КОРИОЛИСОВЫЙ РАСХОДОМЕР И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА Российский патент 2009 года по МПК G01F1/84 G01N11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к кориолисовому расходомеру и способу определения характеристик потока, в частности к кориолисовому расходомеру и способу определения характеристик потока с использованием, по меньшей мере, двух колебательных характеристик.

Предшествующий уровень техники

Датчики с колеблющейся трубой, например кориолисовый массовый расходомер, обычно действуют посредством определения перемещений колеблющейся трубы, которая содержит проточный материал. Свойства, соответствующие материалу в трубе, например массовый поток, плотность и т.п., можно определить обработкой сигналов измерений, полученных от измерительных преобразователей перемещений, связанных с трубой. Моды колебаний колеблющейся системы, заполненной материалом, обычно зависят от суммарных характеристик массы, жесткости и демпфирования вмещающей трубы и содержащегося в ней материала.

Типичный кориолисовый массовый расходомер содержит, по меньшей мере, одну трубу, которая поточно подсоединена к трубопроводу, или другую транспортную систему и передает материал, например текучие среды, взвеси и т.п.в системе. Каждую трубу можно рассматривать как имеющую набор мод собственных колебаний, содержащий, например, моды изгибных, крутильных, радиальных и связанных колебаний. В обычной системе измерения массового потока на основе эффекта Кориолиса, трубу возбуждают на, по меньшей мере, одной моде колебаний в то время, как материал протекает по трубе, и движения трубы измеряют в точках, разнесенных по трубе. Возбуждение обычно обеспечивают возбудителем, например электромеханическим устройством типа катушки линейного электропривода, которая отклоняет трубу по периодическому закону. Массовый расход можно определять измерением времени задержки или разности фаз между перемещениями в местах расположения измерительных преобразователей. Для измерения колебательной характеристики расходомерной трубы или труб обычно применяют два аналогичных измерительных преобразователя (или первичных датчиков), и их обычно располагают в положениях по ходу впереди и позади возбудителя. Два первичных датчика подключают к электронной измерительной аппаратуре кабелями, например, двумя независимыми проводными парами. Измерительная аппаратура принимает сигналы от двух первичных датчиков и обрабатывает сигналы для извлечения данных измерения массового расхода.

Традиционные кориолисовые массовые расходомеры обеспечивают непрерывное измерение массового расхода, плотности и температуры проточной среды, протекающей через расходомер. Однако изменение любой характеристики потока проточной среды может вызвать возрастание или снижение инерционной нагрузки на расходомер и, следовательно, приведет к ошибке показаний, помимо прочего, плотности.

Разработчики измерительных преобразователей с колеблющимися элементами, например кориолисовых массовых расходомеров или плотномеров, обычно стремятся максимально увеличивать чувствительность по массе, плотности и температуре, при сведении к минимуму чувствительности измерительного преобразователя к вязкости, VOS (скорости звука), скорости сдвига, давлению и числу Рейнольдса. В результате, типичный известный расходомер способен к точному измерению массы, плотности и температуры, но не способен к точному измерению таких дополнительных характеристик потока, как, по меньшей мере, что-то одно из вязкости, VOS, скорости сдвига, давления и числа Рейнольдса. Существует потребность в применении расходомеров для измерения других характеристик потока в дополнение к массе, плотности и температуре.

Краткое изложение сущности изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является решение проблем, связанных с определением характеристик потока расходомера.

В соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения поставленная задача решена путем создания кориолисового расходомера, содержащего, по меньшей мере, одну расходомерную трубу, по меньшей мере, два первичных датчика, зафиксированных на, по меньшей мере, одной расходомерной трубе, привод, выполненный с возможностью возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы, и измерительную электронную аппаратуру, связанную с, по меньшей мере, двумя первичными датчиками и приводом. Измерительная электронная аппаратура выполнена с возможностью возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы расходомера с первой частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний, измерения первой колебательной характеристики, по меньшей мере, одной расходомерной трубы, при этом первая колебательная характеристика формируется в ответ на первую частоту колебаний, возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы с, по меньшей мере, второй частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний, измерения второй колебательной характеристики, при этом вторая колебательная характеристика формируется в ответ на вторую частоту колебаний, и определения, по меньшей мере, массового расхода и вязкости с использованием первой колебательной характеристики и второй колебательной характеристики.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения поставленная задача решена путем создания способа определения характеристик потока в кориолисовом расходомере. Способ заключается в том, что возбуждают колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы расходомера с первой частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний и измеряют первую колебательную характеристику, по меньшей мере, одной расходомерной трубы. Первая колебательная характеристика формируется в ответ на первую частоту колебаний. Способ дополнительно содержит этапы, заключающиеся в том, что возбуждают колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы с, по меньшей мере, второй частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний и измеряют вторую колебательную характеристику. Вторая колебательная характеристика формируется в ответ на вторую частоту колебаний. Способ дополнительно содержит этап, заключающийся в том, что определяют, по меньшей мере, массовый расход и вязкость проточной среды с использованием первой колебательной характеристики и второй колебательной характеристики.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения предлагается программный продукт для кориолисового расходомера для определения характеристик потока в кориолисовом расходомере. Программный продукт содержит управляющую программу, сконфигурированную с возможностью передачи в систему обработки данных предписаний возбуждать колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы расходомера с первой частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний, измерять первую колебательную характеристику, по меньшей мере, одной расходомерной трубы, при этом первая колебательная характеристика формируется в ответ на первую частоту колебаний, возбуждать колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы с, по меньшей мере, второй частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний, измерять вторую колебательную характеристику, при этом вторая колебательная характеристика формируется в ответ на вторую частоту колебаний, и определять, по меньшей мере, массовый расход и, по меньшей мере, одну характеристику потока с использованием первой колебательной характеристики и второй колебательной характеристики. Программный продукт дополнительно содержит запоминающую систему, которая хранит управляющую программу.

