气泡尺寸传感器使流动物质振动，并且随 后测量对该振动的气泡响应。 按照所述振动流量计的又一方面，所述气泡尺寸传感器声学地(acoustically) 使流动物质振动，并且随后测量对该振动的气泡响应。 按照所述振动流量计的又一方面，所述气泡振动传感器是单独的，并且与流量计 组件独立。 按照所述振动流量计的又一方面，所述气泡振动传感器被形成为流量计组件的一 部分。 按照所述振动流量计的又一方面，所述气泡振动传感器包括流量计组件的至少一 个捡拾传感器。
按照所述振动流量计的又一方面，确定气泡尺寸包括确定流动物质中的基本上最 大的气泡的气泡尺寸。 按照所述振动流量计的又一方面，确定气泡尺寸进一步包括确定流动物质中超过 预定尺寸阈值的气泡的气泡尺寸。 按照所述振动流量计的又一方面，仪表电子装置被进一步配置成如果气泡尺寸超 过预定的尺寸阈值则生成警报，该警报指示一个或多个流动特性已经超过预定的测量容 限。
t计的又一方面，进一步包括生成气泡尺寸输出。 t计的又一方面，进一步包括如果气泡尺寸超过预定尺寸阈值则
按照所述振动流3 按照所述振动效
生成改变流动条件指示。
按照所述振动流3
t计的又一方面，确定一个或多个流动特性进一步包括只有在气 泡尺寸超过预定尺寸阈值时，才至少使用振动响应和气泡尺寸来确定一个或多个流动特 性。
t计的又一方面，生成警报进一步包括生成指示气泡尺寸的气泡
计的又一方面，生成警报进一步包括生成流动物质中基本上最 按照所述振动流3 尺寸输出。 按照所述振动^ 大的气泡的气泡尺寸输出
按照所述振动流量计的又一方面，生成警报进一步包括如果气泡尺寸超过预定尺 寸阈值则生成改变流动条件指示。 按照所述振动流量计的又一方面，仪表电子装置进一步被配置成至少使用振动响 应和气泡尺寸确定一个或多个流动特性。 按照所述方法的一方面，确定气泡尺寸包括确定流动物质中基本上最大的气泡的 气泡尺寸。 按照所述方法的又一方面，确定气泡尺寸进一步包括确定流动物质中超过预定尺 寸阈值的气泡的气泡尺寸。 按照所述方法的又一方面，该方法进一步包括如果气泡尺寸超过预定尺寸阈值则
生成警报，该警报指示一个或多个流动特性已经超过预定测量容限。 按照所述方法的又一方面，进一步包括生成气泡尺寸输出。 按照所述方法的又一方面，该方法进一步包括如果气泡尺寸超过预定尺寸阈值则 生成改变流动条件指示。 按照所述方法的又一方面，确定流动特性进一步包括仅在气泡尺寸超过预定尺寸
阈值时，才至少使用振动响应和气泡尺寸确定一个或多个流动特性。 按照所述方法的又一方面，生成警报进一步包括生成气泡尺寸输出。 按照所述方法的又一方面，生成警报进一步包括如果气泡尺寸超过预定尺寸阈值
则生成改变流动条件指示。 按照所述方法的又一方面，该方法进一步包括至少使用振动响应和气泡尺寸确定 一个或多个流动特性。 按照所述方法的又一方面，确定一个或多个流动特性进一步包括只有在气泡尺寸 超过预定尺寸阈值时，才至少使用振动响应和气泡尺寸确定一个或多个流动特性。


图1示出包括流量计组件和仪表电子装置的流量计。 图2示出根据本发明的一个实施例的振动流量计。 图3示出在振动流量计中校正流动物质中的夹带气体的方法的流程图。 图4是流动物质中的统计气泡尺寸分布的图表。 图5示出相对于流体流动物质移动的半径为R的气泡。 图6示出在流体流动物质中的滑移之前和之后的位移的流体体积和气泡。 图7示出在振动流量计中校正流动物质中的夹带气体的方法的流程图。 图8示出根据本发明的一个实施例的振动流量计。 图9示出根据本发明的一个实施例的振动流量计。
具体实施例方式
图1-9以及下面的说明描绘了特定示例以教导本领域技术人员如何制造和使用 本发明的最佳模式。出于教导发明原理的目的，对一些常规方面进行了简化或者省略。本 领域技术人员会从这些示例中认识到落入本发明的范围内的变形。本领域技术人员会认识 到可以以各种方式对下文描述的特征进行组合，从而形成本发明的多个变形。因此，本发明 不限于下文描述的特定示例，而只由权利要求和其等价物加以限定。 图1示出包括流量计组件10和仪表电子装置20的流量计5。仪表电子装置20经 由导线100连接到(流量)计组件10，并且仪表电子装置20被配置成通过通信路径26提供 密度、质量流率、体积流率、合计质量流量、温度以及其它信息中的一个或多个的测量结果。 