专利名称：多相哥氏流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量计。
背景技术：
流量计可提供关于传输经过导管或流管的物质的信息。例如，质量流量计可提供传输经过导管的物质的质量读数。同样，密度流量计，或者密度计，可提供流经导管的物质的密度读数。质量流量计也可提供物质的密度读数，因此也可得出体积流率的读数。例如，哥氏质量流量计量是以哥利奥里斯效应为基础的，其中流经导管的物质成为沿径向流动的质量而受到哥氏力的作用并因此经受加速度。许多哥氏式质量流量计可通过使一围绕正交于导管长度的枢转轴的导管进行正弦振荡而诱发哥氏力。在这种质量流量计中，流动的液体质量所经受的哥氏反作用力被传递给导管本身并表现导管在转动平面中哥氏力矢量方向上的挠度或偏移。
发明内容
按照一项整体方案，一种流量计包括可振动的流管；激励器，连接于流管并用于激发流管中的运动；传感器，连接于流管并用于感测流管的运动以及生成传感器信号；以及控制器，经连接以接收传感器信号，该控制器用于确定经过流管的二相流内第一相的第一流率并确定二相流内第二相的第二流率。各种实施方案可以包含一个或多个下述特征。例如，第一相可包含一气体，第二相可包含一液体。控制器用于输入由流量计检测到的二相流的视得密度并输出该二相流的校正密度。控制器用于根据视得密度与校正密度之间的理论关系式，或者根据视得密度与校正密度之间的经验关系式(诸如，视得密度与校正密度之间的表格储存关系)来校正视得密度。控制器用于输入由流量计检测到的二相流的视得质量流率并输出该二相流的校正质量流率。控制器可用于根据视得质量流率和校正质量流率之间的理论或实际关系，例如表格关系，对视得质量流率进行校正。控制器用于输入由流量计检测到的二相流的视得第一相份额，该视得第一相份额确定出二相流中第一相的量，并且输出二相流的校正第一相份额。控制器可用于输入由在流量计外部的相份额传感器检测到的二相流的第一相份额。控制器可用于根据二相流中检测密度和检测质量流率的校正值来确定第一流率和第二流率。控制器可用于根据确定二相流中第一相的量的检测第一相份额的校正值来确定第一流率和第二流率。控制器可用于根据第一相和第二相的密度分别确定第一流率和第
二流率。
控制器可用于根据第一流率和第二流率分别确定第一相的第一表面速度和第二相的第二表面速度。控制器可用于根据第一表面速度和第二表面速度确定二相流的流动状态。控制器可用于根据第一相的平均速度和第二相的平均速度确定第一相与第二相之间的滑移速度。控制器可用于根据第一和第二表面速度，所确定的流动状态，或滑移速度对第一流率和第二流率进行校正，由此获得校正第一流率和校正第二流率。按照另一整体方案，一种方法包括确定经过流管的二相流的整体密度，该二相流包括第一相和第二相；确定二相流的整体质量流率；并且根据整体密度和整体质量流率确定第一相的第一质量流率。各种实施方案可包括一种或多种下述特征。例如，第二相的第二质量流率可根据整体密度和整体质量流率予以确定。在确定整体密度时，可确定二相流的视得整体密度，而视得整体密度可经校正以获得整体密度。当校正视得整体密度时，视得整体密度可输入到一将视得整体密度关系于校正整体密度的理论关系式中去，或者可输入到一将视得整体密度关系于校正整体密度的经验关系式中去。当校正视得整体密度时，可输入第一相的第一密度。可根据整体密度、第一相的第一密度和第二相的第二密度来确定二相流的第一相份额。当确定第一相的第一质量流率时，第一质量流率可根据第一相份额和第一密度予以确定。第一相的第一表面速度和第二相的第二表面速度可根据第一质量流率和第二质量流率分别进行确定。二相流的流动状态可根据第一表面速度和第二表面速度进行确定。 第一相与第二相之间的滑移速度可根据第一相的平均速度和第二相的平均速度进行确定。 可根据第一和第二表面速度、所确定的流动状态或者滑移速度对第一流率和第二流率进行校正。第一相可以包含一气体，第二相可包含一流体。按照另一整体方案，流量计控制器包含密度校正系统，该系统用于输入二相流的视得密度并输出该二相流的校正密度，该二向流包括第一相和第二相；质量流率校正系统， 用于输入该二相流的视得质量流率并输出该二相流的校正质量流率；以及液流组分质量流率确定系统，用于根据校正密度和校正质量流率来确定第一相的第一质量流率。各种实施方案可以包括一种或多种下述特征。例如，液流组分质量流率确定系统用于根据校正密度和校正质量流率来确定第二相的第二质量流率。