В соответствии с одним аспектом дополнительно определяют плотность.

В соответствии с другим аспектом дополнительно определяют скорость сдвига.

В соответствии с еще одним аспектом дополнительно определяют числа Рейнольдса.

В соответствии с еще одним аспектом дополнительно определяют скорости звука (VOS).

В соответствии с еще одним аспектом дополнительно определяют давления.

В соответствии с еще одним аспектом вязкость содержит кинематическую вязкость.

В соответствии с еще одним аспектом вязкость содержит динамическую вязкость.

В соответствии с еще одним аспектом возбуждение колебаний содержит скачкообразное изменение частоты между первой частотой колебаний и второй частотой колебаний.

В соответствии с еще одним аспектом возбуждение колебаний дополнительно содержит по существу одновременное возбуждение колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы с первой частотой колебаний и второй частотой колебаний.

В соответствии с еще одним аспектом возбуждение колебаний дополнительно содержит качание между первой частотой колебаний и второй частотой колебаний в течение заданного периода времени развертки.

В соответствии с еще одним аспектом первая частота колебаний и вторая частота колебаний по существу равноотстоят вверх и вниз от частоты основной гармоники, по меньшей мере, одной расходомерной трубы.

В соответствии с еще одним аспектом, по меньшей мере, одна расходомерная труба содержит две по существу U-образные расходомерные трубы.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает кориолисовый расходомер, содержащий расходомерный узел и измерительную электронную аппаратуру, согласно изобретению;

фиг.2 - измерительную электронную аппаратуру в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг.3 - блок-схему последовательности операций способа определения характеристик потока в кориолисовом расходомере в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг.4A - амплитудно-частотные характеристики при трех разных значениях коэффициента ς затухания;

фиг.4B - соответствующие фазочастотные характеристики;

фиг.5 - контур обратной связи для регулирования частоты колебаний, подаваемых в расходомерный узел.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

В последующем описании представлены конкретные примеры способов изготовления и применения наилучшего варианта осуществления изобретения. Для пояснения принципов изобретения некоторые известные аспекты упрощены или не затронуты. Специалистам в данной области техники очевидны отклонения от данных примеров, которые не выходят за пределы объема изобретения. Специалистам в данной области техники очевидно, что нижеописанные признаки можно различным образом комбинировать для создания нескольких вариантов изобретения. В результате, изобретение ограничено не нижеописанными конкретными примерами, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.

На фиг.1 изображен кориолисовый расходомер 5, содержащий расходомерный узел 10 измерительную электронную аппаратуру 20. Измерительная электронная аппаратура 20 подсоединена к измерительному узлу 10 проводами 100 для выдачи информации плотности, массового расхода, объемного расхода, полного массового потока, температуры и другой информации по каналу 26.

Расходомерный узел 10 содержит пару фланцев 101 и 101', коллекторы 102 и 102', привод 104, первичные датчики 105-105' и расходомерные трубы 103A и 103B. Привод 104 и первичные датчики 105 и 105' подсоединены к расходомерным трубам 103A и 103B.

Фланцы 101 и 101' закреплены к коллекторам 102 и 102'. Коллекторы 102 и 102' закреплены к противоположным торцам распорной детали 106. Распорная деталь 106 обеспечивает промежуток между коллекторами 102 и 102' для предотвращения нежелательных колебаний в расходомерных трубах 103A и 103B. Когда расходомерный узел 10 вставлен в трубопроводную систему (не показана), которая транспортирует измеряемый материал, материал поступает в расходомерный узел 10 через фланец 101, проходит через впускной коллектор 102, в котором все количество материала направляется для поступления в расходомерные трубы 103A и 103B, протекает по расходомерным трубам 103A и 103B и обратно в выпускной коллектор 102', через который материал выходит из измерительного узла 10 через фланец 101'.

Расходомерные трубы 103A и 103B подобраны и соответственно закреплены к впускному коллектору 102 и выпускному коллектору 102' так, чтобы данные трубы характеризовались по существу одинаковыми распределениями массы, моментами инерции и модулями упругости относительно осей W-W и W'-W' изгиба соответственно. Расходомерные трубы продолжаются наружу из коллекторов по существу параллельно.

Расходомерные трубы 103A-B перемещаются приводом 104 в противоположных направлениях вокруг их соответствующих осей W и W' изгиба, и данное перемещение именуется первой модой противофазных изгибных колебаний расходомера. Привод 104 может содержать одну из многих широко известных конструкций, например магнит, закрепленный на расходомерной трубе 103A, и противолежащую катушку, закрепленную на расходомерной трубе 103B. Через противолежащую катушку пропускается переменный ток, чтобы возбуждать колебания обеих труб. Подходящий сигнал возбуждения подается измерительной электронной аппаратурой 20 по проводам 110 в привод 104.

