專利名稱：科里奧利質(zhì)量流量/密度測量裝置以及在該裝置中補(bǔ)償測量誤差的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有振動型轉(zhuǎn)換器的在線檢測裝置，尤其是涉及一種關(guān)于在管道內(nèi)流動的介質(zhì)、特別是兩相或多相介質(zhì)的科里奧利質(zhì)量流量/密度測量裝置，還涉及一種通過這種振動轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個表示介質(zhì)的物理測量量的測量值，例如質(zhì)量流速、密度和/或粘度的方法。此外，本發(fā)明還涉及一種用于補(bǔ)償在這種在線測量裝置內(nèi)的、由兩相或多相混合物造成的測量誤差的方法。

背景技術(shù)：
在工藝測試和自動化技術(shù)中，對于管道內(nèi)流動的介質(zhì)的物理參數(shù)的測量，如質(zhì)量流速、密度和/或粘度，使用這種測量裝置，尤其是科里奧利質(zhì)量流量/密度測量裝置，其通過利用被插入到承載介質(zhì)的管道的路線內(nèi)中的、并在介質(zhì)操作過程中橫動的振動型轉(zhuǎn)換器-如下文中的振動轉(zhuǎn)換器，以及通過利用與之相連的測量和操作電路，來形成介質(zhì)內(nèi)的反應(yīng)力，如和質(zhì)量流速相對應(yīng)的科里奧利(Coriolis)力、和密度相對應(yīng)的慣性力或和粘度相對應(yīng)的摩擦力。由這些反應(yīng)力的推導(dǎo)，該測量裝置產(chǎn)生表示介質(zhì)的特定質(zhì)量流速、特定粘度和/或特定密度的測量信號。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知這種類型的使用振動轉(zhuǎn)換器的在線測量裝置，以及其操作方式，例如在WO-A 03/095950，WO-A 03/095949，WO-A 03/076880，WO-A 02/37063，WO-A 01/33 174，WO-A 00/57141，WO-A 99/39164，WO-A 98/07009，WO-A 95/16897，WO-A 88/03261，US2003/0208325，US-B 6,745,135，US-B 6,691,583，US-B 6,651,513，US-B6,636,815，US-B 6,513,393，US-B 6,505,519，US-B 6,311,136，US-A6,006,609，US-A 5,869,770，US-A 5,796,011，US-A 5,616,868，US-A5,602,346，US-A 5,602,345，US-A 5,531,126，US-A 5,301,557，US-A5,253,533，US-A 5,218,873，US-A 5,069,074，US-A 4,876,898，US-A4,733,569，US-A 4,660,421，US-A 4,524,610，US-A 4,491,025，US-A4,187,721，EP-A 1291639，EP-A 1281938，EP-A 1 001 254 or EP-A 553939中所進(jìn)行詳細(xì)描述的。
為引導(dǎo)所述介質(zhì)，振動轉(zhuǎn)換器包括至少一個具有被固定在如管狀或盒型支撐殼體內(nèi)的直管段的測量管。為了在操作過程中產(chǎn)生上述反應(yīng)力，由電機(jī)勵磁機(jī)驅(qū)動使該管段振動。為了記錄管段的振動，尤其是在其入口和出口端的振動，振動轉(zhuǎn)換器還具有一個對管段的運(yùn)動起反應(yīng)的電子物理轉(zhuǎn)換器裝置。
在科里奧利質(zhì)量流量測量裝置的外殼中，在管道內(nèi)流動的介質(zhì)的流速的測量在于，使介質(zhì)流經(jīng)被插入到管道內(nèi)的測量管，并在橫向于測量管軸線的操作過程中振蕩，從而在介質(zhì)內(nèi)引入科里奧利力。反過來，出現(xiàn)的效果是測量管入口和出口端部區(qū)域相對于彼此同相移位振蕩。該相位偏移的幅值用作質(zhì)量流速的測量。為此，通過沿測量管的長度彼此分離的兩個上述轉(zhuǎn)換器裝置的振蕩轉(zhuǎn)換器來記錄該測量管的振蕩，并將之轉(zhuǎn)換為振蕩測量信號，由信號的相對彼此的相位偏移得出質(zhì)量流速。
