专利名称：用于科里奥利流量计的诊断设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于科里奥利流量计的诊断设备和方法。
技术背景正如1985年1月1日颁发给J.E. SmMi等人的美国专利No.4，491，025和 1982年2月11日颁发给J.E. Smith的Re.31,450中所公开的，已知的是使用 科里奥利质量流量计来测量流过管道的物质的质量流量和其它信息。这些 流量计具有不同结构的一个或多个流管。每个导管结构可4皮看作具有一組 固有^展动模式，所述固有振动模式例如包括单纯弯曲、扭转、径向和耦合 的模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当物质流过导管时，以 一种或多种纟展动模式来激励导管结构，并且在沿所述导管隔开的点处测量 所述导管的运动。物质填充系统的4泉动模式由所述流管以及所述流管内的物质的组合质 量来部分地限定。物质从所述流量计的入口侧上连接的管道流入所述流量 计。然后，所述物质4皮引导穿过所述一个流管或多个流管，并且离开所述 流量计至在出口侧上连接的管道。驱动器向所述流管施加力。所述力使流管4展荡。当没有物质流过所述 流量计时，沿流管的所有点以相同的相位振荡。当物质开始流过所述流管 时，科里奥利加速度引起沿所述流管的各个点相对于沿所述流管的其它点 具有不同的相位。在所述流管的入口侧的相位滞后于所述驱动器，而在出 口侧的相位超前于所述驱动器。传感器被放置在所述流管上的不同点处以 产生正弦信号，所述正弦信号表示在不同点处所述流管的运动。计算在单位时间内从所述传感||#收到的信号的相位差。在所述传感器信号之间的相位差与流过所述一个流管或多个流管的物 质的质量流速成比例。所述物质的质量流速是通过将相位差乘以流量校准 因子来确定的。所述流量校准因子是由校准过程确定的。在所逸校准过程 中，已知的流体以给定的流速通过所述流管，并且计算出在相位差与所述 流速之间的比例。科里奥利流量计的一个比点是在振动的流管中没有活动部件。所述流 速是通过将流管上两点间的相位差与流量校准因子相乘来确定的。所述才目 位差是根据从所述传感器接收到的正弦信号来计算的，所述正弦信号指示 流管上的两点的才展荡。所述流量^t准因子与所述流管的材料和横截面特性 成比例。因此，所述相位差的测量和所述流量校准因子不受流量计中活动 部件的磨损的影响。然而，问题在于流管的材料挣l生、横截面挣法和硬度在科里奥利流量 计的工作期间可以改变。所述流管的材料特性、横截面挣l生和硬度的改变 可以由流过流管的物质对所述流管的侵蚀、腐蚀和涂敷、改变管道安装和 温度来《i起。所述流管的横截面特性改变的 一个例子是由所述流管的腐蚀 31起的转动惯量的改变。所述流管的材料和横截面特^生改变的第二个例子 是由流过所述管的物质对所述流管的涂敷引起的流管质量的增加和4黄截面 积的减少。所述流管的材料挣l生、橫截面挣l生和硬度的改变可以改变所述 流量计的流量和密度校准因子。如果所述流量计的流量校准因子发生了改 变，则使用原始流量校准因子所计算的流速是不准确的。因此> 在现有技 术中需要一种系统，其检测所述流管的材料挣l生、横截面特性和硬度的可 能的改变，所述改变指示由科里奥利流量计所测量的质量流速可能是不准 确的。发明内容通过提供一种系统来解决上述以及其它问题并实现现有技术的进步， 所述系统通过确定和比较包括质量流量和密度的各种参数来验证(validate) 科里奥利流量计的完整l生。例如，正如1997年11月11日Buttlei:等人的美国专利No.5,687,100所公开的，基于质量流量对频率的影响来确定质量流量 和密度。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式计算流量计的流速的方 法。所述使用多种模式计算流量计的流速的方法包括对于多个理想(desired) 才莫式才交准所述流量计。所述j吏用多种才莫式计算流量计的流速的方法包含确 定与各个模式相关的流过所述流量计的物质的密度。所述使用多种模式计算流量计的流速的方法进一步包含对于各个理想模式确定流速对密度的影 响。所述使用多种模式计算流量计的流速的方法进一步包含基于各个理想 模式的所述密度和流速对密度值的影响来计算流速。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所 述使用多种模式验证流量计的方法包括确定与各个理想模^i目关的流速。 所述使用多种模式验证流量计的方法包含比较所述流速以及响应于所述比 较来检测错误状态。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所 述使用多种模式验证流量计的方法包括确定与各个理想模式相关的物质的 密度。所述使用多种模式验证流量计的方法包含比较与各个模W目关的所 述密度值以及响应于所述比较来检测错误状态。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所 述使用多种模式验证流量计的方法包括对于多个理想模式校准所述流量 计。所述使用多种模式验证流量计的方法包含确定与各个模^f目关的流过 所述流量计的物质的密度。