Измерительная электронная аппаратура 20 передает сигналы датчиков по проводам 111 и 111' соответственно. Измерительная электронная аппаратура 20 выдает по проводам 110 сигнал возбуждения, который вызывает возбуждение приводом 104 колебаний расходомерных труб 103A и 103B. Измерительная электронная аппаратура 20 обрабатывает сигналы левой и правой скоростей от первичных датчиков 105 и 105' для вычисления массового расхода. Канал 26 обеспечивает средство ввода и вывода, которое позволяет измерительной электронной аппаратуре 20 взаимодействовать с оператором. Описание фиг.1 служит только для примера работы кориолисового расходомера и не предназначено для ограничения идеи настоящего изобретения.

На фиг.2 показана измерительная электронная аппаратура 20 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Измерительная электронная аппаратура 20 содержит связной интерфейс 201, систему 202 обработки данных и запоминающую систему 203. Система 202 обработки данных связана со связным интерфейсом 201.

Связной интерфейс 201 допускает информационный обмен между измерительной электронной аппаратурой 20 и внешними устройствами. Связной интерфейс 201 допускает передачу вычисленных характеристик потока во внешнее устройство по каналу 26. Внешние устройства могут содержать расходомерный узел 10 (по проводам 100 на фиг.1), контрольное устройство или устройства (по каналу 26 на фиг.1) или любой вид пользовательского интерфейса или устройства связи. Связной интерфейс 201 допускает прием данных измерений параметров потока из расходомерного узла 10 по проводам 100. Связной интерфейс 201 может допускать связь любого типа из, например, электронной, оптической или беспроводной. Интерфейс 26 может допускать связь по телефонным системам и/или цифровым сетям данных. Следовательно, измерительная электронная аппаратура 20 может сообщаться с удаленными расходомерами, удаленными устройствами обработки/контроля, удаленными запоминающими средами и/или удаленными пользователями.

Система 202 обработки данных выполняет операции измерительной электронной аппаратуры 20 и обрабатывает данные измерений параметров потока из расходомерного узла 10. Система 202 обработки данных исполняет подпрограмму 210 обработки и обрабатывает данные измерений параметров потока для получения, по меньшей мере, одной характеристики потока. Система 202 обработки данных может содержать универсальный компьютер, микропроцессорную систему, логическую схему или некоторое другое универсальное или специализированное устройство обработки. Система 202 обработки данных может быть распределена между несколькими устройствами обработки. Система 202 обработки данных может содержать объединенный или независимый электронный носитель данных любого типа, например, запоминающую систему 203. В альтернативном варианте запоминающая система 203 может содержать независимый электронный носитель данных, связанный с системой 202 обработки данных.

Запоминающая система 203 может хранить параметры и данные расходомера, системные подпрограммы, постоянные величины и переменные величины. В одном варианте осуществления запоминающая система 203 содержит подпрограмму 210 обработки, которая исполняется системой 202 обработки данных. Запоминающая система 203 хранит переменные, используемые для управления расходомерного узла 10. Запоминающая система 203 в одном варианте осуществления хранит такие переменные, как первая частота 211 колебаний, по меньшей мере, вторая частота 212 колебаний, первая колебательная характеристика 213, вторая колебательная характеристика 214 и период 215 времени развертки.

Запоминающая система 203 хранит, по меньшей мере, одну характеристику потока, полученную из данных измерений параметров потока. Запоминающая система 203 в одном варианте осуществления хранит характеристики потока, например массовый расход 220, плотность 221, кинематическую вязкость 222, динамическую вязкость 223, скорость 224 сдвига, число 225 Рейнольдса, скорость 226 звука (VOS) и коэффициент 227 затухания (или коэффициент добротности Q). Следует понимать, что могут быть определены и записаны также другие характеристики потока, например температура и/или давление.

Массовый расход 220 является результатом измерения массового потока через расходомерный узел 10. Плотность 221 является плотностью проточного материала в расходомерном узле 10.

Вязкость текучей среды может определяться как сопротивление текучей среды сдвигу или потоку и является мерой адгезивных/когезионных свойств текучей среды. Данное сопротивление вызвано межмолекулярным трением, проявляющимся, когда первый слой текучей среды стремится к сдвигу по другому слою текучей среды. Измерение вязких свойств текучей среды желательно для надлежащей разработки и эксплуатации оборудования для перекачивания, измерения текучей среды или иной работы с ней.

Кинематическую вязкость 222 можно определить как отношение динамической вязкости к плотности. Кинематическую вязкость 222 можно вычислить из динамической вязкости 223 и плотности 221. Динамическую вязкость 223 можно определить как тангенциальное усилие на единицу площади, необходимое для перемещения одной горизонтальной плоскости относительно другой с единичной скоростью, при разделении их единичным расстоянием текучей среды.

Скорость сдвига 224 можно определить как скорость изменения скорости, с которой один слой текучей среды проходит по другому слою текучей среды.

Число 225 Рейнольдса можно определить как меру значимости инерции для эффектов вязкости. При больших числах Рейнольдса поток может становиться турбулентным и демонстрировать количественно иной характер, чем та же самая жидкость при низких числах Рейнольдса.

VOS 226 является скоростью звука в проточной среде. Например, VOS 226 может изменяться при изменениях проточной среды, может изменяться при изменениях плотности проточной среды или может изменяться при изменениях состава текучей среды.