此外，上述US-A 4,187,721中已經(jīng)描述了，流動介質(zhì)的瞬時密度還可通過這種在線測量裝置測量，實際上是在由轉(zhuǎn)換器裝置傳送的至少一個振蕩測量信號的基礎(chǔ)上測量。此外，還可以適當(dāng)?shù)姆绞街苯訙y量介質(zhì)的溫度，如通過設(shè)置在測量管的溫度轉(zhuǎn)換器。此外，正如已知的，當(dāng)被激勵為圍繞著基本平行于或重合于測量管的縱軸而延伸的扭轉(zhuǎn)振蕩軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振蕩時，直的測量管的作用是，隨著介質(zhì)流經(jīng)該管，而在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生徑向剪切力，從而從扭轉(zhuǎn)振蕩中回收大量振動能，并將之分散在介質(zhì)中。這樣的結(jié)果是，振蕩測量管的扭轉(zhuǎn)振蕩產(chǎn)生大的阻尼，使得額外地，必須增加電激勵功率，以維持扭轉(zhuǎn)振蕩。在維持測量管的扭轉(zhuǎn)振蕩所需的電激勵功率的基礎(chǔ)上，可使用振動轉(zhuǎn)換器至少近似確定介質(zhì)的粘度，也可以連同于US-A 4,524,610，US-A 5,253,533，US-A 6,006,609或US-B 6,651,513進(jìn)行比較。因此，下文無需更多的描述，即使沒有明顯指出，可以假定，使用振動轉(zhuǎn)換器的、特別是是科里奧利質(zhì)量流量測量裝置的現(xiàn)代在線測量裝置具有測量在任意情況下的介質(zhì)的密度、粘度和/或溫度的能力，尤其是因為這些參數(shù)在質(zhì)量流速的測量中，對于在介質(zhì)的波動的密度和/或粘度中所產(chǎn)生的測量誤差的補(bǔ)償是必要的；也可以連同于已經(jīng)提及的US-B 6,513,393，US-A6,006,609，US-A 5,602,346，WO-A 02/37063，WO-A 99/39164或WO-A00/36379進(jìn)行比較。由于其高準(zhǔn)確度和高靈活性，具有振動轉(zhuǎn)換器的、尤其是科里奧利流速計的測量裝置廣泛應(yīng)用于這種裝置的單相液體或氣體的流速和密度測量的工業(yè)。
然而，還已知，如果在所處理的液體內(nèi)混入第二相，這種裝置的準(zhǔn)確度可大幅降低。然而，在使用振動測量拾取器的在線測量裝置的應(yīng)用中，正如JP-A 10-281846，WO-A 03/076880，EP-A 1 291 639，US-B6,505,519或US-A 4,524,610中所討論的，很顯然，在這種非均質(zhì)的介質(zhì)、尤其是兩相或多相介質(zhì)的情況下，由測量管的振蕩、尤其是所提及的相位偏移所產(chǎn)生的振蕩測量信號，可振蕩至相當(dāng)大的程度，從而，在一些情況下，盡管保持介質(zhì)的各相的粘度和密度以及質(zhì)量流速實際上恒定和/或適當(dāng)考慮它們，但是不使用輔助裝置就會使得所述的振蕩測量信號完全不能用于所需物理參數(shù)的測量。這種非均質(zhì)介質(zhì)可為例如液體，正如實際上在調(diào)配或裝瓶過程中不可避免地，在管道內(nèi)存在的氣體，尤其是空氣會混入該液體，或者已溶解介質(zhì)，如二氧化碳從該溶液中除氣并導(dǎo)致泡沫形成。作為這種非均質(zhì)介質(zhì)的其它例子，可叫做乳劑、濕潤或飽和蒸汽。至于通過振動轉(zhuǎn)換器測量非均質(zhì)介質(zhì)所產(chǎn)生的振蕩的原因，可通過例子注意如下內(nèi)容在液體中所混入的氣泡或固體顆粒的單側(cè)附著或沉淀在內(nèi)部的測量管壁上，即所謂的“氣泡效應(yīng)”，其中，液體中混入的氣泡用作沿測量管的縱軸橫切加速的液體體積的流動體。
