极高频振动流量计的制作方法

专利名称：极高频振动流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动流量计，并且更具体地涉及一种极高频振动流量计。
背景技术：
振动流量计例如科里奥利质量流量计和振动密度计通常通过检测含有流动或不 流动流体的振动导管的动作来进行工作。与导管内的材料有关的性质例如质量流量、密 度等可以通过处理接收自与导管相连的动作变送器的测量信号来确定。振动材料填充系 统的振动模式通常要受到所包含导管以及其中包含材料的总质量、硬度和阻尼特性的影 响。典型的振动流量计包括在管路或其他传输系统中内联连接并在系统中输送材料 例如流体、悬浊液等的一条或多条导管。导管可以被视为具有一套固有振动模式，例如 包括简单的弯曲、扭转、径向和耦合模式。在典型的测量应用中，随着材料流过导管， 导管被以一种或多种振动模式激励，并在沿导管间隔开的位置测量导管的动作。激励通 常由致动器提供，例如机电设备譬如以周期性方式摄动导管的音圈型驱动器。流体密度 可以通过确定流动流体的共振频率获得。质量流量可以通过测量变送器位置处的动作之 间的延时或相位差而确定。通常使用两个这样的变送器(或敏感元件传感器)，目的是 为了测量一条或多条流量管的振动响应，并且通常都将其设置在致动器上游和下游的位 置。两个敏感元件传感器被通过线缆例如两对独立的导线连接至电子设备。设备从两个 敏感元件传感器接收信号并处理信号，目的是为了得出质量流量的测量值。流量计被用于对多种流体流动进行质量流量和/或密度测量并对单相流提供高 精度。使用振动流量计的一个领域是测量油井和气井的输出。这种井的产品可能是由 多相流构成，包括液体而且也包括能够在流动的流体中夹带的气体和/或固体。因此油 田中流动的流体可以包括例如油、水、空气或其他气体、和/或砂粒或其他土壤颗粒。 但是，在振动流量计被用于测量包含有夹带的气体和/或固体的流动流体时，流量计的 精度可能会大大下降。即使是对于这样的多相流，也非常希望得到的测量结果尽可能准 确。多相流流体可以包括夹带的气体，特别是多泡气流。多相流可以包括夹带的固 体或夹带的固体颗粒、混合物例如混凝土等。而且，多相流可以包括例如不同密度的液 体，譬如水和石油组分。各相可以具有不同的密度、粘度或其他性质。在多相流中，流量管的振动不一定会使夹带的气体/固体完全与流动的流体同 相移动。这种振动异常被称作分离或滑流。例如气泡可以变得从流动的流体中分离， 影响振动响应以及所有相应得出的流动特性。小气泡通常会在流量计振动时随着流动的 流体一起移动。但是，较大的气泡在流量管振动期间则不会随着流动的流体一起移动。 相反，这些气泡可以从流动的流体中分离并且能够独立移动，其中夹带的气泡在每一次 振动动作期间都比流动的流体移动得更远和更快。这会给流量计的振动响应带来不利影 响。对于流动的流体内夹带的固体颗粒来说同样如此，其中随着颗粒尺寸或振动频率的增加，固体颗粒从流动流体的动作中分离出来的可能性也会越来越大。甚至在多相流包 括不同密度和/或粘度的液体时也会发生分离。已经发现分离作用会受到各种因素的影 响，例如流动流体的粘度以及例如流动流体和异物之间的密度差异。除了由气泡和颗粒的相对移动造成的问题以外，科里奥利流量计还可能会遇到 由于声速(SOS)或可压缩性在测量流体中声速较低或流量计振动频率较高时的影响而导 致的精度降低。液体与气体相比具有较高的声速，但是最低速度则来自两者的混合物。 即使是液体中夹带少量气体也会导致混合物中的声速明显降低，低于在其中任何一相中 的声速。流量管的振动产生以流量计的驱动频率沿横向振动的声波。在流体中的声速较 高时，例如在单相流中，用于穿过圆形导管的横向声波的第一声模处于远远高于驱动频 率的频率之下。但是，在声速由于液体中加入了气体而下降时，声模的频率也会下降。 在声模和驱动模式的频率接近时，就会由于驱动模式对声模的偏共振激励而导致流量计 的误差。对于低频流量计和典型的过程压力来说，声速的影响在多相流中是存在的，但 是通常相对于流量计的具体精度来说是可以忽略的。但是，对于在低压下用多泡流体工 作的高频科里奥利流量计来说，声速可能就会低到足以由于驱动模式和流体振动模式之 间的相互作用而造成明显的测量误差。气泡的尺寸可以改变，这取决于存在的气体量、流动流体的压力、温度和气体 混入流动流体中的混合度。性能降低的程度不仅与总共存在多少气体有关，而且与流动 中个体气泡的尺寸有关。气泡的尺寸会影响测量的精度。较大的气泡会占据更多的体积 并且更大程度地分离，导致流动流体测量密度的波动。由于气体的可压缩性，气泡可能 会改变气体总量和质量，但是不一定会改变尺寸。相反，如果压力改变，气泡尺寸可能 会相应地改变，随着压力下降而膨胀或者随着压力升高而收缩。