对本领域技术人员而言应该显而易见的是，不管驱动器、捡拾传感器、流管(flow conduit) 的数量多少或者振动的工作模式如何，本发明可以用在任何类型的Coriolis流量计中。另 外，应认识到流量计5可以替换地包括振动密度计。 流量计组件10包括一对法兰101和IOI'、歧管102和102'、驱动器104、捡拾传感 器105和105'以及流管103A和103B。驱动器104和捡拾传感器105和105'被连接到流 管103A和103B。 在一个实施例中，如图所示，流量管103A和103B包括基本为U型的流量管。可替 代地，在其它实施例中，流量管可包括基本为直的流量管。然而，也可以使用其它形状，这都 在说明书和权利要求书的范围之内。 法兰101和101'被附着至岐管102和102'。岐管102和102'可以被附着到间隔 件106的相对端。间隔件106保持岐管102和102，之间的间隔，以防止流管103A和103B 中的不希望的振动。当流量计组件10被插入到承载被测流动物质的管道系统(未示出) 中时，流动物质通过法兰101进入流量计组件10，穿过入口岐管102(在此处全部数量的流 动物质被引导以进入流管103A和103B)，流过流管103A和103B，并回到出口岐管102'中 (在此处该流动物质通过法兰101'离开(流量)计组件10。 选择流管103A和103B，并适当地将其安装到入口岐管102和出口岐管102'，以 便分别关于弯曲轴W-W和W' -W'具有基本上相同的质量分布、惯性力矩和弹性模量。流管 103A和103B从岐管102和102'以实质上平行的方式向外延伸。
由驱动器104关于各弯曲轴W和W'沿相反方向、并在被称为流量计5的第一异相 弯曲模式下驱动流管103A和103B。驱动器104可以包括许多众所周知的装置中的一种装 置，如安装到流管103A的磁体以及安装到流管103B的反作用线圈(o卯osing coil)。交流 电通过反作用线圈以使两个管道振荡。由仪表电子装置20经由导线IIO将合适的驱动信 号施加到驱动器104上。 仪表电子装置20分别在导线111和111'上接收传感器信号。仪表电子装置20 在导线IIO上产生驱动信号，该驱动信号使驱动器104振荡流管103A和103B。仪表电子装 置20对来自捡拾传感器105和105'的左和右速度信号进行处理，以计算质量流率。通信 路径26提供输入和输出装置，该输入和输出装置允许仪表电子装置20与操作员或者与其 它电子系统面接。图1的描述只是作为Coriolis流量计的操作的一个例子加以提供，并不 旨在限制本发明的教导。 当流动物质中存在夹带空气(或者任何气体)时，在测量一个或者多个流动特性 中会产生一个共同的问题。夹带气体可以作为不同尺寸的气泡存在。当气泡相对小时，它 们对流量测量的影响可以忽略。但是，随着气泡尺寸增大，流量测量中的误差也会增大。
图2示出根据本发明实施例的振动流量计99。振动流量计99包括流量计组件10、 气泡尺寸传感器50和仪表电子装置20。仪表电子装置20通过导线100耦合到流量计组件 10。在该图所示的实施例中，仪表电子装置20通过一根或者多根导线51耦合到气泡尺寸 传感器50。流量计组件10和气泡尺寸传感器50可以耦合到传导流动物质的管道90。流 动物质可包括两相或者多相流动。 流量计99产生改进的流动特性测量结果。在流动物质中存在夹带气泡时，流动特 性测量结果得以改进。例如，流量计99可以生成流动物质的改进的密度测量结果。但是， 应该理解的是，流量计99可以额外地提供流动物质的流动速率测量结果。作为结果，流量 计99可以包括振动密度计和/或Coriolis流量计。可以产生其它附加的流量测量结果， 该附加的流量测量结果在本说明书和权利要求书的范围之内。 在一个实施例中仪表电子装置20被配置成使流量管103A和103B振动。该振动 是由驱动器104执行的。仪表电子装置20进一步接收来自于捡拾传感器105和105'的作 为结果的振动信号。振动信号包括流量管103A和103B的振动响应。仪表电子装置20对 振动响应进行处理，并确定一个或者多个流动特性，如密度、质量和/或体积流动速率等。