第一相可以包含一液体，第二相可以包含一气体。该方案可包括一种相份额确定系统，该系统用于确定二相流的校正相份额，其中液流组分质量流率确定系统用于根据校正相份额来确定第一流率和第二流率。该相份额确定系统可以是可确定二相流中气体量的空穴率确定系统。该方案可包括表面速度确定系统，该系统用于确定第一相的第一表面速度和第二相的第二表面速度。流量计控制器可包括流动状态确定系统，该系统用于确定二相流的流动状态。流动状态确定系统可进一步用于根据第一相的平均速度和第二相的平均速度确定相位滑移速度。液流组分质量流率确定系统用于根据第一和第二表面速度、流动状态或者相位滑移速度来改进对第一质量流速和第二质量流速所进行的确定。
一种或多种实施方案的细节将在附图和以下述说明书中进行阐述。其他特征可从说明书、附图以及权利要求中清楚地得到。
图IA是利用弯曲流管的一种哥氏流量计的示意图；图IB是利用平直流管的一种哥氏流量计的示意图；图2是一种哥氏流量计的方框图；图3是示出了图2中哥氏流量计运转的流程图；图4是示出了用于确定两相流中液体和气体流率的方法的流程图；图5A和5B是分别示出了空穴率和液体率的测量中百分误差的曲线图；图6是示出了对于具有特定取向和遍及所选定流量范围的一种流管而言的作为密度下降值的函数的质量流率误差的曲线图；图7是示出了校正密度测量结果的方法的流程图。图8是示出了二相流的视得密度下降值与视得质量流率之间关系的表格；图9是示出了用于确定空穴率测量结果的方法的流程图；图10是示出了用于确定已校正的质量流率测量结果的方法的流程图；图11是示出了二相流视得质量流率与校正密度下降值之间关系的表格；图12-14是表示用于大量流管的密度校正值的实例的曲线图；图15-20是表示用于大量流管的质量流率校正值的实例的曲线图。
具体实施例方式流量计的类型包括数字流量计。例如，美国专利6，311，136，在此纳入作为参考， 公开了一种数字流量计以及包括信号处理和测量方法在内的相关技术。这种数字流量计的测量结果可以是非常精确的，噪音几近没有或可忽略不计，而且能够使得在用于激励导管的激励电路中具有范围很广的正和负增益。这种数字流量计因而在多种结构中是很有好处的。例如，共同转让的美国专利6，505，519，在此纳入作为参考，公开了利用宽增益范围，以及/或者利用负增益，来防止气流分离(stalling)并更为精确地对流管进行控制，即使在诸如二相流(例如包含一种液气混合物的液流)这样的困难条件下也是如此。虽然下面将参照例如图I和2具体地说明数字流量计，但应当理解，也存在着一些模拟流量计。虽然这些模拟流量计可能倾向于具有模拟电路的一些典型缺点，例如相对于数字流量计来说精度较低和噪声较高的测量结果，但它们也可与在此说明的各种方法和装置相兼容。因而，在以下的讨论中，“流量计”或“计器”一词用于指代任何类型的装置和/ 或系统，其中哥氏流量计系统采用多种控制系统和相关器件来测量流经流管或其他导管的某种或多种物质的质量流率、密度以及/或者其他参数。图IA是采用弯曲流管102的一种数字流量计的示意图。具体地说，弯曲流管102 可用以测量例如某一(流动)流体的一个或多个物理特征量，一如上文所述。在图IA中， 数字传送器104与弯曲流管102交换传感器和激励两种信号，从而可相应地既感测弯曲流管102的振荡，又激励弯曲流管的振荡。通过迅速而精确地确定传感器和激励这两种信号， 数字传送器104，如上所述，保证了弯曲流管102的快捷和精确的运作。与弯曲流管共同使用的数字传送器104的一些实例记载于例如共同转让的美国专利6，311，136中。图IB是利用平直流管106的一种数字流量计的示意图。更为具体地说，在图IB 中，平直流管106与数字传送器104相互作用。这样一种平直流管的运作在概念层面上类似于弯曲流管102，并相对于弯曲流管102来说具有多种优点/缺点。例如，只是由于其结构的几何状况，平直流管106比起弯曲流管102来说更易于(完全)充填和出空。在运作上， 弯曲流管102可以在例如50-110HZ的频率下运作，而平直流管106可以在例如300-1000Hz 的频率下运作。弯曲流管102代表具有多种直径的流管，并可以在多种取向上运作，诸如在垂直或水平取向上。参照图2，数字质量流量计200包括数字传送器104、一个或多个运动传感器205、 一个或多个激励器210、流管215(也称作导管，而且可以代表或是弯曲流管102、平直流管106，或者任何其他类型的流管)，以及温度传感器220。