这也可能导致流量计固 有频率或共振频率的变化。现有技术中的振动流量计通常被设计用于大约100到300赫兹(Hz)的工作频 率，其中某些流量计在500到1000Hz之间的频率下工作。某些现有技术中的流量计被设 计用于在更高的频率下工作。现有技术中振动流量计工作频率的选择通常是为了有助于 流量计的设计、生产和工作。例如，现有技术中的振动流量计或科里奥利流量计被设置 为物理上紧凑并且尺寸基本一致。例如，现有技术中流量计的高度通常小于长度，给出 较低的高度-长度的纵横比(H/L)和对应的高驱动频率。流量计用户倾向于较小的总体 尺寸以使安装得以简化。而且，流量计的设计通常都假定均勻、单相的流体流动并且被 设计为与这样均勻流动的流体一起工作时效果最优。直管式流量计具有的高度-长度的纵横比为零，这通常会产生高驱动频率。弓 形的流量管经常被用于避免使长度成为最大尺寸并且可以提高高度_长度的纵横比(H/ L)。现有技术中弯曲或弓形导管的流量计可以具有例如约1.3的高度_长度纵横比。本领域中对于能够准确和可靠地测量多相流流体的振动流量计仍然存在需求。

发明内容
在本发明的一种应用中，一种极高频振动流量计，包括
包含一根或多根流量管的流量计组件，其中流量计组件被设置成产生极高频响 应，极高频响应高于与异物材料尺寸或异物材料成分无关的用于流动流体的预定最高分 离频率；和计量电子设备，被连接至流量计组件并且被设置成接收极高频振动响应以及由 此生成一个或多个流量测量值。优选地，计量电子设备被设置为使得在极高频下用于夹带气体的分离比(Ap/Af) 大约为3 1。优选地，计量电子设备被设置为使得在极高频下用于夹带固体的分离比(Ap/Af) 的值大约等于3/(1+(2* Pp/Pf))。优选地，计量电子设备被设置为使得在极高频下相对于流动流体的颗粒运动来 说粘度实际上为零。优选地，极高频是大约1500赫兹(Hz)以上。优选地，极高频振动响应对应小于约0.1的反斯托克斯数(δ )。优选地，极高频是大约2000赫兹(Hz)以上。优选地，一根或多根流量管被设置为通过配置流量管硬度、流量管长度、流量 管纵横比、流量管材料、流量管厚度、流量管形状、流量管几何构造或者一个或多个振 动节点位置中的一项或多项来实现极高频。优选地，极高频振动流量计被设置成在第一弯曲模式下工作。优选地，极高频振动流量计被设置成在更高的弯曲模式频率下工作。在本发明的一种应用中，一种操作极高频振动流量计的方法包括以极高频振动极高频振动流量计中的一根或多根流量管，其中极高频高于与异 物材料尺寸或异物材料成分无关的用于流动流体的预定最高分离频率；接收极高频振动响应；和根据极高频振动响应生成一个或多个流量测量值。优选地，极高频振动流量计被设置为使得在极高频下用于夹带气体的分离比 (Ap/Af)大约为 3 1。优选地，极高频振动流量计被设置为使得在极高频下用于夹带固体的分离比 (Ap/Af)的值大约等于 3/ (1+ (2* P p/ P f))。优选地，极高频振动流量计被设置为使得在极高频下相对于流动流体的颗粒运 动来说粘度实际上为零。优选地，极高频是大约1500赫兹(Hz)以上。优选地，极高频振动响应对应小于约0.1的反斯托克斯数(δ )。优选地，极高频是大约2000赫兹(Hz)以上。优选地，极高频振动流量计中的一根或多根流量管被设置为通过配置流量管硬 度、流量管长度、流量管纵横比、流量管材料、流量管厚度、流量管形状、流量管几何 构造或者一个或多个振动节点位置中的一项或多项来实现极高频。优选地，极高频振动流量计被设置成在第一弯曲模式下工作。优选地，极高频振动流量计被设置成在更高的弯曲模式频率下工作。在本发明的一种应用中，一种成形极高频振动流量计的方法包括
至少根据预期的流动流体来确定用于振动流量计的预定极高频，其中极高频高 于与异物材料尺寸或异物材料成分无关的用于流动流体的预定最高分离频率；将极高频振动流量计设置为在极高频下工作；和构建极高频振动流量计。优选地，计量电子设备被设置为使得在极高频下用于夹带气体的分离比(Ap/Af) 大约为3 1。优选地，计量电子设备被设置为使得在极高频下用于夹带固体的分离比(Ap/Af) 的值大约等于3/(1+(2* Pp/Pf))。优选地，计量电子设备被设置为使得在极高频下相对于流动流体的颗粒运动来 说粘度实际上为零。优选地，极高频是大约1500赫兹(Hz)以上。优选地，极高频振动响应对应小于约0.1的反斯托克斯数(δ )。优选地，极高频是大约2000赫兹(Hz)以上。优选地，一根或多根流量管被设置为通过配置流量管硬度、流量管长度、流量 管纵横比、流量管材料、流量管厚度、流量管形状、流量管几何构造或者一个或多个振 动节点位置中的一项或多项来实现极高频。优选地，极高频振动流量计被设置成在第一弯曲模式下工作。优选地，极高频振动流量计被设置成在更高的弯曲模式频率下工作。