气泡尺寸传感器50可以包括振动流量计99的主要部分，并可以被形成为流量计 组件10的一部分。可替代地，气泡尺寸传感器50可以包括单独的部件，该单独的部件与流 量计组件10分离且独立。在另一种替代中，气泡尺寸传感器50可以是流量计组件10的一 部分，并可以包括流量计组件10的至少一个捡拾传感器105和/或105'。
气泡尺寸传感器50被配置成生成流动物质的气泡测量信号。气泡尺寸传感器50 可以测量对流动物质中的一个或者多个气泡的振动的气泡响应，并由气泡振动响应生成气 泡测量信号。气泡尺寸传感器50可以被动地检测气泡振动。可替代地，气泡尺寸传感器50 可以使流动物质振动，并且随后可以测量对该振动的气泡响应。 在一些实施例中，振动包括声学振动。可替代地，在其它实施例中，振动是非声学 的。 在一些实施例中，气泡尺寸传感器50包括既产生振动又检测振动的有源装置。在
9该实施例中的气泡尺寸传感器50可以使相应的流管或者流动物质振动，并且可以接收产 生的振动。可以对感生的振动进行分析，以确定流动物质中夹带气体的气泡尺寸。气泡尺 寸传感器50可以可替代地直接使所述流振动，例如通过管道中的端口。可替代地，在其它 实施例中，气泡尺寸传感器50包括只检测并且接收振动的无源装置。气泡尺寸传感器50 可以检测管道(例如包括流量计组件10的管道)的振动，或者可以直接检测流动物质的振 动。气泡尺寸传感器50可以接收由流动物质的流动所产生的振动，其中可以对振动进行处 理以便确定一个或多个气泡尺寸。 流量计组件10被配置成生成流动物质的振动响应。仪表电子装置20可以接收并 处理气泡测量信号和振动响应，以便尤其确定气泡尺寸。仪表电子装置20可以接收并处理 气泡测量信号和振动响应，以便确定流动物质中超过预定尺寸阈值的气泡的气泡尺寸。仪 表电子装置20可以接收并处理气泡测量信号和振动响应，以便确定流动物质中基本上最 大的气泡的气泡尺寸。 仪表电子装置20可以接收并处理气泡测量信号和振动响应，以便至少使用振动 响应和气泡尺寸确定一个或者多个流动特性(参见图3和相关论述)。可替换地，仪表电子 装置20可以接收并处理气泡测量信号和振动响应，以便在气泡尺寸超过预定尺寸阈值时 生成警报(参见图7和相关论述)。因此，该警报可以指示流动特性已经超过预定测量容 限。 仪表电子装置20可以生成气泡尺寸输出。在一些实施例中，气泡尺寸输出包括一 个或者多个气泡的尺寸。在一些实施例中，气泡尺寸输出包括流动物质中基本上最大的气 泡的气泡尺寸。气泡尺寸输出可以被存储和或传递给操作员，或者可以被传递给远程位置 或者装置。 仪表电子装置20可以在气泡尺寸超过预定尺寸阈值时生成改变流动条件指示。 该改变流动条件指示可以提示操作员或者技师改变流量计99中的流动条件，例如通过改 变流动速率、流动压力或者其它流动条件。 仪表电子装置20可以基于气泡尺寸确定一个或者多个流动特性。例如，气泡尺寸 可以与空隙率值和质量流率相关联，或者体积流率可被相应地调节。在一些实施例中，仪表 电子装置20仅在气泡尺寸超过预定尺寸阈值时确定一个或者多个流动特性。
流体模型包括振荡流中的球形微粒的运动方程，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 中的运动方程，该文章通过引用被结合到本文中。通过对不稳定史氏(Stoke)方程求解， 并且然后对各项使用经验校正以说明较高的雷诺数来建立这些方程，就像在一些Coriolis 流量计应用中可以找到的那样。 图3示出校正振动流量计中的流动物质中的夹带气体的方法的流程图300。在步 骤301中，通过对流动物质中的一个或者多个气泡进行气泡尺寸测量来确定气泡尺寸。气 泡振动传感器可以用于确定气泡尺寸。可以使用如前面所讨论的振动气泡尺寸测量或者声 学气泡尺寸测量来确定气泡尺寸。在对流程图300进行论述之后，下面将详细论述气泡尺 在一些实施例中的气泡尺寸包括瞬时气泡尺寸。在一些实施例中的气泡尺寸包括 基本平均的气泡尺寸。在一些实施例中的气泡尺寸包括超过预定尺寸阈值的气泡的气泡尺寸测量。在一些实施例中的气泡尺寸包括基本上最大的气泡尺寸。由于流动物质中最大的 气泡会对所测流动特性具有最大的影响和冲击，所以可以使用基本上最大的气泡尺寸。