尤其這種氣泡會產(chǎn)生很大的誤差。為解釋氣泡效應(yīng)的這種現(xiàn)象，Grumski等[Grumski，J.T.，and R.A.Bajura，Performance of aCoriolis-Type Mass Flowmeter in the Measurement of Two-phase(air-liquid)Mixtures，Mass Flow Measurements ASME Winter AnnualMeeting，New Orleans，LA(1984)]以及Hemp等[Hemp，J.and Sultan，G.，On the Theory and Performance of Coriolis Mass Flowmeter，Proceedingsof the International Conference on Mass Flow Measurement，IB C technicalServices，London，1989]提出“氣泡理論”。該理論是基于這種主要思想一方面，密度誤差和相位的個體濃度成比例，其中，該密度誤差可在操作中在給定的真實密度和測量的表觀密度之間檢測；另一個方面，相應(yīng)的質(zhì)量流誤差與該密度誤差嚴(yán)格地成比例。換句話講，依據(jù)該理論，密度和質(zhì)量流誤差可能直接相聯(lián)系。
然而，為了減少和兩相或多相介質(zhì)相關(guān)的測量誤差，WO-A03/076880提出了的實際流速的測量之前的、對應(yīng)于各介質(zhì)的流動的調(diào)節(jié)，例如，JP-A 10-281846，US-B 6,311,136和US-B 6,505,519描述了一種流速測量的、尤其是質(zhì)量流速測量的校正，其基于振蕩測量信號，該校正尤其取決于在操作過程中通過科里奧利質(zhì)量流量測量裝置所確定的、高度精確測量的實際介質(zhì)密度和表觀介質(zhì)密度之間的差別的評估。尤其在US-B 6,505,519或US-B 6,311,136中，還描述了質(zhì)量流量誤差的補(bǔ)償方法。其實質(zhì)上也基于所述氣泡理論，從而使用在參考值和表觀密度之間檢測的密度誤差來補(bǔ)償由兩相或多相混合物所產(chǎn)生的質(zhì)量流誤差。
尤其，為此提出了振蕩測量信號的預(yù)配置(pre-trained)分類器，在一些情況下甚至為自適應(yīng)的。這些分類器例如可涉及為Kohonen圖或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以基于一部分參數(shù)、尤其是操作過程中測量的質(zhì)量流速和密度以及由此得出的其它參數(shù)作出補(bǔ)償，或者也可以使用包括一個或多個振蕩周期的振蕩測量信號的間隔進(jìn)行補(bǔ)償。使用這種分類器帶來的好處，例如是，和傳統(tǒng)的科里奧利質(zhì)量流量/密度計相比，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、勵磁機(jī)設(shè)置或操作電路驅(qū)動方面，對振動轉(zhuǎn)換器不做或僅作很小的改動，其尤其適用于具體的應(yīng)用。然而，這種分類器由大量缺點(diǎn)，其中包括，和傳統(tǒng)的科里奧利質(zhì)量流量測量裝置相比，需要在測量值產(chǎn)生的區(qū)域內(nèi)作大量變化，首要的是關(guān)于所使用的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器和微處理器。即，正如US-B 6,505,519中也描述的，例如在振蕩頻率約80Hz的振蕩測量信號的數(shù)字化中需要這樣一種信號評估，取樣速率約為55kHz或以上，以獲得足夠的準(zhǔn)確度。換句話講，振蕩測量信號必須為具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于600∶1的取樣的樣品。此外，數(shù)字測量電路內(nèi)存儲和執(zhí)行的固件相應(yīng)的復(fù)雜。這種分類器的另一個缺點(diǎn)是，它們必須被配置(train)并且對于在振動轉(zhuǎn)換器的操作過程中實際存在的測量的條件進(jìn)行相應(yīng)的驗證，其涉及裝置的細(xì)節(jié)、要測量的介質(zhì)及其通常的變化特性或其它影響測量準(zhǔn)確性的因素。