在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。应该理解附图不一定是按比 例的。图1示出了根据本发明的极高频振动流量计。图2是示出了来自高准Ε200型科里奥利流量计的极低频模式和极高频模式的总 密度误差仿真结果的曲线图。图3示出了根据本发明实施例的极高频振动流量计。图4是根据本发明实施例操作极高频振动流量计的方法的流程图。
具体实施例方式图1-4和以下的说明内容介绍了具体示例用于教导本领域技术人员如何实现并 使用本发明的最佳模式。为了教导本发明的原理，一些常规的内容已被简化或省略。本 领域技术人员可以从这些示例中领会出落入本发明保护范围内的各种变形。本领域技术 人员应该理解以下介绍的特征可以用各种方式加以组合以形成本发明的多种变形。因 此，本发明并不局限于以下介绍的具体示例，而只能由权利要求及其等价形式确定。图1示出了根据本发明的极高频振动流量计5。在一个实施例中，极高频振动流 量计5由科里奥利流量计构成。在另一个实施例中，极高频振动流量计5由振动密度计 构成。极高频振动流量计5被设计用于测量流动流体的流体特征，包括测量流动或稳 流的流体。极高频振动流量计5被进一步设计用于在流动流体包括多相时准确且可靠地测量流动流体。多相流的流体在某些实施例中可以包括夹带的气体，其中夹带的气体可 以由气泡流构成。夹带的气体可以包括空气气泡或各种尺寸的气泡。夹带的气体在现 有技术中的振动流量计内是会造成问题的。夹带的气体，特别是中等尺寸到大尺寸的气 泡，可以独立于流动流体而移动并且造成测量误差或者不确定性。另外，由于气体的可 压缩性会随着流动流体的工作压力而变化，因此夹带的气体可能会造成测量值不断变化 的效果。多相流的流体在某些实施例中可以包括夹带的固体，其中夹带的固体可以由悬 浊液构成。一个示例包括石油流体中的砂粒或土粒。夹带的固体可以独立于流动流体而 移动并造成测量误差和/或不确定性。另一个示例是混凝土。也可以想到其他的悬浊液 或乳浊液并且也都落在说明书和权利要求的范围以内。在某些实施例中，多相流可以包括不同的液体例如不能被混合在一起的不相溶 液体。例如，流动流体可以包括水和油。由于流体的流动组分具有不同的密度，因此流 体的流动组分在流量计振动期间可能会经历一定的分离。异物可能不如流动流体稠密。 异物也可能比流动流体更加稠密。在工作时，极高频振动流量计5以极高频振动。极高频可以包括第一弯曲模式 的振动。可选地，极高频可以包括第二、第三或更高弯曲模式的振动。但是，也可以想 到其他的振动例如偏共振式的振动并且也都落在说明书和权利要求的范围以内。由此， 极高频振动流量计5产生极高频的振动响应。处理极高频的振动响应，目的是为了确定 响应频率和响应振幅之一或全部。极高的响应频率可以被用于确定一种或多种流动流体 特性，包括质量流量、密度、粘度等。以下进一步介绍流量计5的极高频率性质。流量计5包括流量计组件10和计量电子设备20。计量电子设备20被通过引线 100连接至流量计组件10并且被设置成在通信路径26上提供密度、质量流量、体积流 量、总质量流量、温度以及其他信息中的一种或多种的测量值。对于本领域技术人员来 说应该显而易见的是本发明可以与驱动器、敏感元件传感器、流量管或振动工作模式的 数量无关地被用于任意类型的振动流量计中。应该意识到流量计5可以包括振动密度计 和/或科里奥利质量流量计。流量计组件10包括一对法兰101和101'、歧管102和102'、驱动器104、敏 感元件105和105 ‘以及流量管103A和103B。驱动器104以及敏感元件105和105被 连接至流量管103A和103B。在一个实施例中，流量管103A和103B如图所示由基本为U形的流量管构成。 可选地，在其他实施例中，流量管可以基本上由直流量管构成。但是，也可以使用其他 的形状，并且也落在说明书和权利要求的范围以内。法兰101和101'被固定至歧管102和102'。歧管102和102'可以被固定至 套管106的相对两端。套管106保持歧管102和102'之间的间距，目的是为了阻止流量 管103A和103B中不必要的振动。在流量计组件10被插入装有待测量流动流体的导管系 统(未示出)内时，流动流体通过法兰101进入流量计组件10，流动经过入口歧管102， 在此引导全部的流动流体量进入流量管103A和103B，流动通过流量管103A和103B并 返回到出口歧管102'内，在此通过法兰101'离开流量计组件10。流量管103A和103B被选择和适当地安装至入口歧管102和出口歧管102'以分别围绕弯曲轴W-W和W' -W'具有基本相同的质量分布、转动惯量和弹性模量。