所述〗吏用多种模式验证流量计的方法进一步包 含对于各个理想模式确定流速对密度的影响。所述使用多种模式验i正流量计的方法进一步包含根据各个理想模式的所述密度和流速对密度值的影响 来计算各个理想模式的流速。所述使用多种模式验-i正流量计的方法进一步 包含比较所述流速以及响应于所述比较来检测错误状态。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的方法。所 述方法包括对于多个理想模式校准所述流量计。在校准后，对于各个理想 模式确定流速对密度的影响。知道了各个理想模式的流速对密度值的影响， 于是可以计算各个理想模式的流速补偿密度。然后对密度值进行比较，并且响应于所述比较来检测错误状态。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式确定物质流的温度的方 法。所述方法包括对于多个理想模式校准所述流量计以查明(ascertain)校 准常数。在校准后，对于各个理想模式计算管周期。使用各个模式的所述 校准常数和管周期，可以确定所述物质流的温度。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式计算流量计的流速的系 统。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括对于多个理想模式校 准所述流量计的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包含确 定与各个冲莫式相关的流过所述流量计的物质的密度的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统进一步包含对于各个理想模式确定流速对密 度的影响的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统进一步包含 基于各个理想模式的所述密度和流速对密度值的影响来计算流速的装置。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的系统。所 述使用多种模式- ^i正流量计的系统包括确定与各个理想模式相关的流速的 装置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括比较对于各个模式 所确定的流速的装置以及响应于比较与各个理想模式相关的密度值来检测 错误状态的装置。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式^i正流量计的系统。所 述使用多种模式验证流量计的系统包括确定与各个理想模^目关的物质流 的密度的装置。所述使用多种模式验证流量计的系统包含比较所述密度值 的装置。所述使用多种模式^i正流量计的系统进一步包含响应于比较的密 度值来检测错误状态的装置。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式l^正流量计的系统。所 述使用多种模式-5H正流量计的系统包括对于多个理想模式校准流量计的装 置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括确定与各个模式相关 的流过所述流量计的物质的密度的装置。所述使用多种模式验证流量计的 系统进一步包括对于各个理想模式确定流速对密度的影响的装置。所述使 用多种模式验证流量计的系统进一步包括对于各个理想模式计算流速的装 置。所述使用多种模式验证流量计的系统进一步包括比较所述流速的装置以及响应于所比较的流速值来检测错误状态的装置。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式验证流量计的系统。所述使用多种模式-^i正流量计的系统包括对于多个理想模式校准所述流量计 的装置。所述使用多种模式^i正流量计的系统包含确定各个理想模式的流 速对密度的影响的装置。所述使用多种模式-^i正流量计的系统进一步包括 对于各个理想模式计算流速补偿密度的装置。所述使用多种模式l封正流量 计的系统进一步包括比较所述密度值的装置以及响应于所比较的密度值来 检测賴-艮状态的装置。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式确定物质流的温度的系 统。所述^[吏用多种模式确定物质流的温度的系统包括对于多个理想模式才交 准所述流量计以查明校准常数的装置。所述使用多种模式确定物质流的温 度的系统包含对于各个理想模式确定管周期的装置。所述使用多种模式确 定物质流的温度的系统进一步包含使用各个模式的所述校准常数和管周期 来确定物质流温度的装置。