在步骤302中，通过使流量管组件振动来生成振动响应。振动响应会根据流量管 组件中的流动物质的流动而变化。 在步骤303中，至少使用振动响应和气泡尺寸来确定一个或者多个流动特性。该 一个或者多个流动特性可以包括例如流动物质的密度。该一个或者多个流动特性可以包括 例如流动物质的质量流率。但是，可考虑其它的流动特性，这些流动特性都在本说明书和权 利要求书的范围之内。 该确定可以提供一个或者多个流动特性的高水平的准确度。例如，已知密度测量 将受到液体流动物质中的夹带气体的影响，还已知作为两相流动条件，并且因此可以使用 气泡尺寸来更准确、可靠地确定密度。气泡尺寸(以及可选的气泡数)可以用于确定流动 物质中的基本上瞬时的气体体积。可以从基本上瞬时的体积流率中减去气体体积。
在一些实施例中，该确定步骤可以基于当前的气泡尺寸。例如，如果所检测的气泡 不大于预定尺寸阈值，则可以可选地仅使用振动响应来执行该确定。相反，当气泡尺寸超过 预定尺寸阈值时，则该确定步骤可以至少使用振动响应和气泡尺寸。阈值可以被设定以使 仅在气泡尺寸和夹带气体影响变得显著时才执行该确定步骤。 Coriolis仪表要求在振荡期间流动物质完全与流量管一起移动。当引入气泡时， 由于在两相之间至少存在一些相对运动或者解耦，所以该假设不再有效。用于预测移动的 流体的性能的流体模型可以预测Coriolis仪表中的解耦效应。此外，流体模型可以用来对 在已知气泡尺寸的流动物质中的夹带气体进行补偿。 管或管道中的气泡尺寸是线路的几何形状、流动速率以及其它流体性质的复合 函数。可以实时地测量仪表内部的气泡的准确分布，并且可以使用流体模型来对解耦 (decoupling)误差进行补偿，以及流体模型能够允许改进夹带气体的测量。
若干公司提供了基于多相流动声学的气泡尺寸测量，包括来自马里兰Jessup的 DynaFlow公司的ABS Acoustic Bubble Spectrometer (声学气泡光谱仪)，以及包括来自澳 大利亚Clayton的CSI匪a皿facturing&Materials Technology的StreamTone产品。测 量原理非常简单。当各气泡遭遇流中的压力扰动或者来自外部源的压力扰动时，各气泡会 以其固有频率径向地振荡。第一模式的振荡频率(o)主要是气泡尺寸的函数，表示如下 其中，(a)项是气泡半径，(P)项是流动物质的液体密度，(Y)项是流动物质的绝 热指数，以及(P)项是液体压力。测量包括采用湍流或者通过以某些频率有源激励来激励 气泡，然后接收并分析返回的频率。 对于较小的气泡，振动气泡尺寸测量可能不是非常准确或可靠。然而，可能期望的 是只测量超过某尺寸的气泡，因为较小的气泡对流量计的准确度表现出可以忽略的影响。
图4是流动物质中统计的气泡尺寸分布图。众所周知，管线中的气泡分布由对数 正态分布进行了很好的描述，其对较小的直径有明显偏斜。如下文所示，由于它意味着只有 几个大的包含大部分气体体积的气泡，所以这是有益的。如正态分布一样，必须已知均值和 标准差来定义分布的形状。对于下面的推导，这些参数表示以适度的流动速率的典型水流和气流。 关于Coriolis流量计中的解耦误差有两个控制方面。由于仪表中的气体体积在 两相之间产生相对运动时确定解耦的流体的量，所以仪表会受到该仪表中的气体体积的影 响。换言之，仪表不会关注存在多少气泡，而是会关注其受那些气泡位移的流体体积的影 响。其次，如果某个气泡非常小以致于其不会从流体中解耦，则该气泡不会产生任何误差， 并且不需要被考虑。从解耦观点来看，只有较大的气泡会有关系。 一个5mm直径的气泡的 影响可能会比数百个0. 5mm气泡在仪表中产生更大的误差。 从体积观点来看，只有分布中的几个较大的气泡会有关系，因为这些气泡包括了
几乎所有的总体积。由于球体的体积是其半径的立方，所以这是直观的。 然而，当考虑由流体模型预测的实际解耦时，会存在到较大的气泡尺寸的另一个
转变。该模型预测对于非常小的气泡尺寸将不存在解耦。因此，对于典型的已经被偏斜到
较小尺寸的对数正态分布而言，分布中的许多气泡将被完全地与流体同步地锁定，并且在