由于所有這些因素的相互作用的高度復(fù)雜性，配置(train)和驗證必須最終在實地并對每個振動轉(zhuǎn)換器獨(dú)立地進(jìn)行，這反過來意味著要費(fèi)很大勁來啟動振動轉(zhuǎn)換器。最后，還發(fā)現(xiàn)，一方面由于其高度的復(fù)雜性，另一方面由于通常不會確切地存在利用技術(shù)相關(guān)的或綜合的參數(shù)的相應(yīng)物理數(shù)學(xué)模型的情況，這種分類器計算法則呈現(xiàn)很低的透明度，從而通常很難解釋。伴隨這種情況，很清楚地，在顧客部分會出現(xiàn)大量的限制，特別是當(dāng)分類器是自適應(yīng)的例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時尤其會出現(xiàn)這種接受問題。
作為另一種解決非均質(zhì)介質(zhì)的問題的可能，例如US-A 4,524,610提出，安裝振動轉(zhuǎn)換器，這樣，直的測量管基本垂直延伸，以盡可能的防止這種干擾，尤其是氣態(tài)非均質(zhì)的沉積。然而，這里，人們處理一種很特殊的方案，其通常在工業(yè)過程測量技術(shù)中不能實施。一方面，在這種情況下，會出現(xiàn)即插入振動轉(zhuǎn)換器的管道必須和振動轉(zhuǎn)換器相適應(yīng)，相反，這意味著實施該測量定位會增加費(fèi)用。另一方面，正如已經(jīng)提到的，測量管可具有曲線形狀，這種情況下，通過調(diào)節(jié)裝置的取向無論如何不能滿意地解決該問題。此外，還發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，通過使用垂直安裝的直的測量管無論如何都不能必然地防止前述測量信號的破壞。
此外，已發(fā)現(xiàn)，盡管質(zhì)量流誤差的補(bǔ)償基于參考值和表觀密度，尤其是應(yīng)用所述氣泡效應(yīng)，但無論如何，不會很好的消除質(zhì)量流誤差。尤其是，已發(fā)現(xiàn)，該理論僅可解釋負(fù)密度和質(zhì)量流量誤差，而它不能解釋很多試驗所觀察到的正誤差。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供相應(yīng)的在線測量裝置，尤其是科里奧利質(zhì)量流量測量裝置，其適于很準(zhǔn)確的測量物理測量量，尤其是質(zhì)量流速、密度和/或粘度，甚至是在非均質(zhì)，尤其是兩相或多相介質(zhì)的情況下，實際上，尤其可以合適地以對于參考的實際值小于10％的測量誤差。另一個目的是提供產(chǎn)生相應(yīng)的測量值的相應(yīng)的方法。
為達(dá)到該目的，本發(fā)明致力于一種通過在線測量裝置，尤其是科里奧利質(zhì)量流量測量裝置測量管道內(nèi)流動的混合物的物理測量量、尤其是質(zhì)量流速、密度和/或粘度的方法，該測量裝置包括振動型的測量轉(zhuǎn)換器和與所述測量轉(zhuǎn)換器電耦合的測量裝置電子設(shè)備。所述混合物由至少一個主要混合組分和至少一個次要混合組分組成。該方法包括下列步驟使要測量的混合物流經(jīng)所述測量轉(zhuǎn)換器的至少一個測量管，測量管和管道相連通，將勵磁電流饋送到與用于引導(dǎo)混合物的測量管相機(jī)械耦合的勵磁裝置以使測量管進(jìn)行機(jī)械振蕩，以及，驅(qū)動所述測量管以使其以第一自然本征模型的至少一個瞬時反應(yīng)頻率振蕩，并在流經(jīng)所述振動測量管的混合物內(nèi)感生科里奧利力，以及讀出測量管的振動并產(chǎn)生表示振動測量管的振蕩的至少一個振蕩測量信號。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，該方法進(jìn)一步包括利用勵磁電流以及所述至少一個振蕩測量信號來評估科里奧利耦合系數(shù)的步驟。該科里奧利耦合系數(shù)對應(yīng)于由勵磁裝置當(dāng)前驅(qū)動的所述第一自然本征模型和所述測量管的第二自然本征模型之間的瞬時耦合。在第二自然本征模型中，測量管具有與在混合物內(nèi)所感生出的所述科里奧利力產(chǎn)生的振動的模式相對應(yīng)的本征形態(tài)。由于混合物的所述主要和所述次要組分中至少一個的濃度的變化，所述科里奧利耦合系數(shù)隨時間變化。依據(jù)本發(fā)明的另一方面，該方法進(jìn)一步包括步驟將所述至少一個振蕩測量信號和/或勵磁電流連同于所述科里奧利耦合系數(shù)一起使用，以產(chǎn)生表示要測量的物理測量量的測量值。