Коэффициент 227 затухания можно определить как меру ослабления колебаний проточной средой. В качестве альтернативы, коэффициент 227 затухания можно определить как меру вязкости проточной среды.

Система 202 обработки данных исполняет подпрограмму 210 обработки данных для определения, по меньшей мере, одной характеристики потока. Подпрограмма 210 обработки данных при исполнении системой 202 обработки данных настраивает конфигурацию системы 202 обработки данных так, чтобы возбуждать колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы 103 расходомера 5 с первой частотой 211 колебаний, измерять первую колебательную характеристику 213, по меньшей мере, одной расходомерной трубы 103, при этом первая колебательная характеристика 213 формируется в ответ на первую частоту 211 колебаний, возбуждать колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы 103 с, по меньшей мере, второй частотой 212 колебаний, измерять вторую колебательную характеристику 214, при этом вторая колебательная характеристика 214 формируется в ответ на вторую частоту 212 колебаний, и определять, по меньшей мере, массовый расход 220 и вязкость проточной среды с использованием первой колебательной характеристики 213 и второй колебательной характеристики 214 (смотри фиг.3).

Первая колебательная характеристика 211 и вторая колебательная характеристика 212 могут содержать любые требуемые частоты. В одном варианте осуществления первая частота 211 колебаний и вторая частота 212 колебаний по существу равноотстоят вверх и вниз от частоты основной гармоники расходомерного узла 10. Однако возможно использование других частот, в зависимости от проточной среды и окружающей среды.

В одном варианте осуществления подпрограмма 210 обработки данных может скачком переключаться между первой частотой 211 колебаний и второй 212 частотой колебаний. В другом варианте осуществления подпрограмма 210 обработки данных может по существу одновременно возбуждать колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы 103 с первой частотой колебаний и второй частотой колебаний. В еще одном альтернативном варианте осуществления подпрограмма 210 обработки данных может качать частоту колебаний привода 104 между первой частотой 211 колебаний и второй частотой 212 колебаний, при этом фактическая частота привода перестраивается между двумя частотами с периодом 215 времени развертки.

На фиг.3 представлена блок-схема 300 последовательности операций способа для определения характеристик потока в кориолисовом расходомере 5 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. На этапе 301 в устройстве 10 с расходомерной трубкой возбуждаются приводом 104 колебания с первой частотой 211 колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний. Первая частота 211 колебаний может быть частотой основной гармоники расходомерного узла 10 или может быть частотой выше или ниже частоты основной гармоники.

На этапе 302 измеряют первую колебательную характеристику 213. Измерение заключается в приеме сигналов от первичных датчиков 105 и использовании измерительных сигналов для определения разности фаз между двумя первичными датчиками 105. Первая колебательная характеристика 213 формируется расходомерным узлом 10 в ответ на первую частоту 211 колебаний, формируемую приводом 104.

На этапе 303 в расходомерном узле 10 возбуждаются приводом 104 колебания со второй частотой 212 колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний. Вторая частота 212 колебаний может быть любой частотой, которая не является первой частотой 211 колебаний. В одном варианте осуществления первая и вторая частоты 211 и 212 колебаний по существу равноотстоят вверх и вниз от частоты основной гармоники расходомерного узла 10. Однако, как замечено ранее, первая и вторая частоты 211 и 212 колебаний могут содержать любые требуемые частоты.

На этапе 304 измеряют вторую колебательную характеристику 214. Вторая колебательная характеристика 214 формируется расходомерным узлом 10 в ответ на вторую частоту 212 колебаний, формируемую приводом 104.

На этапе 305 массовый расход и другие характеристики потока определяются измерительной электронной аппаратурой 20 по первой и второй колебательным характеристикам 213 и 214. При получении, по меньшей мере, двух колебательных характеристик, измерительная электронная аппаратура 20 может определить многие характеристики потока. Характеристики потока могут содержать плотность 221, кинематическую вязкость 222, динамическую вязкость 223, скорость 224 сдвига, число 225 Рейнольдса, VOS 226 и коэффициент 227 затухания проточного материала в расходомерном узле 10.

Колебательную конструкцию кориолисового расходомера 5 можно описать как резонатор с одной степенью свободы, который подчиняется дифференциальному уравнению:

где правая часть представляет нормированную силовую функцию колебаний, и ς означает коэффициент затухания. В данном уравнении x означает мгновенное отклонение расходомерной трубки и члены dx/dt и dx²/dt² представляют производные первого и второго порядка отклонения соответственно.

Частотная характеристика данной системы определяется выражением:

с амплитудной характеристикой вида:

и с фазовой характеристикой Φ вида;

На фиг.4A представлены кривые амплитудно-частотных характеристик для трех разных значений коэффициента ς затухания, а на фиг.4B представлены три кривые соответствующих фазочастотных характеристик. Три кривые отражают коэффициенты затухания ς=0,05, ς=0,1 и ς=0,2. Поэтому из графиков можно видеть, что коэффициент ς затухания можно связать и вывести из фазы и амплитуды колебательных характеристик на, по меньшей мере, двух частотах ω₁ и ω₂.

Частота незатухающих колебаний резонатора фиксируется в коэффициенте добротности Q, который определяется как:

где коэффициент добротности Q является эквивалентом коэффициента ς затухания.