流量 管103A和103B以基本平行的方式从歧管102和102'向外伸出。流量管103A和103B由驱动器104沿相反方向围绕各自的弯曲轴W和W'并且 以所谓的流量计5的第一异相弯曲模式驱动。但是，如果需要的话，流量管103A和103B 也可以可选地以第二弯曲模式或更高的弯曲模式振动。驱动器104可以包括多种公知装 置中的一种，例如安装至流量管103A的磁铁和相对的安装至流量管103B的线圈。交流 电流过相对的线圈以促使两根导管都振动。由计量电子设备20通过引线110将合适的驱 动信号加至驱动器104。计量电子设备20分别在引线111和111'上接收传感器信号。计量电子设备20 在引线110上生成促使驱动器104振动流量管103A和103B的驱动信号。计量电子设备 20处理来自敏感元件传感器105和105'的左侧和右侧速度信号，目的是为了算出质量 流量。通信路径26提供允许计量电子设备20与操作人员或其他电子系统交互的输入和 输出。图1中提供的说明仅仅是作为振动流量计的工作示例而不是为了限制本发明的教 导。图2是示出了来自高准E200型科里奥利流量计的极低频模式和极高频模式的 总密度误差仿真结果的曲线图。能够看出在极小的颗粒尺寸下，任何分离都是可以忽略 的，例如在分离比(Ap/Af)大约为一时并且密度误差相应地并不明显。在这种小颗粒的 情况下，声速(SOS)/可压缩性的效果占据主导地位。因此，高频模式会有正误差而低 频模式则根本没有多少误差。但是，在气泡变大到直径大于几个十分之一毫米时，分离效果开始超过SOS/可 压缩性效果而占据主导低位并且误差变为负。要注意的是随着颗粒尺寸增加，观测误差 将会渐近地收敛于无粘性的模型结果，也就是大约为3 1的分离比(Ap/Af)。这种渐近 在振动频率较高时就会在气泡尺寸方面较早地发生。因此，如果以足够高地频率振动流 量计，那么公式(14)就可以应用(参见下文)。公式(14)与气泡尺寸和流动流体的粘度 无关。图3示出了根据本发明实施例的极高频振动流量计5。如前所述，极高频可以基 于一根或多根流量管103A，103B的有效长度以及流量计5的几何构造。在某些实施例 中，有效长度可以通过流量管的几何构造进行控制。另外，可以通过一个或多个平衡配 重来进一步影响驱动频率，一个或多个平衡配重可选地可以根据需要被固定至一根或多 根流量管103A，103B。在附图中，流量计5具有与相对较小的高度H成比例的较大的长度L。极高频 振动流量计5因此具有较低的高度_长度的纵横比(H/L)。例如，高度-长度的纵横比 (H/L)可以小于或者远远小于一。因此，根据本发明的极高频振动流量计5相对较小并 且由此可以轻易地适用于绝大多数的测量应用。在某些实施例中，极高频包括高于1500Hz的振动频率。在某些实施例中，极 高频包括高于2000Hz的振动频率。在某些实施例中，极高频包括高于3000Hz的振动频 率。但是，应该理解振动频率也可以是高于这些阈值的任意频率，原因在于所需的极高 频最终取决于多种因素，例如包括流动流体的成分以及夹带的异物材料的性质。图4是根据本发明的极高频振动流量计的操作方法的流程图。在步骤401，以极高频振动流量计。极高频可以包括对于夹带气体实现了大约为3 1的分离比(Ap/Af)的 频率。极高频可以包括对于夹带固体实现了大约为0 1的分离比(Ap/Af)的频率。极 高频可以包括对于流动流体实现了大约为零的有效粘度的频率。极高频可以包括的频率 中极高频高于与异物材料尺寸或异物材料成分无关的预定最高分离频率。极高频可以包 括的频率中极高频高于与异物材料尺寸或异物材料成分无关的预定最高的SOS/可压缩性 阈值。极高频可以包括高于约1500赫兹(Hz)的振动频率。极高频包括高于约2000赫 兹(Hz)的振动频率。如前所述，极高频振动流量计中的一根或多根流量管被设置为通过配置流量管 硬度、流量管长度、流量管纵横比、流量管材料、流量管厚度、流量管形状、流量管几 何构造或者一个或多个振动节点位置中的一项或多项来实现极高频。极高频振动流量计可以被设置成在第一弯曲模式下工作。极高频振动流量计 被设置成在一种或多种弯曲模式下例如在第二或第三弯曲模式或者更高的弯曲模式下工 作。在步骤402，接收流量计组件的振动响应。振动响应可以被用于确定最终的频率 和振幅，包括能够构成用于流动流体的共振频率或偏共振频率的频率。在步骤403，可以根据极高频振动响应生成一个或多个流量测量值。一个或多个 流量测量值可以包括质量流量。一个或多个流量测量值可以包括密度。可以使用关于分 离比和流体粘度的假定值来确定通过极高频实现的密度测量。也可以想到其他的流量测 量值并且也落在说明书和权利要求的范围以内。驱动频率是以此来振动一根或多根流量管103A，103B的频率，目的是为了测 量流动流体的流动特性。