此外，本發(fā)明涉及一種在線測量裝置，尤其是一種科里奧利質(zhì)量流量/密度測量裝置和/或粘度測量裝置，以測量管道內(nèi)流經(jīng)的兩相或多相混合物的至少一個物理測量量x，尤其是質(zhì)量流速、密度和/或粘度，該在線測量裝置包括振動型轉(zhuǎn)換器和與該振動型轉(zhuǎn)換器電耦合的測量裝置電子設(shè)備。該振動型轉(zhuǎn)換器包括至少一個插入到管道路線內(nèi)的測量管，所述至少一個測量管用于傳導(dǎo)要測量的混合物，所述至少一個測量管和連接管道相連通，作用于測量管的勵磁裝置，以使至少一個測量管產(chǎn)生振動，轉(zhuǎn)換器裝置，以讀出該至少一個測量管的振動、并傳送表示測量管的振蕩的至少一個振蕩測量信號，所述測量裝置電子設(shè)備至少不時地傳送用于驅(qū)動勵磁裝置的勵磁電流，其中，在線測量裝置適于執(zhí)行依據(jù)本發(fā)明的方法。
在本發(fā)明的第一個實施例中，該方法進(jìn)一步包括下列步驟中的至少一個確定由振動測量管內(nèi)的混合物體積所形成的流體諧振器的自然諧振頻率；確定所述流體諧振器的振動的質(zhì)量因數(shù)。依據(jù)本發(fā)明的所述實施例的一個方面，該方法進(jìn)一步包括步驟產(chǎn)生實際上表示所述流體諧振器的振動的所述質(zhì)量因數(shù)的質(zhì)量因數(shù)值。依據(jù)本發(fā)明的所述實施例的一個方面，可利用實際上表示混合物的聲速的聲速值來導(dǎo)出所述流體諧振器的自然諧振頻率。依據(jù)本發(fā)明的所述實施例另一個方面，產(chǎn)生質(zhì)量因數(shù)值的步驟連同于產(chǎn)生實際上表示混合物的所述主要和所述次要組分中的至少一個的濃度的濃度值的步驟被迭代地操作。
在本發(fā)明的第二個實施例中，該方法進(jìn)一步包括下列步驟確定要測量的混合物的聲速，產(chǎn)生實際上表示混合物的聲速的聲速值，以及使用所述聲速值評估所述科里奧利耦合系數(shù)。
在本發(fā)明的第三個實施例中，該方法進(jìn)一步包括下列步驟確定要測量的混合物的空隙率，以及產(chǎn)生實際上表示混合物內(nèi)的所述主要和所述次要組分中的至少一個的濃度的濃度值，以及使用所述濃度值評估所述科里奧利耦合系數(shù)。
在本發(fā)明的第四個實施例中，評估所述科里奧利耦合系數(shù)的步驟進(jìn)一步包括下列步驟中的至少一個確定傳導(dǎo)混合物的振動測量管的瞬時驅(qū)動頻率；確定傳導(dǎo)要測量的混合物的振動測量管的瞬時質(zhì)量因數(shù)；確定混合物的靜壓；確定混合物的表觀密度；以及確定混合物的表觀質(zhì)量流量。
根據(jù)本發(fā)明的所述實施例的一個方面，利用所述勵磁電流導(dǎo)出傳導(dǎo)混合物的振動測量管的質(zhì)量因數(shù)。
在本發(fā)明的第五個實施例中，物理測量量是混合物的所述至少一個主要組分的質(zhì)量流速。
本發(fā)明基于驚人的發(fā)現(xiàn)，即和“經(jīng)典氣泡理論”相反，密度和質(zhì)量流量誤差不直接相聯(lián)系。此外，研究表明，密度誤差和質(zhì)量流量誤差似乎通常不相關(guān)。本發(fā)明的基本思想在于，跟蹤單個混合物組分的濃度的變化而導(dǎo)致的在用于傳導(dǎo)要測量的混合物的振動管的本征模型之間的耦合的漂移。此外，在由振動測量管和振動測量管內(nèi)的混合物體積所形成的振蕩系統(tǒng)的分析模型的基礎(chǔ)上，在該在線測量裝置操作的過程中確定適當(dāng)?shù)鸟詈舷禂?shù)。模型化振動測量管和振動測量管內(nèi)的混合物體積的結(jié)果是，本發(fā)明的模型還可預(yù)知正誤差，傳統(tǒng)的“氣泡理論”不能預(yù)知。這些效果和試驗結(jié)果一致。事實上，該模型可在各種情況下，尤其是為液-氣混合物提供質(zhì)量流和密度誤差的滿意解釋。