数字传送器104可采用例如以下的一种或多种器件予以实现，例如处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列 (FPGA)、ASIC和其他可编程逻辑或门阵列，或者带有处理器芯的可编程逻辑线路。应当理解，如6，311，136所述，相关联的数字-模拟转换器可以包含在内用于激励器210的运作， 而模拟-数字转换器可用于转换传感器205的传感器信号以供数字传送器104之用。数字传送器104，至少根据从各运动传感器205接收的信号，产生例如流经流管 215的物质的密度和/或质量流率的测量结果。数字传送器104还可控制激励器210以激发流管215中的运动。该运动由运动传感器205进行感测。流经流管的物质的密度测量结果均相关于，例如，由激励器210施加的激励力在流管215中产生的流管运动的频率，以及/或者相关于流管215的温度。同样，流经流管 215的质量流率相关于流管215运动的相位和频率，以及流管215的温度。流管215中的温度可利用温度传感器220予以测量，该温度会影响流管的某些性质，诸如其刚度和尺寸。数字传送器104可以补偿这些温度效应。同样在图2中，压力传感器225连通于传送器104，并连接于流管215以便用于感测流经流管215的物质的压力。应当理解，进入流管215的流体压力和经过流管上相关各点的压降这二者都是某些流动条件的指标。另外，虽然可使用外部的温度传感器测量流体温度，但这些传感器也可在内部流量计传感器(设计用来测量典型温度)之外用于对流管进行校正。另外，一些流管采用多个温度传感器，目的在于对过程流体与环境(例如流管外壳的表面温度)之间的温差效应的测量结果进行校正。如下文较为详细地说明那样，入口流体温度和压力两种测量结果的可能的一种用途是，按照预定的公式来计算二相流中液体和气体的实际密度。液体率探测器230指的是一种装置，用于在流管215中的液体包含水和另一流体-诸如石油-的时候，测量液体-例如水-的体积份额。当然，如果测量结果优先选定， 或者如果该液体并不包含水，那么这种探测器，或类似探测器，可用于测量并非水的某种流体的体积份额。在下述说明中，被测量的液体一般假定为水，并且本文用水作为例证，液体率探测器230 —般被称为水份额探测器230，或水量(water-cut)探测器230。空穴率传感器235测量流管215中处于气态形式的物质的百分比。例如，流经流管215的水可包含可能形状为气泡的空气。这种情况，即其中流经流管215的物质包含一种以上物质，一般被称为“二相流”。具体地说，术语“二相流”可指代一种液体和一种气体; 不过，“二相流”也可指代物质的其他组合，诸如两种液体(例如石油和水)。
目前存在着多种方法，在图2中一般由空穴率传感器235表不,用于测量一种液气两相流之中的气体空穴率。例如，存在着多种传感器或探测器，可以插进二相流中以确定气体空穴率。作为另一实例，文氏管(即，带有一狭窄喉部的管子，通过当某种流体流过管子时测量在喉部处产生的压差来确定流体压力和速度)，根据穿过节流口时气体以大于(各) 液体的速度运动这一事实，可用于确定压力梯度并且由此可确定气体空穴率。利用完全在流管外部的设备也可获得气体空穴率的测量结果。例如，可采用声呐测量结果以确定气体空穴率。作为这样一种基于声呐的系统的具体实例，可以采用由康涅狄克州沃灵福的CiDRA 公司(CiRDA Corporation of wallingford, Connecticut)生产的 SQNAR tracTM气体空穴率监测系统。在该说明书中，由空穴率传感器测量或以其他方式予以确定的流动流体中的气体量称为空穴率α，并定义为α =气体体积/总体积=气体体积/ (液体体积+气体体积)。 因此，在此称为液体率的量定义为l-α。在许多要求质量流率测量结果的应用中，液流中的空穴率可高达20、30、40%或更多。不过，甚至在0. 5%的极小空穴率下，哥氏流量计的基础理论就会变得不大可用了。而且，液流中存在的气体还可以影响到液流密度的测量，通常会导致密度测量结果读数较低。即，应当理解，由于在二相流中气体(例如，空气)的密度通常会低于液体(例如，水)的密度，所以本身流经流管的液体的密度P 将高于包含该液体和某一气体的二相流的实际密度P O换句话说，当气体被添加入原先只包含液体的液流时，会出现密度降低。在该物理现象之外，测量包含气体的二相液流的哥氏流量计可输出密度读数P a #，亦即二相流(例如由水和空气组合而成)整体密度的表观测量结果。该原始测量结果P