Для слабо демпфированных систем (т.е. для которых ς<<1) можно показать, что:

где ω₂ и ω₁ являются частотами по уровню половинной мощности, в которых амплитудная характеристика расходомерного узла 10 снижается до значения (Q/√(2)). Величина:

известна также как 3-дБ ширина полосы частот системы. Следует отметить, что обычно координата максимума характеристики ω₀ задается уравнением:

означающим, что максимум характеристики ω₀ приходится на частоту ниже, чем собственная частота ω_n незатухающих колебаний.

Динамическая вязкость (v) проточной среды, протекающей через кориолисовый массовый расходомер, будет непосредственно изменять коэффициент добротности Q конструкции. Чем больше вязкость проточной среды, тем более демпфирована система. Действительно, динамическая вязкость v проточной среды и коэффициент добротности Q связаны выражением:

где K_v означает коэффициент пропорциональности, который поделен на корень квадратный из вязкости v. Это предполагает, что способ, который позволяет расходомеру 5 измерять коэффициент ς затухания системы (или, что эквивалентно, ее коэффициент добротности Q), будет давать динамическую вязкость v, при соответствующей калибровке.

Существует несколько способов, которые можно использовать для определения коэффициента добротности Q. По первому способу коэффициент добротности Q измеряют непосредственно согласно определению уравнения (5), путем измерения максимальной амплитуды |G(ω)|_max. Для этого расходомерный узел 10 можно приводить в движение без обратной связи, при непрерывном спектре частот возбуждения, включающих в себя ω₀. Это выполняется при выдерживании постоянной мощности привода с целью нормирования. Трудность данного подхода состоит в том, что он требует определенной абсолютной калибровки амплитудной характеристики, которая может быть зашумленной и неточной и не учитывает переменный характер эффективности первичного датчика.

По второму способу расходомерную трубу или трубы приводят в движение до их номинальной амплитуды отклонения, периодически отключают движущее усилие и при этом контролируют затухание амплитуды колебаний. Время, уходящее на снижение амплитуды до уровня 0,707 от ее максимальной величины, будет давать альтернативный критерий коэффициента добротности Q. Сложности, встречающиеся при использовании данного способа, обусловлены прерывистым характером задающей функции, которая будет мгновенно и периодически снижать качество измерения массового расхода.

По третьему способу коэффициент добротности Q расходомерного узла 10 измеряют с приведением расходомерного узла 10 в движение последовательно на частотах ω₂ и ω₁ уровня половинной мощности и на частоте ω₀ максимума характеристики. Данный подход является заманчивым, так как коэффициент добротности полностью зависит от механических свойств резонатора и не зависит от эффективности привода 104 или эффективности первичных датчиков 105. Трудность при данном подходе состоит в том, что, когда расходомерный узел 10 переключают с одной частоты на другую (например, с ω₁ на ω₀), расходомерный узел 10 испытает срыв и будет нуждаться в некотором времени для возвращения в стабильный режим работы. Во время данного периода стабилизации вся информация о процессе (о вязкости, плотности и массовом расходе) может быть потеряна, или может серьезно пострадать качество измерения.

Изобретение обеспечивает по существу непрерывное и устойчивое измерение, по меньшей мере, массового расхода, плотности и вязкости.

На фиг.5 показан контур обратной связи для регулирования частоты колебаний, подводимых к расходомерному узлу 10. Контур обратной связи может содержать кориолисовый датчик 500 (т.е. расходомер 5), фазовращатель 501, цифроаналоговый (D/A) преобразователь 502, аналого-цифровой (A/D) преобразователь 503 и фазочувствительный датчик 504. В процессе работы фазовращатель 501 формирует цифровой сигнал возбуждения, который преобразуется в аналоговый сигнал возбуждения в D/A 502 и подается в кориолисовый датчик 500. Выходной измерительный сигнал подается в A/D 503, который оцифровывает аналоговый измерительный сигнал и подает его в фазовращатель 501. Фазочувствительный датчик 504 сравнивает входную фазу (возбуждения) с выходной фазой (датчика) и формирует фазоразностный сигнал для фазовращателя 501. В результате, фазовращатель 501 может управлять сдвигом фазы и частотой сигнала возбуждения, подаваемого в кориолисовый датчик 500.

Как показано на фиг.5, изобретение управляет фазой между входом и выходом датчика так, чтобы непрерывно циклически переключать резонансные колебания в замкнутом контуре между первой и второй частотами ω₂ и ω₁ колебаний, при поддерживании системы в режиме управления с обратной связью. Такое управление фазой можно реализовать цифровыми методами с помощью стандартных технологий систем фазовой автоподстройки частоты. В одном варианте осуществления управление с обратной связью можно реализовать соответственно запрограммированным цифровым процессором сигналов (DSP). Применимы другие технологии управления с обратной связью или циклического управления, не выходящие за пределы объема описания и формулы изобретения.

Заданная установка фазы, показанная на фиг.5, является периодической функцией времени, например:

при индексе ∆Φ фазовой модуляции и периоде модуляции Т_ф, составляющими порядка нескольких секунд в одном варианте осуществления. При подобном медленном регулировании изменения фазы частота колебаний системы в замкнутом контуре будет непрерывно изменяться, как показано фазовой кривой, представленной на фиг.4B. Поэтому, для каждого периода времени Т_ф все соответствующие переменные (ω₀, ω₁, ω₂ и массовый расход) можно измерить прослеживанием соответствующей амплитудной характеристики по непрерывному спектру рабочих частот ω_E[ω₁, ω₂], без необходимости абсолютной калибровки амплитудной характеристики.