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是，考慮振動測量管內(nèi)的混合物體積的動態(tài)特性，以補(bǔ)償由兩相或多相混合物、尤其是混有氣體的液體的情況所產(chǎn)生的誤差。因此，所確定的校正值在大范圍的應(yīng)用上可再現(xiàn)，而且，可以相對簡單地表示用于確定在測量操作的過程中的校正值的形成規(guī)則。此外，開始，花費(fèi)相對小的勞動就可以計算出這些形成規(guī)則。此外，本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是，在本發(fā)明的在線測量裝置的情況下，和傳統(tǒng)類型，尤其如WO-A 03/095950，WO-A 03/095949或 US-A4,524,610所述的測量裝置相比，僅為產(chǎn)生通常的數(shù)字測量值的情況，必須作小的變化，這些實質(zhì)上受固件限制，而在振動轉(zhuǎn)換器及產(chǎn)生和預(yù)處理振蕩測量信號的情況下，無需變化或僅需小的變化。從而，例如，即使是在兩個或多相介質(zhì)的情況下，可以以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100∶1、尤其是約10∶1的取樣率和以前一樣對振蕩測量信號進(jìn)行取樣。
現(xiàn)在，在附圖中所表示的實施例的基礎(chǔ)上詳細(xì)解釋本發(fā)明以及其它有利的實施例。所有附圖中相同的部件使用相同的參考標(biāo)記；當(dāng)為了清楚起見，在后面的附圖中省去已經(jīng)提到的附圖標(biāo)記。



圖1示出一個在線測量裝置，其可插入到管道內(nèi)，以測量管道內(nèi)傳導(dǎo)的流體的質(zhì)量流速； 圖2示出適于圖1的測量裝置的振動型測量轉(zhuǎn)換器的一個實施例的例子的側(cè)部透視圖； 圖3示出圖2的振動轉(zhuǎn)換器的側(cè)部剖視圖； 圖4示出在第一個剖面的圖2的振動轉(zhuǎn)換器； 圖5示出在第二個剖面的圖2的振動轉(zhuǎn)換器； 圖6以方塊圖的形式示意性的示出適于圖1的在線測量裝置的測量裝置電子設(shè)備的一個實施例； 圖7示出氣體濃度的測量誤差； 圖8示意性的示出科里奧利導(dǎo)管模型； 圖9示出驅(qū)動模式(實線)和科里奧利模型(虛線)的正交本征形態(tài)； 圖10示出聲速對氣體濃度和壓力的相關(guān)性； 圖11示出導(dǎo)管剖面的速度場的X軸向分量； 圖12示出導(dǎo)管所施加的諧振器； 圖13示出導(dǎo)管x(實線)和諧振器u(虛線)的振幅；以及 圖14示意性的示出依據(jù)本發(fā)明的具有誤差補(bǔ)償?shù)脑诰€測量裝置。

具體實施例方式 圖1示出一種在線測量裝置1，適于分別確定測量管道(未示出)內(nèi)流動的介質(zhì)的物理測量量x，如質(zhì)量流速

、密度ρ和/或粘度η，以及分別以瞬時表示的測量值Xx，尤其是質(zhì)量流速Xm、密度Xρ和/或粘度Xη反映其測量量。這種情況下，介質(zhì)實際上可為任何流動物質(zhì)，例如，液氣混合物、氣溶膠、蒸汽等。
如以科里奧利質(zhì)量流量、密度和/或粘度計的形式提供的在線測量裝置1，如圖2-7中示意性的示出的，包括要測量的介質(zhì)所要流經(jīng)的振動轉(zhuǎn)換器10和一個測量裝置電子設(shè)備500，圖2和7給出一個實施例及其改進(jìn)的例子。而且，測量裝置電子設(shè)備500可被設(shè)計為在在線測量裝置1的操作過程中，其可經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、如場總線系統(tǒng)，利用高級的、即相對于其被放置在較高水平的測量值處理單元，如可編程邏輯控制設(shè)備(PLC)、個人計算機(jī)和/或工作站來交換測量和/或操作數(shù)據(jù)。此外，測量裝置電子設(shè)備設(shè)計為可由外部能源，如也通過前述場總線系統(tǒng)供電。對于振動測量裝置被提供為耦合場總線或一些其它通信系統(tǒng)的情況，所述的特別是可編程的測量裝置電子設(shè)備500將配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信的通信接口，以將測量數(shù)據(jù)傳輸至例如前面提及的程序邏輯控制設(shè)備或高級的處理控制系統(tǒng)。為放置測量裝置電子設(shè)備500，額外配置一個電子設(shè)備殼體200，尤其是可在外部直接安裝在振動轉(zhuǎn)換器10上，但也可與之分離。