图l说明本发明例子中的科里奥利流量计；图2说明本发明例子中的马M正系统；图3说明本发明例子中的'!H正系统；图4说明本发明例子中用于确定流速的过程；图5说明本发明例子中的駘3正系统；图6说明本发明例子中的-^i正系统；以及图7说明本发明例子中用于温度的过程。具j本实施方式图1-7和下面的说明描述特定的例子以教导本领域熟练技术人员如何 实现和使用本发明的最佳方式。为了教导本发明原理的目的， 一些常规方 面已被简化或省略。本领域熟练技术人员将认识到处于本发明范围内的根 据这些例子的变化。为了简短起见，所述例子在下面使用两种模式来表达。应当理解可以使用多于两种的模式。本领域熟练技术人员#^人识到，在下 面描述的特征可以各种方式被组合以形成本发明的多种变化。因此，本发 明不限于下面所述的特定例子，而是仅仅由权利要求书及其等价物来限定。 图1示出 一个科里奥利流量计5,它包括计量组件10和计量电子装置20。计量组件10对处理物质的质量流速和密度进行响应。计量电子装置20 经导线100祐:连接至计量组件10以在通路26上提供密度、质量流速和温度 信息、以及与本发明不相关的其它信息。尽管对于本领域熟练技术人员来 说显而易见的是，本发明可被实施为振动管密度计而没有由科里奥利质量 流量计所4是供的附加测量性能，但还是描述了科里奥利流量计的结构。计量组件IO包括一对ol支管(manifold) 150和150'、具有法兰(flange) 颈110和110'的法兰103和103'、 一对平行流管130和130'、驱动机构 180、温度传感器190、以及一对速度传感器170L和170R。流管130和130' 具有两个基本上直的入口支管(leg)131和131'以及出口支管134和134', 它们在流管安装部件120和120'处彼AbN向会聚。流管130和130'在沿 其长度的两个对称位置处弯曲，并且在其整个长度上基本上是平行的。撑 杆140和140'用于限定轴W和W',每个流管围绕所述轴振荡。将流管130和130'的侧支管131 、 131'和134、 134'固定连4妾至流管 安装部件120和120',并且将这些部件再固定连接至歧管150和BO'。 这在科里奥利计量组件IO中提供连续的闭合物质通路。具有孔102和102'的法兰103和103'经由入口端104和出口端104' 被连接入生产线(processline)(未示出)时，所述生产线传送正被测量的 处理物质，通过法兰103的管口 101进入所述流量计的端104的物质被引导 穿过歧管150至具有表面121的流管安装部件120。在歧管150内，所述物 质^&分割并^皮传送穿过流管130和130'。 一旦离开流管130和130'，所 述处理物质在jt支管150'内就^皮重新组合为单流，并且此后被传送离开端 104',所述端104'由具有螺栓孔102'的法兰103'连接至生产线(未示 出)。流管130和130'被选择并被适当安装到流管安装部件120和120'上， 以便围绕弯曲轴W-W和W' -W'分别具有基本上相同的质量分布、转动惯量和杨氏模量。这些弯曲轴经过撑^f M0和140'。因为所述流管的杨氏 模量随温度而变化，并且这种变化影响流量和密度的计算，所以将电阻温 度检测器(RTD) 190安装到流管130'上以连续测量所述流管的温度。所 述流管的温度以及因》b^"于通过其的给定流的出现在RTD上电压由通过所 述流管的物质的温度来决定。在众所周知的方法中，计量电子装置20使用 出gUtRTD上的温度相关的电压来补偿由流管温度的任何变化引起的流管 130和130'的弹性模量的变化。所述RTD由导线195连接至计量电子装置 20。流管130和130'围绕它们各自弯曲轴W和W'在相反方向上以及以 被称为所述流量计的第一异相弯曲模式来由驱动器180驱动。这种驱动机构 180可以包括许多众所周知的装置中的任何一种，例如安装到流管130'上 的磁铁和安装到流管130上的相对线圈，并且通过所述线圈，交流电被传送 以用于一展动这两个流管。计量电子装置20经导线185将合适的驱动信号施 加纟会驱动纟几构180。计量电子装置20接收导线195上的RTD温度信号、以及分别出现在 导线165L和165R上的左和右速度信号。计量电子装置20产生在导线185 上出现的驱动信号，以驱动部件180并使管130和130'振动。计量电子装 置20处理左和右速度信号以及RTD信号，以计算通过计量组件IO的物质 的质量流速和密度。这^M言息连同其它信息一起由计量电子装置20经通路 26 ^>给应用装置29。科里奥利流量计5以其谐振频率进行振动，以便使流量计5能够测量 质量和密度。质量测量是基于以下公式<formula>formula see original document page 9</formula> (1)其中附；C^"量流速；FCF是流量校准因子；At是时间延迟；以及厶t^是在零流量处的时间延迟。FCF项与所述流量计的硬度成比例。硬度是影响所述流量计性能的主要参数。换言之，如果所述流量计的;更度改变，则所述流量计的FCF将改变。所述流量计性能的改变可由腐蚀、侵蚀和涂敷引起。为了反映所述石更度，公式(1)可^皮重写为<formula>formula see original document page 10</formula>其中G是与具体传感器相关的几何常数； E^l杨氏4莫量；以及 I是转动惯量。当所述流量计的流管改变时，面积(area)转动惯量I改变。例如，如 果所述管腐蚀减少壁厚，则所述面积转动惯量I被降低。图2示出用于检测和区分流量计结构的变化与指示的流速的变化的过 程200。