驱动频率例如可以被选择为流动流体的共振频率，或者可以包 括一个或多个共振频率谐波、更高的弯曲模式频率或者甚至是偏共振频率。因此，驱动 频率可以不同于从流量计组件10接收的振动响应频率并且可以根据流动流体的组成而变 化。另外，驱动频率会受到流量计硬度特性的影响。随着硬度特性增加，驱动频率也会 增加。因此，增加流量管的硬度即可得到更高的流量管共振频率并因此得到更高的流量 计频率。如下所述，可以用多种方式来增加流量管的硬度。可以通过以第一弯曲模式振动流量计组件10来实现极高振动频率。第一弯曲模 式包括流量计组件10的共振频率，其中流量管的长度沿单个方向延伸。可选地，极高频 振动频率可以包括以第二弯曲模式振动流量计组件10。在第二弯曲模式下，在围绕振动 导管部分中心的流量管上存在有附加的振动节点。该振动节点两侧的导管部分沿相反方 向移动。在某些实施例中，极高频振动流量计5可以由于流量计的设计而在极高频下工 作。在某些实施例中，极高频振动流量计5可以由于驱动信号的设置而在极高频下工 作。多相流流体的后果在于在这样的多相流阶段期间会影响和妨碍准确的流体测 量。即使是在中等到微量的多相流条件下也会存在多相流效应。多相流流体的性质可以 表现为可压缩性/声速(SOS)效应以及多相流流体各组分之间的分离效应。通过正确选 择振动频率和振幅即可控制或消除这两种效应。多相流流体可以包括夹带的气体，特别是多泡的气流。多相流可以包括夹带的固体或夹带的固体颗粒、混合物例如混凝土、悬浊液等。而且，多相流可以包括不同密 度的液体，例如水和石油组分。各相可以具有不同的质量、密度和/或粘度。在多相流中，流量管的振动不一定会使夹带的气体/固体完全与流动的流体同 相移动。这种振动异常被称作分离或滑流。例如气泡可以变得从流动的流体中分离， 影响振动响应以及所有相应得出的流动特性。小气泡通常会在流量计振动时随着流动的 流体一起移动。但是，较大的气泡在流量管振动期间则不会随着流动的流体一起移动。 相反，这些气泡可以从流动的流体中分离并且能够独立移动，其中夹带的气泡在每一次 振动动作期间都比流动的流体移动得更远和更快。这会给流量计的振动响应带来不利影 响。对于流动的流体内夹带的固体颗粒来说同样如此，其中随着振动频率的增加，固体 颗粒从流动流体的动作中分离出来的可能性也会越来越大。甚至在多相流包括不同密度 和/或粘度的液体时也会发生分离。已经发现分离作用会受到各种因素的影响，例如流 动流体的粘度以及例如流动流体和异物之间的密度差异。气泡的尺寸可以改变，这取决于存在的气体量、流动流体的压力、温度和气体 混入流动流体中的混合度以及其他的流动性质。性能降低的程度不仅与总共存在多少气 体有关，而且与流动中个体气泡的尺寸有关。气泡的尺寸会影响测量的精度。较大的气 泡会占据更多的体积，导致流动流体的密度和测量密度的波动。由于气体的可压缩性， 气泡可能会改变质量，但是不一定会改变尺寸。相反，如果压力改变，气泡尺寸可能会 相应地改变，随着压力下降而膨胀或者随着压力升高而收缩。这也可能导致流量计的性 质或共振频率的变化。在振动的导管中，振动导管的加速度促使气泡移动。导管加速度有振动频率和 振动振幅决定。在夹带气体的情况下，气泡沿着与导管加速度相同的方向加速。气泡比 流量管移动得更快且更远并且更快的气泡移动以及造成的流体位移促使部分流体移动得 比流量管更慢，导致流体混合物重心远离振动管路中心的净迁移。这就是分离问题的基 础所在。因此流量和密度特性在存在夹带气体时会被低估(负的流量和密度误差)。悬浊液存在类似的问题。但是，在悬浊液的情况下，固体颗粒经常比液体组分 更重。在振动管路加速度的作用下，较重的颗粒比液体移动得更少。但是因为重颗粒移 动得较少，所以流体混合物的重心就会从导管的中心略向后移。这同样会导致负的流量 和密度误差。在气-液、固-液和液-液的情况下，夹带相的差动由夹带相和液体组分之间的 密度差异驱动。如果忽略气体的可压缩性，那么可以使用相同的公式来描述所有三种情 况的行为。因为有多种因素来确定气泡相对于流体移动了多少，所以难于对流体分离进行 补偿。流体粘度是一个显而易见的因素。在非常粘稠的流体中，气泡(或颗粒)在流体 中被有效地冻结固定并且只会造成很小的流量误差。在极低的振动频率下，流动流体可 以当作非常粘稠的流体，也就是说粘度就好像是无限的。在极高的振动频率下，流动流 体可以当作无粘性流体，也就是说粘度就好像接近于零。粘度是通过剪应力或拉伸应力而变形的流体中的阻力量度。通常，它是液体流 动的阻力，流体厚度的量化。粘度可以被认为是流体摩擦的量度。所有的真实流体都对 应力具有一定的阻力，但是对于剪应力没有阻力的流体被成为理想流体或无粘性流体。