质量流量或者密度测量中不会产生误差。 已经发现气泡尺寸对应于气泡的振荡频率。因此，可以通过检测振动响应来确定 气泡尺寸。如果只希望找到流动中的最大尺寸的、最显著的气泡，则应该检查在800-2000Hz 范围内的某处的相对低频的信号。由于泵和其它部件的原因而导致这大大超过大多数振 动。结果，可以检查所接收的振动响应以寻找在800-2000Hz之间的某处所接收信号的急剧 增加，这将表示流动中的大的气泡。 假设液体特性已知，并且仪表中气泡的尺寸已知，则仪表中发生的相对运动(即 解耦)的量可以计算出来。因此，可以确定每个气泡比液体移动得更远的程度，这指示出确 切地有多少流体响应于气泡的运动由另一方向回移。这直接导致通过简单的方程确定密度 误差以及空隙率。该方法包括重心方法。应该理解的是，也可以考虑其它方法，它们都在本 说明书和权利要求书的范围之内。 图5示出了相对于流体流动物质移动的半径为R的气泡。该气泡包括流体介质中 的球体。该流体介质与流量管同步振荡。粒子的半径为R，随着管子从零到峰值的每次振 荡，粒子移动总距离(Ap)。所关注的点是气泡通过流体行进的距离，而并不是其相对于实验 室参考系的绝对运动。该相对运动可以被定义为(Ap-Af)，其中(Af)是连续流体介质的幅 度。流体幅度(Af)实质上是流量管振动的幅度，是已知量。 该图示出从到最大振动幅度的管子运动的中线(该图中的左边位置)移动到一侧 的气泡。受到通过流体从零到峰值幅度移动的粒子影响的总体积为受影响体积(=G — ^ )(^2)+土冗W3 (2) 然而，发生移动的液体的实际体积不包括气泡的体积。只关心在流量管振动期间 移动的液体的体积，该体积被表示为 发生位移体积(VolumeDisplaced) = (Ap-Af) (JiR2) (3) 使用该体积和上图，可以看出可以采用重心分析来找到在气泡的路径中的流体的
平均位移。在气泡从零移动到峰值义^j之前，发生位移的流体的重心的方程为
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在气泡从零移动到峰值义^S之后，发生位移的流体的重心的方程为<formula>formula see original document page 13</formula>
因此，对于管子从零到峰值位移的每次振荡，体积(JiR2(Ap-Af))移动平均距离 图6示出在流体流动物质中发生滑移之前和之后发生位移的流体体积和气泡。 (X)项是发生位移的流体体积的重心。该图示出由于滑移导致的重心(X)的移动。重心(X) 的移动与流量管的振动相反地发生。 然而，已知向后移动的流体量对于确定对密度测量的影响是没有用的。作为替 代，需要的是将向后移动与管向前移动相同距离的等效体积，以便产生重心的相同变化。 然后可以假设该体积不参与管的振荡，并且体积中包含的质量在密度测量中不体现。这 包括体积计算的守恒，假设在振荡期间气泡的体积不会变化。以下计算会得到不参与 (non-participating)的体禾只<formula>formula see original document page 13</formula>或者
<formula>formula see original document page 13</formula> 不参与的体积包括粒子体积乘以相对粒子位移与管子位移的比率。将管子中的所 有粒子求和，结果可以按照空隙率(I1来表示
<formula>formula see original document page 13</formula> 或者<formula>formula see original document page 13</formula> 该结果反映了向右移动(Ap-Af)的气体球和向左移动相同距离的液体球。相同的 方法和方程可以进一步用来推导不参与的体积。 可以按如下方式建立实际密度(P artual)和具有解耦的密度(P d_upled)的方程
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密度误差可以作为解耦密度和实际密度之差除以实际密度来计算<formula>formula see original document page 14</formula> 只要粒子的相对运动即Ap项从流体模型中已知，该方程就可直接给出密度误差。 气泡尺寸测量结果和已知的流动物质流体特性提供流体模型所需的信息。用此信息，可以 校正仪表的密度输出。此外，由于实际的液体密度已经从流动物质流体特性中已知，所以该
信息可以进一步用来确定空隙率r 。 气泡尺寸测量的使用提供了一种可以用来以非常鲁棒性的方式检测气体的存在