过程200以根据下面的公式在步骤210和220中使用多种模式确定 质量流速w开始<formula>formula see original document page 10</formula>当由流动噪声或受迫振动激励多种模式时，所述模式的振动将与通过 所述流管的质量流量相耦合，从而对于各个模式引起科里奥利响应。所述 科里奥利响应产生相关的At，所iiAt被用于计算各个模式的质量流量读 数。步骤230比较各个模式的质量流量读数。所得的质量流速对于各个才莫 式必须^:相同的。如果所述质量流量读数是相等的，则步骤250产生"正确 操作"信号，并且该过程在步骤210重新开始。所述"正确操作"信号可以是以用户可见的或可听到的信号的形式。当在所述质量流速间发生了在容许极限外的偏差时，则在步骤240中 产生出错信号。在步骤240中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例如， 所述出错信号可使该过程被停止，或者可以发出警告操作者的可见的或可 听到的信号，该搡作者然后采耳^it当的动作。科里奥利流量计5的密度测量是基于下面的公式(4)其中k是组件的硬度； m是组件的质量； f是才展荡的频率；以及T ^L4展荡的周期。公式(4)是用于单自由度系统的运动方程的解。科里奥利流量计在零 流量处由公式(4)的扩展来表示，从而得到iJZ^Z (5)其中E是杨氏模量； I是》黄截面的转动惯量； Ge是几何常数； A是橫截面积； e是密度；f表示流量计中的流体；以及 t表示所述流管的材料。通过重新安排各项，公式(5)可^皮重写为<formula>formula see original document page 12</formula> (6)其中:<formula>formula see original document page 12</formula> (7)几何常数Ge说明诸如管长度和形状之类的几何参数。作为在零流量 处对两种不同流体的标准校准过程的一部分，确定常数C,和C2。图3示出用于检测和区分流量计结构的变化与指示密度的变化的过程 300。过程300以在步骤310和320中使用多种模式确定密度e开始。由流动噪声或受迫振动可激励多种模式。步骤330比较各个模式的密度读数。所得的密度读数对于各个模式必 须是相同的。如果所述密度读数是相等的，则步骤350产生"正确操作"信 号，并且该过程在步骤310重新开始。所述"正确操作"信号可以是以用户 可见的或可听到的信号的形式。当在所述密度读数间发生了在容许极限外的偏差时，则在步骤340中 产生出错信号。在步骤340中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例如， 所述出错信号可使该过程^皮停止，或者发出警告操作者的可见的或可听到 的信号，该操作者然后采耳^it当的动作。除了在公式(1)中描述的用于确定质量流量的方法以外，密度还可被 用于计算质量流量。如在Buttler等人1997年11月11日的美国专利No. 5，687，100中更充分描述的，二阶流量对密度项的影响^皮添加至公式(6), 从而产生<formula>formula see original document page 12</formula> (9)其中/wA^量流速；以及fd是流量对密度常数的影响。所述fd项对于给定振型(mode shape)的所有流速以及所有密度是常 数，然而，所述fd项对于各个振型和管几何尺寸是不同的。当以多种模式驱动流量计5或者测量多种模式时，可以导出多个公式 和多个未知量。例如，在以两种模式驱动流量计5的情况下，密度公式被 写为如下<formula>formula see original document page 13</formula>其中a是第一一展型； b是第二振型；Cj /一C^是e a，即使用模式a的真实密度；clbT b2—C2b是e b，即使用模式b的真实密度；e fe是对于流量对密度测量的影响所;fe正的真实密度；以及e fc是对于流量对密度测量的影响所校正的真实密度。公式(10)和(11)是在零流量处使用两种模式对流量影响所校正的两个独立的密度读数。由于e &和9 fb是相等的，所以公式(io)和(ii)可被組合以形成<formula>formula see original document page 13</formula>对于单流通^各，m^二mb,从而导致质量流量的解为如下(13)7"图4示出用于基于密度来确定质量流量的过程400。过程400以在步骤 410中使用模式"a"和"b"校准流量计5开始。使用两种不同的流体密度 也就是空气和水，所述校准过程确定常数C^、 (^、 C化和C2b。步骤420冲艮据上面的公式(6)确定密度值e a和e b。步骤430比较e a 和e b以确定所述密度〗直是否一致。如果密度值不一致，则必须再次在步骤 410中执行校准。如果密度值一致，则步骤440和450确定用于模式"a"和 "b"的相关的FD值。 一旦FD值被确定，则在步骤460中使用公式(13) 计算质量流量。上面确定的";值还可被用于确定在所述流量计中何时发生改变。图5 示出用于检测和区分流量计结构的变化与指示的流速的变化的过程500。