В зависимости от необходимой постоянной времени, плотность ρ можно определять разными способами. Например, в одном варианте осуществления плотность ρ можно определить периодической коррекцией выходной плотности каждый раз, когда фаза проходит через фазовую точку ρ_cal калибровки плотности. В другом варианте осуществления плотность ρ можно определять динамически введением коэффициента частотной коррекции, при этом коэффициент частотной коррекции зависит от фактической фазы и вязкости продукта.

Скорость 224 сдвига можно определять по массовому расходу 220 через расходомерный узел 10 и по собственной резонансной частоте расходомерного узла 10. Следовательно, путем изменения расхода и/или путем изменения резонансной частоты расходомера 5 посредством переключения на другую моду колебаний, можно модифицировать скорость 224 сдвига. Данная возможность приводит к возможности по существу одновременного определения параметров неньютоновских или жидких продуктов. Текучие среды, для которых сдвиговое напряжение находится в линейной связи со скоростью сдвиговой деформации, именуются ньютоновскими текучими средами. Ньютоновские материалы называются идеальными жидкостями, поскольку их вязкость или консистенция не зависят от сдвига, например, при перемешивании или перекачивании насосом, при постоянной температуре. К счастью, большинство общеизвестных текучих сред, как жидкостей, так и газов, является ньютоновскими, включая воду и масла.

Числа R_e 225 Рейнольдса для проточной среды можно определить из трех основных измерений, которые одновременно выполняются расходомерным узлом 10, т.е. числа

R_e 225 Рейнольдса можно определить из массового расхода 220, плотности 221 и динамической вязкости 223.

Колебательные характеристики, формируемые кориолисовым расходомером 5, можно дополнительно использовать в других целях. Например, в одном варианте осуществления, по меньшей мере, две колебательные характеристики можно использовать для определения жесткости при изгибе расходомерного узла 10. Жесткость при изгибе можно применить для коррекции калибровочного коэффициента потока (FCF) с учетом изменения жесткости.

Коэффициенты, которые влияют на жесткость при изгибе, сказываются также на чувствительности кориолисового расходомера (калибровочный коэффициент потока). Жесткость при изгибе представляет собой статическую жесткость пружины, получаемую при изгибе расходомерной трубы силами с известной схемой приложения и при измерении отклонения расходомерной трубы. Для измерения жесткости при изгибе можно воспользоваться любой схемой приложения сил при условии ее инвариантности. Например, жесткость при изгибе для защемленной балки определяется следующим образом:

где

F - сила (Н);

E - модуль Юнга (Н/м²);

I - момент инерции (м⁴);

L - длина (м);

K_flex - жесткость расходомерной трубы при изгибе.

В кориолисовом расходомере, если жесткость при изгибе изменяется, то должен изменяться калибровочный коэффициент. Жесткость при изгибе кориолисового расходомера определяется следующим образом:

где

C_P - влияние схемы приложения сил на жесткость при изгибе;

C_G - влияние геометрии изгиба недеформированной трубы на жесткость при изгибе;

C_S - влияние напряжения недеформированной трубы на жесткость при изгибе.

Для кориолисового расходомера с прямой трубой без предварительного напряжения нижеследующие выражения показывают зависимость калибровочного коэффициента от El:

Следовательно, калибровочной коэффициент потока (FCF) для прямой трубы равен:

где C является константой, определяемой по виду моды и местам расположения первичных датчиков.

Жесткость при изгибе расходомерной трубы можно также определить оценкой точек на амплитудно-частотной характеристике (FRF) трубы при определенных частотах. Данные точки затем используют для аппроксимации модели с одной степенью свободы по данным и для определения точки DC (например, прохождения через нуль) на FRF.

Калибровочный коэффициент потока можно проверить с использованием метода оценки на нескольких частотах. Оценка на нескольких частотах начинается с определения констант m₁, c₁, k₁, ω₁, ζ₁ и A₁ с использованием любого способа идентификации системы во временной или частотной области. Применяют методику аппроксимации кривой для аппроксимации рациональной модели передаточной функции для непрерывного времени по вектору H комплексной частотной характеристики H на группе частот в векторе W (радиан/секунда). Число и местоположение (в частной области) частных значений FRF влияет на качество аппроксимации. Хорошую аппроксимацию получают при использовании всего двух частных значений частотной характеристики. Полученная модель имеет вид:

Данные частотной характеристики подвижности (скорости) датчика привода преобразуют в форму динамической приемистости (отклонения). Измеренные данные H частотной характеристики подвижности следует умножать на 1/(iω). Измеренная частотная характеристика H подвижности контура привода должна давать переход от тока (пропорционального усилию) приводной катушки в напряжение (пропорциональное скорости) первичного датчика.

Преобразование данных подвижности в данные приемистости дает H(s) в виде:

где a(1)=1. Представляющие интерес параметры моды получают из модели передаточной функции следующим образом:

Затем можно вычислить физические параметры с использованием следующих уравнений:

После определения физических параметров определяют и корректируют изменения калибровочного коэффициента потока, а также других параметров (включая изменения массы и длины расходомерной трубы).