—般不同(低)于二相流的实际整体密度P O例如，由于气体在液流中的相对运动所致，流量计所采用的共振频率可能会虚高而导致密度测量结果读数较低。应当理解，由于大多数这种哥氏流量计在甚至最微小数量的空穴率下都无法持续运行(例如失流或输出不精确的测量结果)，所以许多常规的现有技术中的流量计都不曾处理该问题。美国专利No. 6，505，519，以上纳入作为参考，公开了 P !(即，由哥氏流量计输出的二相流的标示原始或整体密度读数)与P (即，二相流的实际原始或整体密度)的不同可由多种方法予以表征。结果，测得的P 可予以校正以获得实际的整体密度P ，该校正的密度至少大致上等于P O稍有类似地，由哥式流量计测量所得的标示原始或整体质量流率MF视得(即，全部二相流的质量流率)可与实际的整体质量流率MFmj相差一个可预测的或可表征的量。 应当理解，用于已校正的整体质量流率校正方法可不同于用于密度的校正方法。例如，用于校正测量的MF视得以获得实际MF_ (或者，至少，MFk)的多种方法记载于美国专利 No. 6，505，519 中。下面将更加详细地说明用于校正P !和MFft#的各种详细方法的实例。虽然一般说来，就图2而言，数字传送器示出为包含密度校正系统240，该系统可连接于密度校正数据库245，以及质量流率校正系统250，该系统可连接于质量流率校正数据库255。一如下面较为详细地所述，数据库245和255可包含例如已经在理论上导出的或在经验上获得的各种校正算法，以及/或者针对给定一组输入参数提供了已校正的密度或质量流量数值的各种校正表格。数据库245和255还可储存多种其他类型的可用于实现密度或质量流量校正中的信息。例如，密度校正数据库可以储存许多对应于特定液体(例如水或石油)的密度
P液体。其次，在图2中，空穴率确定/校正系统260可用于确定包含某一液体和某一气体的二相流的空穴率。在一项实施方案，例如，空穴率确定/校正系统260可从已校正的密度 P 中确定实际空穴率α ο在另一项实施方案中，空穴率确定/校正系统260可以输入由空穴率传感器235获得的标示或视得空穴率测量结果，并可根据类似于上面提及的密度和质量流量方法的一种误差特征来校正这一测量结果。在另一项实施方案中，空穴率传感器235可用于直接测量实际空穴率α ，在此情况下，空穴率确定/校正系统260完全可输入该测量结果。一旦因子P _，MF真实和α _已经确定，并且或许结合于其他已知或未知量，那么液流组分质量流率确定系统265用于同时确定液相组分的质量流率和气相组分的质量流率。也就是，传送器104可用于确定液流组分的各自流率MF##和MF，这与只是确定组合或总的二相流的整体流率的情况相反。虽然，正如刚提及的那样，这种测量结果可同时予以确定和/或输出，但它们也可以单独地或彼此独立地予以确定。一旦组分流率已经以上面概述的方式确定，那么这些初步确定结果就可以借助一种根据液流组分的表面速度(superficial velocity)、组分之间的滑移速度以及/或者液流的经过识别流动状态的过程来予以改进。这样，可获得经过改进的流率MF ##和1 1#的数值，或者可随着这些流率的改变而随时获得。表面速度在此指的是假如作为单一相的某一给定相以同样质量流率流经流管215 时将会出现的那种速度。表面速度确定/校正系统270包含在传送器104内，例如用于确定二相流中某一气体或液体的视得或已校正的表面速度。滑移速度指的是一种状态，在该状态下二相流中的气液二相具有不同的平均速度。也就是，某一气体的平均速度同于液体的平均速度AVa#。如此，相位滑移 S(phase slip)可以定义为S = AV气体/AV液体。流动状态(flow regime) 一词指的是其中两相彼此相对和/或相对于流管215流经流管215的方式的特征，并可以至少部分地使用适才确定的表面速度予以表述。例如，一种流动状态已知为“气泡状态”，其中气体作为气泡被夹带在某一液体之内。作为另一实例， “塞芯状态”指的是一系列由较大的气囊隔开的许多液“塞”或液“芯”。例如，在垂直流动中， 塞芯流动状态中的气体可占据几乎流管215的整个横截面积，以致最终的流动交替在高液体与高气体组成之间变化。已知存在其他一些流动状态并具有某些确定的特征，包括例如环形流动状态，弥散流动状态和泡沫流动状态，以及其他状态。