气泡活动性的另一个影响因素是气泡尺寸。气泡上的牵引力与表面积成正比， 而浮力则与体积成正比。因此，非常小的气泡具有高的牵引力与浮力比并倾向于随流体 一起移动。小气泡相应地造成小误差。相反，大气泡倾向于不随着流体一起移动并造成 大误差。对于固体颗粒来说同样如此，因为小颗粒会倾向于随流体一起移动而造成小误差。由振动造成的另一个问题是声速(SOS)或可压缩性的影响。这些影响使得对于 含气体流体来说，随着振动频率的增加，质量流量和密度测量值都会越来越不准确。密度差异是另一个因素。浮力与流体和气体之间的密度差异成正比。高压气体 可以具有足够高的密度来影响浮力并减小分离的影响。另外，大气泡占据更多体积，导 致流动流体密度的明显波动。由于气体的可压缩性，气泡可以改变气体量但是却不一定 改变尺寸。相反地，如果压力改变，气泡尺寸可以相应地改变，随着压力下降而膨胀或 者随着压力升高而收缩。这也可以导致流量计的性质或共振频率的变化并因此导致实际 的两相密度的变化。二级因素也可能会影响气泡和颗粒的活动性。高流速流体内的湍流可以将大气 泡打散为较小的气泡，由此减小分离误差。表面活性剂可以减小气泡的表面张力并降低 它们结合的趋势。阀门可以通过增加湍流程度而减小气泡尺寸而管路弯头则能够通过离 心力迫使气泡聚集在一起而增大气泡尺寸。应该理解最普通以及最简单和最便宜的方法是避免多相流的流体。但是，这并 不总是实用或可行的。本文中介绍的方法不是为了避免多相分离以及SOS/可压缩性的 影响，而是用产生已知和基本恒定的误差效果的方式来操作流量计。因此，流量测量值 的导出被简化。随即也就能够去除测量值中的误差。已经发现分离效果可以达到上限。该上限提供了此前没有意识到的好处。例 如，如果流动流体以足够高的频率振动，那么分离效果就会达到可预测的上限。已经发 现对于在极高振动频率下的夹带气体，分离效果将不超过大约3 1，也就是说气泡移动 的距离大约是液体组分移动距离的三倍。已经发现对于在极高振动频率下的夹带固体， 分离效果将大约等于3/(1+(2* Pp/Pf))。如果固体颗粒的密度远远大于液体，那么夹带 的固体颗粒将在液体组分随着流量管振动而移动时保持基本静止。可压缩性并不适用于夹带的固体。因此，极高频振动流量计5可以用等于或大 于分离上限频率的频率振动。造成的任何SOS/可压缩性影响都可以通过使用常规技术 进行补偿。上限可以与流量管的尺寸、形状或几何构造无关。上限可以与流体组分无关。 上限可以主要取决于液体组分和异物材料之间的密度比。极高频振动流量计5的极高频能力可以通过适当设计的参数实现。一种生产极 高频振动流量计5的方法是增加驱动信号的频率。这可以与流量计5的共振频率无关地 实现。例如，流量计5可以在更高的弯曲模式下工作。另一种生产极高频振动流量计5的方法是为了增加工作频率和/或共振(固有) 频率以及导管振幅，必须要增加流量计的硬度。可以用任何方式来增加流量计的硬度。 但是，以下介绍的是几种可行的方式。流量计硬度的一个因素是流量管长度。流量计长度基本上与流量计硬度相互关联，其中减小流量计长度可以转化为流量计硬度和工作频率一定程度的增加。因此，可 以选择流量计的长度以实现至少一定程度的流量计硬度增加。流量计硬度的一个因素是流量管的纵横比。为了进行说明，流量计的纵横比被 定义为流量计高度(H)除以流量计长度(L)，在此纵横比=(H/L)(参见图3)。在高度 (H)小于长度(L)时，高度-长度的纵横比(H/L)将小于一。在流量计是直管式流量计 时，高度-长度的纵横比(H/L)实际上为零。在高度(H)大于长度(L)时，高度-长度 的纵横比(H/L)将大于一。例如，在图2的流量计5中，高度-长度的纵横比(H/L)就 远大于一并且能够达到相对较高的数值。减小高度-长度的纵横比(H/L)即可增加材料 硬度和流量计共振频率。因此，可以选择高度_长度的纵横比(H/L)以实现至少一定程 度的流量计硬度增加。流量计硬度的一个因素是流量管的材料。可以选择流量管的材料以实现至少一 定程度的流量计硬度增加以及相应的共振频率增加。流量计硬度的一个因素是流量管的厚度。可以增加流量管的厚度以实现至少一 定程度的流量计硬度增加。流量管的厚度可以被增加任意合适的量。但是，作为一个实 际因素，过多的增加流量管厚度可能会导致重量的增加。流量计硬度的一个因素是流量管的形状。可以设计流量管的形状以实现至少一 定程度的流量计硬度增加。流量管的形状可以被修改为任意所需的样式，包括使用基本 为圆形、椭圆形、矩形、不规则形状或其他合适形状的导管。流量计硬度的一个因素是流量管的几何构造。可以设计流量管的几何构造以实 现至少一定程度的流量计硬度增加。流量管的几何构造可以用任意所需的方式加以影 响，例如包括使用适当的直管和弯管部分。例如直流量管具有比相同长度的U形管流量 计更大的硬度。流量计硬度的一个因素是流量管的质量。