В качестве дополнительной возможности, по меньшей мере, две колебательные характеристики можно также использовать для обнаружения и различения конструктивных изменений расходомера, например эрозии, коррозии и покрытия расходомерной трубы. В одном подобном варианте осуществления возбуждают колебания кориолисового расходомера 5 на его резонансной частоте, чтобы расходомер 5 мог измерять массу и плотность. Измерение массы основано на следующем уравнении:

где - массовый расход; FCF - калибровочный коэффициент потока; ∆t - время задержки; ∆t_o - время задержки при нулевом потоке.

Член FCF пропорционален жесткости расходомера. Жесткость является превалирующим параметром, который влияет на рабочие характеристики измерительного прибора. Если жесткость расходомера изменяется, то изменится АСА измерительного прибора. Изменение рабочих характеристик расходомеров может быть обусловлено, например, коррозией, эрозией и покрытием.

Уравнение (19) можно переписать, чтобы отразить в нем жесткость:

где G - геометрическая постоянная, соответствующая конкретному датчику; E - модуль Юнга; I - момент инерции.

Момент I инерции площади изменяется, когда изменяется расходомерная трубка измерительного прибора. Например, если трубка подвергается коррозии, уменьшающей толщину стенок, то момент инерции площади уменьшается.

В одном варианте осуществления изобретение предлагает способ обнаружения и различения конструктивных изменений расходомера по зарегистрированным изменениям расхода. Способ начинается с определения массового расхода с использованием нескольких мод и следующего уравнения:

Когда возбуждается несколько мод либо шумами потока, либо возбуждением вынужденных колебаний, колебания моды будут связаны с массовым расходом через расходомерную трубу, что вызывает кориолисовый отклик для каждой моды. Кориолисовый отклик дает соответствующую величину ∆t, которую применяют для вычисления показания массового потока для каждой моды.

Показания массового потока для каждой моды сравниваются. Полученный массовый расход должен быть одним и тем же для каждой моды. Если показания массового потока равны, то по результатам сравнения формируется сигнал «правильной работы», и исполнение способа начинается снова. Сигнал «правильной работы» может быть в форме, например, визуального или звукового сигнала для пользователя.

Когда имеет место расхождение между массовыми расходами, которое выходит за допустимые пределы, выдается сигнал ошибки. Сигнал ошибки может вызывать принятие разнообразных мер. Например, сигнал ошибки может вызывать остановку исполнения способа или может вызывать визуальный или звуковой предупредительный сигнал для пользователя, который может затем принимать соответствующие меры.

Измерения плотности кориолисовым расходомером 5 основаны на следующем уравнении:

где k - жесткость узла; m - масса узла; f - частота колебаний; τ - период колебаний.

Уравнение (22) является решением уравнения перемещений для системы с одной степенью свободы. Кориолисовый расходомер при нулевом потоке представлен раскрытием уравнения (22), которое дает:

где E - модуль Юнга; I - момент инерции сечения; G_ρ - геометрическая постоянная; A - площадь сечения; ρ - плотность; f - текучая среда в расходомере; t - материал расходомерных(ой) труб(ы).

Путем перестановки членов уравнение (23) можно переписать следующим образом:

где

Геометрическая постоянная G_ρ учитывает такие геометрические параметры, как длина и форма трубы. Постоянные C₁ и С₂ определяются как часть нормального калибровочного процесса при нулевом потоке на двух разных текучих средах.

В одном варианте осуществления изобретение предлагает способ обнаружения и различения конструктивных изменений расходомера по изменениям зарегистрированной плотности. Способ начинается с определения плотности ρ с использованием нескольких мод. Несколько мод могут возбуждаться либо шумами потока, либо вынужденными колебаниями.

Показания плотности для каждой моды сравниваются. Полученное показание плотности должно быть одним и тем же для каждой моды. Если плотности равны, то по результатам сравнения формируется сигнал «правильной работы», и исполнение способа начинается снова. Сигнал «правильной работы» может быть в форме, например, визуального или звукового сигнала для пользователя.

Когда имеет место расхождение между показаниями плотности, которое выходит за допустимые пределы, выдается сигнал ошибки. Сигнал ошибки может вызывать принятие разнообразных мер. Например, сигнал ошибки может вызывать остановку исполнения способа или может вызывать визуальный или звуковой предупредительный сигнал для пользователя, который может затем принимать соответствующие меры.

Кориолисовый расходомер и способ в соответствии с настоящим изобретением можно применять в соответствии с любым из вариантов осуществления для обеспечения, по желанию, нескольких преимуществ. Изобретение обеспечивает расходомер, который допускает измерение различных характеристик потока. Изобретение обеспечивает измерение характеристик потока с использованием, по меньшей мере, первой и второй частот колебаний для возбуждения расходомерного узла. Изобретение предлагает эффективное управление кориолисовым расходомером для обеспечения дополнительных измерений динамической вязкости, кинематической вязкости и плотности без снижения показателей измерения массового потока расходомером. Изобретение может дополнительно обеспечивать величины скорости сдвига, числа Рейнольдса, VOS и коэффициента затухания. Упомянутые различные характеристики потока дают преимущество получения более подробной и явной информации о составе и характере изменения проточной среды.

Фактически, во всех основных отраслях существуют многочисленные возможности применения изделия, которое одновременно измеряет массовый поток, плотность и вязкость. В одном примере изобретение можно эффективно применять для компаундирования судового топлива, когда керосин смешивают с корабельным топливом до кинематической вязкости согласно спецификации. Получаемую смесь можно одновременно измерять на судне. От решения для данного применения требуются измерения массового расхода, плотности и вязкости.