所存在的某一特定流动状态已知会受多种因素的影响，包括例如液流中的气体空穴率，流管215的取向(例如垂直或水平的)、流管215的直径、包含在二向流之内的物质， 以及二向流中物质的速度(和相对速度)。根据这些和其他因素，某一特定液流可在给定时段内转换于若干流动状态之间。关于相位滑移的信息可以至少部分地从流动状态资料中确定出来。例如，在气泡流动状态中，假定气泡是均匀分布的，那么在各相之间可能有较小的相对运动。在气泡聚集以及组合起来而形成气相的不太均匀的分布的地方，在各相之间可能会出现某种滑移，此时气体趋向于贯穿液相。在图2中，流动状态确定系统275被包含在内，该系统可连接于具有流动状态图像的数据库280。这样，关于现有流动状态的信息，包括相位滑移信息在内，可以获得、存储和读写以用于同时确定二相流中液体和气体各自的质量流率。在图2中，应当理解，数字传送器104的各种部件是彼此联系的，尽管为了清晰起见，各种联系线路并未明显画出。而且，应当理解，数字传送器104的常规部件没有示出于图2中，但被认为是存在于数字传送器104内或可在其中读写。例如，数字传送器104—般包括(整体)密度和质量流率的测量系统，以及用于激励所述激励器210的激励电路系统。图3是示出了图2中哥氏流量计200运作的流程图300。具体地说，图3示出了图 2中的流量计200同时确定二相流的液体和气体流率MF所使用的方法。在图3中，可确定某一气/液二相流存在于流管215中(302)。这一点可以例如通过操作人员在用于气/液流的质量流量计/密度计的配置期间完成。作为另一实例，这种确认可以通过利用哥氏流量计的一种特性来检测出存在二相气-液流的条件而自动地完成。在后一情况下，这种技术比较详细地记载于例如美国专利NO. 6，311，136和美国专利 NO. 6，505, 519中，所述专利在此纳入以作为参考。一旦确定了二相流的存在，那么就可利用传送器104的密度校正数据库245通过密度校正系统240确定经过校正的整体密度P (304)。也就是，标示的密度P 经过校正以获得P ο进行这种校正的方法下下文将较为详细地予以说明。一旦确定了 P ，那么就可通过空穴率确定/校正系统260确定经过校正的气体空穴率α (306)。另外，由质量流率校正系统250确定经过校正的整体质量流率MFmj (308)。关于密度，用于获得经校正的空穴率α 和质量流率MF ；的各种方法将在下文较为详细地予以说明。在图3中，从流程图300中应当理解，P _，α _和确定可以按许多顺序进行。例如，在一种实施方案中，经过校正的空穴率α ；是基于先前计算出的校正密度P
而确定的，而后，校正质量流率MFmj根据a 予以确定。在另一实施方案中，a 和 P 可以彼此独立地予以计算，以及/或者P可以彼此独立地予以计算。一旦校正密度P真实、校正空穴率α真实和校正质量流率MR真实已知，那么气体和液体组分的各自质量流率就可以由液流组分质量流率确定系统265予以确定(310)。用于确定液体/气体组分流率的各种方法将在下文参照图4较为详细地予以说明。一旦确定出来，液体/气体组分各自流率可输出或显示(312)以供流量计操作人员之用。这样，操作人员可能会同时得到关于二相流液体的质量流率MF##和气体质量流率 MF ^ 二者的信息。在某些情况下，这种确定可能是很充分的(314)，此时，液体/气体组分流率的输出完成了过程流量。不过，在其他一些实施方案中，各个组分质量流率的确定可通过考虑下述因素而进行改善，例如气体/液体两组分的各自表面速度、液流的(各)流动状态，以及各组分之间的相位滑移(如果存在的话)。具体地说，气体和液体各自的表面速度SVn^P SV确定如下。气体表面速度SV 确定为SV气体=MF气体/(P气体*AT) 方程I
其中量At表示流管215的横截面积，该横截面可在液流空穴率进行测量的一点处取得。同样，液体表面速度SV确定为SVMF液体/(P 液体*AT) 方程 2如图I和2中所示，在上文中各表面速度的确定是根据早先确定的MF 1#和MF液体。 从以上说明以及图3中应当理解，由于这些因子是根据P和MFwj计算出来的，所以MF^和MF_表示经过校正的或真实的质量流率MF胃气^和MF 。结果，表面速度SV 气体和SV■表示经过校正的数值SVmI^和SV ·。其次，如上所述，密度数值P部和P