的完全独立的测量。该技术不仅允许检测气体，而且可以提供夹带气体影响流量测量的程 度的估计。 图7示出校正振动流量计中的流动物质中的夹带气体的方法的流程图700。在步 骤701中，如之前论述的，确定气泡尺寸。 在步骤702中，通过振动流量管组件生成振动响应。至少使用振动响应来确定流 动物质的一个或者多个流动特性。该确定可以进一步包括使用气泡尺寸。
在步骤703中，将气泡尺寸与预定尺寸阈值进行比较。在一些实施例中的预定尺 寸阈值可以包括可接受的夹带气体阈值。如果气泡尺寸小于或者等于预定尺寸阈值，则气 泡尺寸是可接受的，并且该方法绕过步骤704且退出。如果气泡尺寸大于预定尺寸阈值，则 气泡尺寸是不可接受的，并且方法前进到步骤704。 在步骤704中，生成警报。警报指示一个或者多个流动特性已经超过预定测量容 限。例如，如果气泡太大，则流动物质的密度测量会被不利地影响，并且由于夹带气体导致 密度测量的准确度会是不可接受的。其它流动特性也会被夹带气体劣化。
生成警报可以包括在仪表电子装置20中设置警报条件。生成警报可以包括向其 它诸如监控系统等的装置传送警报条件或者指示。生成警报可以包括生成任何方式的可视 生成警报可以进一步包括传送、显示或者在其他情况下指示气泡尺寸，例如生成 气泡尺寸输出。气泡尺寸可以包括最大的气泡尺寸。可替代地，气泡尺寸输出可以包括代 表性的气泡尺寸或者平均气泡尺寸。 在一些实施例中，生成警报可以进一步包括生成混合指示，其指示对于改变流动 条件的需求。在一些实施例中，生成警报可以进一步包括改变流动条件。例如，流动物质压 力可以被增大以降低夹带气体误差。增大的压力可以减小气泡尺寸。可替代地，流动速率 可以被增大以便使气泡分裂，并提供混合动作。在另一可替代方式中，可以开始混合动作以 便打碎气泡或者在其他情况下减小气泡尺寸。混合指示可以提示流动条件的变化以便打碎 气泡或者在其他情况下减小气泡尺寸。 图8示出根据本发明的一个实施例的振动流量计99。在该实施例中的振动流量 计99包括仪表电子装置20和仪表组件10。仪表组件10包括流量管103A和103B、驱动器 104和捡拾传感器105和105'。如前，仪表组件10通过导线100耦合到仪表电子装置20。 此外，气泡尺寸传感器50可以包括流量计组件10的一部分，并且可以通过链路51耦合到 仪表电子装置20。本实施例的气泡尺寸传感器50可以位于流量计组件10上的任何位置， 或者可替代地可以延伸进入流量计组件10的流量管中。在一些实施例中，气泡尺寸传感器 50可以包括附着到流管或者成为流管的一部分的振动捡拾器或者传感器。
图9示出根据本发明的实施例的振动流量计99。在该实施例中的振动流量计99 采用捡拾传感器105中的一个既作为捡拾传感器又作为气泡尺寸传感器50。因此，流量计 组件10通过导线100耦合到仪表电子装置20。导线100传送振动响应和气泡尺寸测量结 果两者。 如果需要，可以根据任何实施例来采用根据本发明的振动流量计和方法，以便提 供多个优点。该振动流量计以及方法可以用来确定准确的流动特性。该振动流量计以及 方法可以用来在流动物质中出现夹带气体时，确定一个或者多个被测流动特性。该振动流 量计以及方法可以用来仅在气泡尺寸超过尺寸阈值时，才确定从流量计组件获得的流动特 性。 该振动流量计以及方法可以用来确定气泡尺寸。该振动流量计以及方法可以用来 确定气泡体积。该振动流量计以及方法可以用来确定夹带气体的量，包括夹带气体的体积。 该振动流量计以及方法可以用来确定流动物质中的空隙率。 该振动流量计以及方法可以用来确定比临界尺寸更大的气泡。该振动流量计以及 方法可以用来确定临界气泡的体积。该振动流量计以及方法可以用来在气泡尺寸超过尺寸 阈值时生成警报。该振动流量计以及方法可以用来生成气泡尺寸输出。该振动流量计以及 方法可以用来在气泡尺寸超过尺寸阈值时生成改变流动条件指示。
1权利要求
一种用于校正流动物质中的夹带气体的振动流量计(100)，包括流量计组件(10)，其被配置成生成流动物质的振动响应；气泡尺寸传感器(50)，其被配置成生成所述流动物质的气泡测量信号；以及仪表电子装置(20)，其被耦合到所述流量计组件(10)和所述气泡尺寸传感器(50)，并被配置成接收所述振动响应和所述气泡测量信号，至少使用所述气泡测量信号确定所述流动物质中的气泡的气泡尺寸，至少使用所述振动响应和所述气泡尺寸确定所述流动物质的一个或多个流动特性。