流量计组件10的共振频率将会随着流 量管质量的减小而增加。流量管的质量可以用任意所需的方式减小，包括通过使用更轻 的流量管的方式。流量计硬度的一个因素是流量管的节点限流器和振动节点位置。流量计组件10 可以包括一个或多个控制振动节点位置并由此影响弯曲轴和振动响应的节点限流器。图 示实施例中的常用节点限流器包括与歧管102和102'相组合的套管106。可选地，在其 他实施例中节点限流器可以包括在两根流量管之间的基本上接近于法兰101和101'的确 定位置也就是基本上在流量计5 (未示出)的两端刚性延伸的一根或多根撑杆。一个或多 个节点限流器被包括在内是为了固定弯曲的流量管103A和103B的振动节点，形成所需 的弯曲轴。可以设置一个或多个节点限流器以减小经历振动的流量管的长度，由此增加 极高频振动流量计5的共振频率。通过精细的流量计设计，极高频振动流量计5可以在极高频下工作。极高频工 作可以使得分离对于夹带的气体来说被保持在或者接近于3 1的分离比，或者对于夹 带的固体来说被保持在大约3/(l+(2*Pp/pf))。另外，极高频工作可以使得流动特性类 似于其中粘度实际上为零的流动。因此，多相流流体中的异物材料相对于流动流体中的 液体组分可预测地移动。无论异物材料由气体还是固体组分构成，这一点都成立。无论 异物材料是与流动流体的密度略有不同还是异物材料具有明显不同的密度，这一点都成立。因此，在去除了由于分离和SOS/可压缩性的影响而造成的可预测误差之后，夹带的 异物材料不会明显地影响由极高频振动流量计5进行的测量。而且，无论含气率(GVF) 和/或固体比率有何变化，流量计5都可以稳定并且可预测地工作，同时即使多相流流体 的组分有所变化，也能够如下所述结合公式(13-19)来令人满意地测量流动流体。计量电子设备20生成驱动信号用于驱动器104并且由此能够被设置成以极高频 来驱动/振动流量计组件10。正如振动流量计中常用的那样，这就要求计量电子设备20 生成预定频率的驱动信号，其中可以通过从敏感元件信号过去的反馈来影响和修改预定 频率。例如，驱动信号可以根据反馈进行控制以在由敏感元件传感器105和105'测量的 振动响应中实现共振(也就是固有)频率。计量电子设备20可以被设置成在更高的弯曲 模式下工作。计量电子设备20可以被设置成以各种方式生成极高频。计量电子设备20可以在 制造期间进行设置，例如通过对计量电子设备20的存储器适当编程进行设置。可选地， 计量电子设备20可以例如在标定过程期间被设置为具有极高频，其中在某些实施例中的 极高频程序可以取决于通过标定过程确定的测量或确定的流量计硬度。在另一种可选方 式中，极高频可以在流量计启动操作期间得出或确定。例如，极高频可以基于预先存储 或用户输入的数值。这可以包括例如基于预先存储或用户输入信息的与多相流流体性质 有关的极高频。科里奥利质量流量计和振动密度计在以其固有频率振动期间要求流动流体与流 量管一起移动。在引入异物材料时，由于在两相或多相之间存在相对移动或分离，因此 这种假定不再正确。已经提出一种模型在具体的流量计工作条件已知时预测用于良好的 混合物密度测量所需的条件。经过试验验证的流体模型可以预测分离的影响。用于得到 分离比(Ap/Af)和分离相角(φ)的公式是
权利要求
1.一种极高频振动流量计(100)，包括包含一根或多根流量管(103A，103B)的流量计组件(10)，其中流量计组件(10)被 设置成产生极高频响应，极高频响应高于与异物材料尺寸或异物材料成分无关的用于流 动流体的预定最高分离频率；和计量电子设备(20)，被连接至流量计组件(10)并且被设置成接收极高频振动响应以 及由此生成一个或多个流量测量值。
2.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中计量电子设备(20)被设置为使 得在极高频下用于夹带气体的分离比(Ap/Af)大约为3 1。
3.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中计量电子设备(20)被设置为使 得在极高频下用于夹带固体的分离比(Ap/Af)的值大约等于3/(1+(2* Pp/Pf))。
4.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中计量电子设备(20)被设置为使 得在极高频下相对于流动流体的颗粒运动来说粘度实际上为零。
5.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中极高频振动响应对应小于约0.1 的反斯托克斯数(S )。
6.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中极高频是大约1500赫兹(Hz) 以上。