指的是有待讨论的液体和气体的已知密度，该密度可储存在密度校正数据库245中。如下关于计算经过校正的密度P 的各种方法所述，密度数值P 1#和P ##可以称为是现有温度或压力的函数，由温度传感器220和压力传感器225予以检测。利用各表面速度和其他已知或计算出来的因子(其中一些可储存于流动状态图表数据库280中)，相关的流动状态和/或相位滑移可由流动状态确定/校正系统275予以确定(318)。一旦表面速度、流动状态和相位滑移已知，则可对校正整体密度P 校正质量流率,以及/或者校正空穴率P 进行进一步的校正。这样,如图3所示,可以确定组分流率MF二相液/气流中的(各)流动状态可以用一绘制有液体表面速度与气体表面速度之间关系的曲线上的等高线予以描述。如刚才所述，P ；、α 和/或MFmj的确定可以以如下方式进行改进，即首先确定液体和气体各自流率的近似值，然后为识别出的流动状态建立较为详细的模型。例如，在相对较低GVP和相对较高流量处存在一种流动状态，在该状态下，充气流体如同一种在密度和质量流率两方面都带有极少或根本没有误差的均质流体。作为不需要任何校正的均质流动，其可完全利用激励增益的观测结果而检测出来，这表明在这样一种设置中，尽管在观测到的密度方面有显著的下降，但极少或根本没有增长。图4是示出了用于确定二相流的液体和气体流率MF的各种方法的流程图400。也就是，流程图400通常表示用于确定液体和气体流率的各种方法的一项实例 (310)，如以上参照图3所述。在图4中，液体和气体流率的确定(310)始自输入校正密度、空穴率以及质量流率因子P α _和MF_ (402)。在第一情况(404)下，液体和气体流率是利用方程3和4 确定的(406)MF气体=α真实(ρ气体/ P真实)(MF真实)方程3MF液体=(I- α真实)(ρ液体/ P真实)(MF真实) 方程4图3和图4假定在液体与气体两相之间没有滑移速度(即，气相的平均速度AVn #和液相的平均速度AV##是相等的)。这一假定与以下事实一致，即在第一情况下，表面速度和流动状态(并因此，相位滑移)并未已被确定。在第二情况下及后文中(404)，可能由流动状态确定/校正系统275确定关于相位滑移是否存在(408)。如果不存在，那么再次使用方程3和4(406)或者过程结束。如果上文定义为S = AV/AV的相位滑移的确存在(408)，那么MF■ 两项可利用同样在方程I和2中用于计算各表面速度的流管横截面积At予以计算(410)。 利用刚才给定的滑移S的定义。MF气体=P气体(α真实AT) (AV气体)=P气体(α真实Ατ)⑶(AV液体)方程5
MF液体=P液体((I- α真实)AT) (AV液体)方程6由于MFmj= MF^+MF_，方程5和6可以求解AV_以获得方程7 AV液体=MF真实/ (At ( P气体α真实S+ P液体(I- α真实)))方程7结果，液体和气体流率利用方程8和9予以确定(406)MF液体=[P液体(1-ct真实)/( P气体α真实S+P液体(卜α真实))][MF真实]方程8MF气体=MF真实-MF液体方程9如上所述，夹带在液体中的气体形成二相流。使用哥氏流量计对这一二相流进行的测量可得出标示参数P a ft#和MFiw!分别用于二相流的密度，空穴率和质量流速。 由于二相流的本质与哥氏流量计操作的关系所致，这些标示数值是不正确的而相差一可预料的因数。结果，标示参数可经校正以获得实际的参数P 、α _和MF^；。反过来，实际的、经过校正的数值可用于同时确定两个(气体和液体)组分的各自流率。图5A和5B是分别示出空穴率和液体率测量中的百分误差的曲线。在图5A中，百分误差是取决于多种设计和操作参数的密度百分误差，并且一般指的是视得(标示)密度与真实综合密度的偏差，该偏差以液体中气体的百分数(％)的形式给出。在图5B中，示出了真实液体率与标示液体率之间的关系。图5B表示对于相关的流量计设计来说若干管线尺寸和流率的结果。更为广泛地说，函数关系可能更为复杂并取决于管线尺寸和流率两个因素。在图5B中，示出了一简单的多项式拟合，用于校正视得液体率。可以采用其他的绘制方法例如，真实空穴率可相对于标示空穴率标绘制出来。例如，图6是表示对于具有特定取向和遍及选定的流动范围的一种流管来说的作为密度下降函数的质量流率误差。图7是示出了用于校正密度测量结果的各种方法的流程图700(图3中304)。在图7中，过程开始于输入所采用的流管215的类型(702)，可包括例如，流管215是弯的还是直的，以及其他一些相关的事实，诸如流管215的尺寸和取向。接下来，对不含气体的液体密度P ##进行确定(704)。