2. 权利要求1所述的振动流量计(IOO)，其中所述气泡尺寸传感器(50)测量对所述流 动物质中的一个或多个气泡的振动的气泡响应。
3. 权利要求1所述的振动流量计(IOO)，其中所述气泡尺寸传感器(50)使所述流动物 质振动，并且随后测量对该振动的气泡响应。
4. 权利要求1所述的振动流量计(IOO)，其中所述气泡尺寸传感器(50)声学地使所述 流动物质振动，并且随后测量对该振动的气泡响应。
5. 权利要求1所述的振动流量计(IOO)，其中所述气泡尺寸传感器(50)是单独的，并 且与所述流量计组件(10)独立。
6. 权利要求1所述的振动流量计(IOO)，其中所述气泡尺寸传感器(50)被形成为所述 流量计组件(10)的一部分。
7. 权利要求1所述的振动流量计(100)，其中所述气泡尺寸传感器(50)包括所述流量 计组件(10)的至少一个捡拾传感器(105)。
8. 权利要求1所述的振动流量计(100)，其中确定所述气泡尺寸包括确定所述流动物 质中基本上最大的气泡的气泡尺寸。
9. 权利要求1所述的振动流量计(100)，其中确定所述气泡尺寸进一步包括确定所述 流动物质中超过预定尺寸阈值的气泡的气泡尺寸。
10. 权利要求1所述的振动流量计(100)，其中所述仪表电子装置(20)被进一步配置 成如果所述气泡尺寸超过预定的尺寸阈值，则生成警报，其中该警报指示所述一个或多个 流动特性已经超过预定的测量容限。
11. 权利要求1所述的振动流量计(ioo)，进一步包括生成气泡尺寸输出。
12. 权利要求l所述的振动流量计(100)，进一步包括如果所述气泡尺寸超过所述预定 尺寸阈值，则生成改变流动条件指示。
13. 权利要求l所述的振动流量计(100)，其中确定所述一个或多个流动特性进一步包 括仅在所述气泡尺寸超过所述预定尺寸阈值时，才至少使用所述振动响应和所述气泡尺寸 来确定所述一个或多个流动特性。
14. 一种用于校正流动物质中的夹带气体的振动流量计(100)，包括 流量计组件(IO)，其被配置成生成所述流动物质的振动响应； 气泡尺寸传感器(50)，其被配置成生成所述流动物质的气泡测量信号；以及 仪表电子装置(20)，其被耦合到所述流量计组件(10)和所述气泡尺寸传感器(50)，并被配置成接收所述振动响应和所述气泡测量信号，至少使用所述气泡测量信号确定所述流 动物质中的气泡的气泡尺寸，至少使用所述振动响应确定所述流动物质的一个或多个流动 特性，并且如果所述气泡尺寸超过预定的尺寸阈值，则生成警报，其中该警报指示一个或多个流动特性已经超过预定的测量容限。
15. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中所述气泡尺寸传感器(50)测量对所述 流动物质中的一个或多个气泡的振动的气泡响应。
16. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中所述气泡尺寸传感器(50)使所述流动 物质振动，并且随后测量对该振动的气泡响应。
17. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中所述气泡尺寸传感器(50)声学地使所 述流动物质振动，并且随后测量对该振动的气泡响应。
18. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中所述气泡尺寸传感器(50)是单独的， 并且与所述流量计组件(10)独立。
19. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中所述气泡尺寸传感器(50)被形成为所 述流量计组件(10)的一部分。
20. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中所述气泡尺寸传感器(50)包括所述流 量计组件(10)的至少一个捡拾传感器(105)。
21. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中确定所述气泡尺寸包括确定所述流动 物质中基本上最大的气泡的气泡尺寸。
22. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中确定所述气泡尺寸进一步包括确定所 述流动物质中超过预定尺寸阈值的气泡的气泡尺寸。
23. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中生成所述警报进一步包括生成气泡尺寸输出。
24. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中生成所述警报进一步包括如果所述气 泡尺寸超过所述预定尺寸阈值，则生成改变流动条件指示。
25. 权利要求14所述的振动流量计(100)，其中所述仪表电子装置(20)进一步被配置 成至少使用所述振动响应和所述气泡尺寸确定所述一个或多个流动特性。
26. 权利要求25所述的振动流量计(100)，其中确定所述一个或多个流动特性进一步 包括仅在所述气泡尺寸超过所述预定尺寸阈值时，才至少使用所述振动响应和所述气泡尺 寸来确定所述一个或多个流动特性。
27. —种在振动流量计中校正流动物质中的夹带气体的方法，该方法包括 至少使用所述流动物质的振动测量结果确定所述流动物质中气泡的气泡尺寸； 通过振动流量管组件生成振动响应；以及至少使用所述振动响应和所述气泡尺寸确定一个或多个流动特性。
28. 权利要求27所述的方法，其中确定所述气泡尺寸包括确定所述流动物质中基本上 最大的气泡的气泡尺寸。
29. 权利要求27所述的方法，其中确定所述气泡尺寸进一步包括确定所述流动物质中 超过预定尺寸阈值的气泡的气泡尺寸。
30. 权利要求27所述的方法，进一步包括如果所述气泡尺寸超过预定尺寸阈值，则生 成警报，其中该警报指示一个或多个流动特性已经超过预定测量容限。
31. 权利要求27所述的方法，进一步包括生成气泡尺寸输出。
32. 权利要求27所述的方法，进一步包括如果所述气泡尺寸超过所述预定尺寸阈值， 则生成改变流动条件指示。
33. 权利要求27所述的方法，其中确定所述流动特性进一步包括仅在所述气泡尺寸超 过所述预定尺寸阈值时，才至少使用所述振动响应和所述气泡尺寸确定所述一个或多个流 动特性。
34. —种在振动流量计中校正流动物质中的夹带气体的方法，该方法包括 至少使用所述流动物质的振动测量结果确定所述流动物质中气泡的气泡尺寸； 通过振动流量管组件生成振动响应，并至少使用所述振动响应确定所述流动物质的一个或多个流动特性；以及如果所述气泡尺寸超过预定尺寸阈值，则生成警报，其中该警报指示所述一个或多个 流动特性已经超过预定测量容限。
35. 权利要求34所述的方法，其中确定所述气泡尺寸包括确定所述流动物质中基本上 最大的气泡的气泡尺寸。
36. 权利要求34所述的方法，其中确定所述气泡尺寸进一步包括确定所述流动物质中 超过预定尺寸阈值的气泡的气泡尺寸。
37. 权利要求34所述的方法，其中生成警报进一步包括生成气泡尺寸输出。
38. 权利要求34所述的方法，其中生成警报进一步包括如果所述气泡尺寸超过所述预 定尺寸阈值，则生成改变流动条件指示。
39. 权利要求34所述的方法，进一步包括至少使用所述振动响应和所述气泡尺寸确定 所述一个或多个流动特性。
40. 权利要求39所述的方法，其中确定所述一个或多个流动特性进一步包括仅在所述 气泡尺寸超过所述预定尺寸阈值时，才至少使用所述振动响应和所述气泡尺寸确定所述一 个或多个流动特性。
全文摘要
提供一种用于校正流动物质中的夹带气体的振动流量计(100)。振动流量计(100)包括流量计组件(10)，其被配置成生成流动物质的振动响应；气泡尺寸传感器(50)，其被配置成生成流动物质的气泡测量信号；以及仪表电子装置(20)，其被耦合到流量计组件(10)和气泡尺寸传感器(50)。仪表电子装置(20)被配置成接收振动响应和气泡测量信号，至少使用气泡测量信号确定流动物质中气泡的气泡尺寸，至少使用振动响应和气泡尺寸确定流动物质的一个或多个流动特性。
文档编号G01F1/74GK101715545SQ200780053110
公开日2010年5月26日 申请日期2007年5月25日 优先权日2007年5月25日
发明者J·魏因施泰因, M·J·贝尔 申请人:微动公司