В другом примере изобретение можно использовать для заполнения бочек смазочным маслом. Существует множество различных смазочных масел, и их обычно изготавливают в одном потоке и заливают партиями в бочки. Во время заполнения партиями бочек требуется точно определять границу между разными смазочными нефтепродуктами для предотвращения загрязнения. Границу определяют по изменению вязкости продукта с использованием измерения вязкости, обеспечиваемого изобретением. Выходной сигнал массового потока служит для точного наполнения партиями бочек с использованием измерения массового расхода, обеспечиваемого изобретением.

В другом примере изобретение можно использовать для получения растворов кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (HFCS), например HFCS-55. Во время получения растворов HFCS каждый раствор будет иметь относительную вязкость (в единицах Брикса) и требования к качеству по вязкости. Вязкость в единицах Брикса определена как процентное содержание твердых частиц в растительном соке или, в качестве альтернативы, как процентное содержание сахарозы (сахара). Очевидно, наличие возможности измерения данных параметров качества одновременно с массовым расходом очень полезно для заказчика.

Измерительная электронная аппаратура (20) кориолисового расходомера возбуждает колебания расходомерной трубы с первой частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний, измеряет первую колебательную характеристику расходомерной трубы, которая формируется в ответ на первую частоту колебаний, возбуждает колебания расходомерной трубы со второй частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний, измеряет вторую колебательную характеристику расходомерной трубы и определяет массовый расход и вязкость (кинематическую, динамическую) с использованием первой и второй колебательных характеристик. Дополнительно определяются плотность, скорость сдвига, число Рейнольдса. Изобретение обеспечивает возможность измерения с помощью расходомера Кориолиса ряда характеристик потока, в том числе параметров качества: плотности и вязкости, без снижения показателей измерения массового расхода. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кориолисовый расходомер (5), содержащий, по меньшей мере, одну расходомерную трубу (103А, 103В), по меньшей мере, два первичных датчика (105, 105′), закрепленных на, по меньшей мере, одной расходомерной трубе (103А, 103В), и привод (104), выполненный с возможностью возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы (103А, 103В), отличающийся тем, что содержит:
измерительную электронную аппаратуру (20), связанную с, по меньшей мере, двумя первичными датчиками (105, 105′) и приводом (104), при этом измерительная электронная аппаратура (20) выполнена с возможностью возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы (103А, 103В) расходомера с первой частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний,
измерения первой колебательной характеристики, по меньшей мере, одной расходомерной трубы (103А, 103В), причем первая колебательная характеристика формируется в ответ на первую частоту возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы (103А, 103В);
возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходомерной трубы с, по меньшей мере, второй частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний,
измерения второй колебательной характеристики, причем вторая колебательная характеристика формируется в ответ на вторую частоту колебаний, и
определения, по меньшей мере, массового расхода и вязкости с использованием первой колебательной характеристики и второй колебательной характеристики.

2. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяется плотность.

3. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяется скорость сдвига.

4. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяется число Рейнольдса.

5. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что вязкость является кинематической вязкостью.

6. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что вязкость является динамической вязкостью.

7. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что изменение частоты между первой частотой колебаний и второй частотой колебаний является скачкообразным.

8. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы (103А, 103В) с первой частотой колебаний и второй частотой колебаний возбуждаются одновременно.

9. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что осуществляется качание между первой частотой колебаний и второй частотой колебаний в течение заданного периода времени развертки.

10. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что первая частота колебаний и вторая частота колебаний, по существу, равноотстоят вверх и вниз от частоты основной гармоники, по меньшей мере, одной расходомерной трубы (103А, 103В).

11. Кориолисовый расходомер по п.1, отличающийся тем, что содержит две, по существу, U-образные расходомерные трубы.

12. Способ определения характеристик потока в кориолисовом расходомере, заключающийся в том, что
возбуждают колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы расходомера с первой частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний и
измеряют первую колебательную характеристику, по меньшей мере, одной расходомерной трубы, причем первая колебательная характеристика формируется в ответ на первую частоту колебаний, отличающийся тем,
что
возбуждают колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы с, по меньшей мере, второй частотой колебаний и на первой моде противофазных изгибных колебаний;
измеряют вторую колебательную характеристику, причем вторая колебательная характеристика формируется в ответ на вторую частоту колебаний; и
определяют, по меньшей мере, массовый расход и вязкость проточной среды с использованием первой колебательной характеристики и второй колебательной характеристики.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно определяют плотность.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно определяют скорость сдвига.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно определяют число Рейнольдса.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что вязкость является кинематической вязкостью.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что вязкость является динамической вязкостью.

18. Способ по п.12, отличающийся тем, что скачкообразно изменяют частоту между первой частотой колебаний и второй частотой колебаний.

19. Способ по п.12, отличающийся тем, что, по существу, одновременно возбуждают колебания, по меньшей мере, одной расходомерной трубы с первой частотой колебаний и второй частотой колебаний.

20. Способ по п.12, отличающийся тем, что осуществляют качание частоты между первой частотой колебаний и второй частотой колебаний в течение заданного периода времени развертки.

21. Способ по п.12, отличающийся тем, что первая частота колебаний и вторая частота колебаний, по существу, равноотстоят вверх и вниз от частоты основной гармоники, по меньшей мере, одной расходомерной трубы.