过 程500以在步骤510中从图4的步骤460确定质量流速《开始。步骤520根据公式(1)计算常规质量流速m;，并且在步骤530中比 较m;和 。如果所述质量流量读数是相等的，则步骤550产生"正确操 作"信号，并且该过禾1^步骤510重新开始。所述"正确操作"信号可以是 以用户可见的或可听到的信号的形式。当在所述质量流量读数间发生了在容许极限外的偏差时，则在步骤540 中产生出错信号。在步骤540中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例 如，所述出错信号可使该过程被停止，或者发出警告操作者的可见的或可 听到的信号，该操作者然后^f5Lii当的动作。上面确定的e &和e fb值还可被用于确定在所述流量计中何时发生改 变。图6示出用于检测和区分流量计结构的变化与对于流速影响所校正的指示密度的变化的过程600。过程600以在步骤610中使用模式"a"和"b"校准流量计5开始。 使用两种不同的流体密度也就是空气和水，所述校准过程确定常数C^、 Q、 C化和C2b。应该理解，可以使用多种模式，并JL^这个例子中使用两种模式 仅仅是为了说明的目的。步骤620确定模式"a"和"b"的相关的FD值， 一旦所述FD值^皮确 定，则在步骤630中使用公式(10)和(11)计算Qfa和9 fc。步骤640比较密度读数Q &和〇fb。密度读数对于各个模式必须是相同 的。如果所述密度读数是相等的，则步骤660产生"正确操作"信号，并且 该过程在步骤620重新开始。所述"正确搡作"信号可以是以用户可见的或 可听到的信号的形式。当在所述密度读数间发生了在容许极限夕卜的偏差时，则在步骤650中 产生出错信号。在步骤650中所产生的出错信号可引起各种动作发生。例如， 所述出错信号可使该过程被停止，或者发出警告操作者的可见的或可听到 的信号，该操作者然后采^it当的动作。多模式密度确定还可被用于查明物质流的温度。作为温度的函数的密 度根据下式进行表示<formula>formula see original document page 15</formula> (14)其中9 n是使用模式n的温度补偿密度； Cln是使用模式n的第一常数； C2n是使用模式n的第二常数； t是管周期；以及 T是物质流的温度。使用多种模式，使用公式(14)可以查明物质流的温度。例如，使用 两种工作模式，公式(14)可被表示为两个7>式<formula>formula see original document page 15</formula>(15)<formula>formula see original document page 15</formula> (16)由于G ，和e 2是相等的，所以公式(15)和(16)被写为i-o.ooo4r)= c 广c" 2 (17)Cu72 - Cur2对T求解得到r1 —c11 (is)0扁4图7示出基于多冲莫式密度确定来查明物质流温度的过程700。过程700 以在步骤710中使用模式"1"和"2"校准流量计5开始。使用两种不同 的流体密度也就是空气和水，所述校准过程确定常数C11 、 C21 、 C12和C22。步骤720根据上面的公式(15)和(16)确定密;K直e 1和e 2。步骤 730比较e 1和e 2以确定所述密度值是否一致。如果密度值不一致，则必 须再次在步骤710执行校准。如果密度值一致，则步骤740确定模式"1" 和"2"的相关的管周期值。 一旦管周期值4皮确定，则在步骤750使用公式 (18)计算温度。
权利要求
1.一种使用多种模式计算物质流的温度的方法，包括下列步骤对于各个理想模式校准所述流量计以确定校准常数；对于各个理想模式确定管周期；以及使用各个理想模式的所述校准常数和管周期来计算所述物质流的温度。
2. —种使用多种模式计算物质流的温度的系统，包括 对于各个理想模式校准所述流量计以确定校准常数的装置； 确定与各个理想模式相关的管周期的装置；以及使用各个理想模式的所述校准常数和管周期来计算所述物质流的温 度的装置。
全文摘要
本发明涉及用于科里奥利流量计的诊断设备和方法。依据本发明的实施例，提供一种使用多种模式计算流量计的流速的系统。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括对于多个理想模式校准所述流量计的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括确定与各个理想模式相关的流过所述流量计的物质的密度的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统进一步包括对于各个理想模式确定流速对密度的影响的装置。所述使用多种模式计算流量计的流速的系统包括基于各个理想模式的密度和流速对密度值的影响来计算流速的装置。
文档编号G01F1/84GK101334305SQ200810099349
公开日2008年12月31日 申请日期2003年9月29日 优先权日2003年9月29日
发明者A·T·帕滕, C·P·斯塔克, G·R·杜菲尔, M·A·布特勒 申请人:微动公司