该量可以用于以下(各) 计算中，同时用于确保可能会影响密度测量结果P !的其他因素，诸如温度，不会被误解为空穴率效应。在一项实施方案中，用户可以连同密度的温度依赖度一起直接输入液体密度P a#。在另一实施方案中，已知的一些流体(以及它们的温度依赖度)可储存在密度校正数据库245中，在该库中用户可以按名称查询流体。在又一实施方案中，流量计200可以确定单一相时期的液体密度、液体流量，并储存此值以供未来之用。从哥氏流量计可读出标示质量流率MF(706),然后从哥氏流量计读出标示密度 P (708)。接下来，密度校正系统240应用理论算法(710)或者实践表格校正法(712)来确定气/液混合物的真实密度P O数值P 然后可以作为校正密度予以输出(714)。算法密度校正(710)可根据以下的认识予以确定，即当哥氏流量计被用以测量密度时，假如二相流没有受到流量计正常运作的影响，那么标示密度会下降一个值，该值可由描述空穴率的方程推导出，这一校正在上文使用体积流量予以表述而在此按照方程10的密度重复表示α (%) = [ ( P视得_ P液体)/ ( P气体_ P液体)]X 100方程10这一方程可用于定义值“密度下降值”或者Λ P，如方程11所示
Δ ρ = (ρ 视得-P 液体)=α (% ) X ( P 气体-P 液体)/100 方程 11注意，方程11表明数值Λ ρ是正的；不过，该数值可简单地通过将方程的右侧乘以-I而表示为负的下降值，从而得到方程12 Δ ρ = (ρ 液体-P 视得)=α (%) X ( P 液体-P 气体)/100 方程 12数值P气#可以小于P ，此时方程12可以简化为方程13 Δ ρ = (ρ 液体-P 视得)=α (%) X P 液体/100方程 13如上广泛所述，用哥氏流量计或任一振动密度计作出的密度测量结果，一般被计器低估而需要校正。因此，在二相流情况下，方程12或13因而可以用于确定以下两个数值 经过改正的或真实的密度下降值Λ ρ 和标示或视得密度下降值Λ ρ 利用方程13 作为一项实例，可得到方程14和15 Δ ρ真实=(P液体— P真实)=α (%)Χ ρ液体/100方程14Δ ρ 视得=(P 液体_P 视得)=α (%)X P *#/100方程 15可以导出或凭经验确定Λ ρ _与Λ ρ视#和视得质量流率及其他一些参数-诸如激励增益、传感器补偿、温度、相位状态，等等-之间的关系。这种关系可以表述为 Δ P f (MF，激励增益，传感地补偿，温度，相位状态和/或其他一些因素)。结果，对于每种设置的每种流管，通常都可导出或至少可证实该关系。对于一个模型流管，在此已知为并称作Foxboro/Invensys CFSlO模型流管，已从经验上确定，在一些条件下，上述函数关系可以简化为只是函数Λ ρ #并具有示于方程16之中的形式
权利要求
1.一种流量计，包括可振动的流管，所述流管包含流体，所述流体包含气相和液相；激励器，连接于所述流管并用于激发所述流管中的运动，使得所述流管振动；传感器，连接于所述流管并用于感测所述流管中的运动以及生成传感器信号；以及传送器，经连接以接收所述传感器信号，所述传送器用于使用所述激励器使所述流管振动；根据所接收的传感器信号确定标示整体密度；根据所述标示整体密度确定视得密度降；根据所述视得密度降确定校正密度降；以及使用所述校正密度降更新所述流体的密度。
2.按照权利要求I所述的流量计，其中，所述传送器用于根据所述真实混合物密度和所接收的传感器信号确定气相的第一流率，或者根据所述真实混合物密度和所接收的传感器信号确定液相的第二流率。
3.按照权利要求I所述的流量计，其中，所述传送器用于根据所述视得密度降与所述校正密度降之间的理论关系来校正所述视得密度降。
4.按照权利要求I所述的流量计，其中，所述传送器用于根据所述视得密度降与所述校正密度降之间的经验关系来校正所述视得密度降。
5.按照权利要求I所述的流量计，其中，所述传送器用于根据所述视得密度降与所述校正密度降之间的表格储存关系来校正所述视得密度降。
6.按照权利要求I所述的流量计，其中，所述传送器用于按照下述公式根据所述第一流率确定所述气相的第一表面速度，或者根据所述第二流率确定所述液相的第二表面速度，表面速度_1 =流率密度流管横截面积);表面速度_二# =流率_二#/(密度_二#*流管横截面积)所述表面速度指单一相以同样流率流经流管时的速度。