7.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中极高频是大约2000赫兹(Hz) 以上。
8.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中所述一根或多根流量管 (103A, 103B)被设置为通过配置流量管硬度、流量管长度、流量管纵横比、流量管材 料、流量管厚度、流量管形状、流量管几何构造或者一个或多个振动节点位置中的一项 或多项来实现极高频。
9.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中极高频振动流量计被设置成在 第一弯曲模式下工作。
10.如权利要求1所述的极高频振动流量计(100)，其中极高频振动流量计被设置成 在更高的弯曲模式频率下工作。
11.一种操作极高频振动流量计的方法，所述包括以极高频振动极高频振动流量计中的一根或多根流量管，其中极高频高于与异物材 料尺寸或异物材料成分无关的用于流动流体的预定最高分离频率；接收极高频振动响应；和根据极高频振动响应生成一个或多个流量测量值。
12.如权利要求11所述的方法，其中极高频振动流量计被设置为使得在极高频下用于 夹带气体的分离比(Ap/Af)大约为3 1。
13.如权利要求11所述的方法，其中极高频振动流量计被设置为使得在极高频下用于 夹带固体的分离比(Ap/Af)的值大约等于3/(1+(2* Pp/Pf))。
14.如权利要求11所述的方法，其中极高频振动流量计被设置为使得在极高频下相对 于流动流体的颗粒运动来说粘度实际上为零。
15.如权利要求11所述的方法，其中极高频振动响应对应小于约0.1的反斯托克斯数 ⑷。
16.如权利要求11所述的方法，其中极高频是大约1500赫兹(Hz)以上。
17.如权利要求11所述的方法，其中极高频是大约2000赫兹(Hz)以上。
18.如权利要求11所述的方法，其中极高频振动流量计中的一根或多根流量管被设置 为通过配置流量管硬度、流量管长度、流量管纵横比、流量管材料、流量管厚度、流量 管形状、流量管几何构造或者一个或多个振动节点位置中的一项或多项来实现极高频。
19.如权利要求11所述的方法，其中极高频振动流量计被设置成在第一弯曲模式下工作。
20.如权利要求11所述的方法，其中极高频振动流量计被设置成在更高的弯曲模式频 率下工作。
21.一种成形极高频振动流量计的方法，所述包括至少根据预期的流动流体来确定用于振动流量计的预定极高频，其中极高频高于与 异物材料尺寸或异物材料成分无关的用于流动流体的预定最高分离频率； 将极高频振动流量计设置为在极高频下工作；和 构建极高频振动流量计。
22.如权利要求21所述的方法，其中计量电子设备被设置为使得在极高频下用于夹带 气体的分离比(Ap/Af)大约为3:1。
23.如权利要求21所述的方法，其中计量电子设备被设置为使得在极高频下用于夹带 固体的分离比(Ap/Af)的值大约等于3/(1+(2* Pp/Pf))。
24.如权利要求21所述的方法，其中计量电子设备被设置为使得在极高频下相对于流 动流体的颗粒运动来说粘度实际上为零。
25.如权利要求21所述的方法，其中极高频振动响应对应小于约0.1的反斯托克斯数 ⑷。
26.如权利要求21所述的方法，其中极高频是大约1500赫兹(Hz)以上。
27.如权利要求21所述的方法，其中极高频是大约2000赫兹(Hz)以上。
28.如权利要求21所述的方法，其中一根或多根流量管被设置为通过配置流量管硬 度、流量管长度、流量管纵横比、流量管材料、流量管厚度、流量管形状、流量管几何 构造或者一个或多个振动节点位置中的一项或多项来实现极高频。
29.如权利要求21所述的方法，其中极高频振动流量计被设置成在第一弯曲模式下工作。
30.如权利要求21所述的方法，其中极高频振动流量计被设置成在更高的弯曲模式频 率下工作。
全文摘要
提供了一种极高频振动流量计(100)。极高频振动流量计(100)包括包含有一根或多根流量管(103A，103B)的流量计组件(10)。流量计组件(10)被设置成产生极高频响应，极高频响应高于与异物材料尺寸或异物材料成分无关的用于流动流体的预定最高分离频率。极高频振动流量计(100)进一步包括计量电子设备(20)，被连接至流量计组件(10)并且被设置成接收极高频振动响应以及由此生成一个或多个流量测量值。
文档编号G01F1/84GK102016522SQ200980115693
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年5月1日
发明者J·魏因施泰因 申请人:微动公司