7.按照权利要求6所述的流量计，其中，所述传送器用于根据所述第一表面速度和所述第二表面速度来确定所述流体的流动状态，所述流动状态是指两相相对于彼此和/或流管来说流经流管的方式的特征。
8.按照权利要求7所述的流量计，其中，所述传送器用于根据所述气相的平均速度和所述液相的平均速度来确定所述气相与所述液相之间的滑移速度，所述滑移速度指二相流中二相具有不同平均速度的状态。
9.按照权利要求8所述的流量计，其中，所述传送器用于根据所述第一或第二表面速度、已确定的流动状态或者滑移速度对所述第一流率或所述第二流率进行校正，由此获得校正第一流率或校正第二流率。
10.一种方法，包括使流体通过可振动流管，所述流体包括气相和液相；使用激励器使所述流管振动，所述激励器连接至所述流管并且用于使得所述流管产生运动；接收在所述流管振动的同时来自于连接至所述流管的传感器的传感器信号，所述传感器用于检测所述流管的运动并且生成所述传感器信号；并且根据所接收的传感器信号确定标示整体密度；根据所述标示整体密度确定视得密度降；根据所述视得密度降确定校正密度降；以及使用所述校正密度降更新所述流体的密度。
11.按照权利要求10所述的方法，其中，还包括根据所述真实混合物密度和所接收的传感器信号确定气相的第一流率，或者根据所述真实混合物密度和所接收的传感器信号确定液相的第二流率。
12.按照权利要求10所述的方法，其中，对所述视得密度降进行校正包括将所述视得密度降输入至使所述视得密度降关系于所述经校正密度降的理论关系中。
13.按照权利要求10所述的方法，其中，对所述视得密度降进行校正包括将所述视得密度降输入至使所述视得密度降关系于所述经校正整体密度降的经验关系中。
14.按照权利要求10所述的方法，其中，与所述空穴率相关的数据包括表示所述空穴率的数据。
15.按照权利要求11所述的方法，包括根据所述第一流率确定所述气相的第一表面速度或者根据所述第二流率确定所述液相的第二表面速度。
16.按照权利要求15所述的方法，包括根据所述第一表面速度和所述第二表面速度确定所述二相流的流动状态。
17.按照权利要求16所述的方法，包括根据所述气相的平均速度和所述液相的平均速度确定所述气相与所述液相之间的滑移速度。
18.按照权利要求17所述的方法，包括根据所述第一或第二表面速度、所确定的流动状态或者滑移速度对所述第一流率或所述第二流率进行校正。
19.一种流量计控制器，包括驱动系统，用以使用激励器使流管振动，所述激励器连接至流管，所述流体包括气相和液相；传感器系统，该传感器系统用以在所述流管振动的同时接收来自于连接至所述流管的传感器的传感器信号；密度确定系统，所述密度确定系统用于根据所接收的传感器信号确定标示整体密度； 根据所述标示整体密度确定视得密度降；根据所述视得密度降确定校正密度降；以及使用所述校正密度降更新所述流体的密度。
20.按照权利要求19所述的流量计控制器，其中，还包括根据所述真实混合物密度和所接收的传感器信号确定气相的第一流率，或者根据所述真实混合物密度和所接收的传感器信号确定液相的第二流率。
21.按照权利要求20所述的流量计控制器，包括表面速度确定系统，该系统用于确定所述气相的第一表面速度和所述液相的第二表面速度。
22.按照权利要求21所述的流量计控制器，其中，所述流量计控制器包括流动状态确定系统，该系统用于确定所述流体的流动状态。
23.按照权利要求22所述的流量计控制器，其中，所述流动状态确定系统还用于根据所述气相平均速度和所述液相平均速度确定相位滑移速度。
24.按照权利要求23所述的流量计控制器，还包括流率确定系统，其用于根据所述第一或第二表面速度、所述流动状态或者所述相位滑移速度而改进对所述第一流率或所述第二流率进行的确定。
全文摘要
本发明公开了一种流量计(200)。流量计(200)包括可振动流管(215)和连接于流管(215)的激励器(210)，后者用于激发流管(215)中的运动。传感器(205)连接于流管(215)并用于感测流管(215)的运动以及生成传感器信号。控制器(104)经连接以接收传感器信号。控制器(104)用于确定经过流管的二相流中第一相的第一流率并且确定二相流中第二相的第二流率。
文档编号G01N21/65GK102589628SQ20121005661
公开日2012年7月18日 申请日期2004年2月10日 优先权日2003年2月10日
发明者米黑拉.D.达塔, 迈克尔.S.图姆斯, 韦德.M.马塔尔, 马努斯.P.亨利 申请人:因万西斯系统股份有限公司