正如已經(jīng)提及的，在線測量裝置包括一個振動轉(zhuǎn)換器，要測量的介質(zhì)流經(jīng)該轉(zhuǎn)換器，其用于在流經(jīng)的介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械反應(yīng)力，尤其是依賴于質(zhì)量流速的科里奧利力、依賴于介質(zhì)密度的慣性力和/或依賴于介質(zhì)粘度的摩擦力，在振動轉(zhuǎn)換器上，這些力以可測量的方式反應(yīng)，即可由傳感器檢測到。根據(jù)特征化該介質(zhì)的這些反應(yīng)力所得出的參數(shù)，如介質(zhì)的質(zhì)量流速、密度和/或粘度可以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式測量。在圖3和4中，給出電物理轉(zhuǎn)換器裝置的一個實施例的例子，其用作振動轉(zhuǎn)換器10。這種轉(zhuǎn)換器裝置的機(jī)械構(gòu)造和作用方式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的，US-B 6,691,583，WO-A 03/095949或WO-A03/095950也對之進(jìn)行了詳細(xì)描述。
為引導(dǎo)介質(zhì)并產(chǎn)生所述反應(yīng)力，該振動轉(zhuǎn)換器包括至少一個具有預(yù)定測量管直徑的測量管10。該至少一個測量管10可為一個彎曲管，或如圖3和4所示的基本為直的導(dǎo)管。總之，在操作過程中，導(dǎo)管10至少不時地振動，從而重復(fù)彈性的變形。測量管內(nèi)腔的彈性變形在這里意思是，以預(yù)定的方式循環(huán)地、尤其是周期性地，在測量管10的彈性范圍內(nèi)改變測量管內(nèi)腔的空間形式和空間位置，在這點(diǎn)上，US-A4,801,897，US-A 5,648,616，US-A 5,796,011，US-A 6,006,609，US-B6,691,583，WO-A 03/095949和/或WO-A 03/095950類似。這里應(yīng)當(dāng)提及，除了具有一個直的測量管的實施例的例子中所述的振動轉(zhuǎn)換器，也可選擇本領(lǐng)域公知的多種振動轉(zhuǎn)換器中選擇振動轉(zhuǎn)換器來實施本發(fā)明。尤其，例如，振動轉(zhuǎn)換器適于具有兩個平行的直的測量管，介質(zhì)流經(jīng)該轉(zhuǎn)換器，US-A 5,602,345也對之進(jìn)行詳細(xì)描述。
如圖1所示，振動轉(zhuǎn)換器1還具有一個振動轉(zhuǎn)換器殼體100，其包圍測量管10，還可能包圍振動轉(zhuǎn)換器的其它組件(參加下文)。殼體100用于保護(hù)管10和其它組件不影響環(huán)境和/或阻擋振動轉(zhuǎn)換器可能直接向外發(fā)出的聲音。除此之外，振動轉(zhuǎn)換器殼體100還用作放置測量裝置電子設(shè)備500的電子設(shè)備殼體200的安裝平臺。為此，振動轉(zhuǎn)換器殼體100還配有一個頸狀過渡連接件，電子設(shè)備殼體200適當(dāng)?shù)墓潭ㄆ渖?，和圖1類似。除了這里所示的和測量管同軸延伸的管狀轉(zhuǎn)換器殼體100，當(dāng)然還可使用其它適當(dāng)?shù)臍んw形式，如箱形結(jié)構(gòu)。
測量管10以通常的方式在入口和出口端與引入、分別抽取要測量的介質(zhì)的的管道相連通，該測量管10振蕩地懸在優(yōu)選為剛性、尤其不容易彎曲和扭曲的轉(zhuǎn)換器殼體100內(nèi)。為了可使介質(zhì)流經(jīng)該導(dǎo)管，測量管經(jīng)由開口進(jìn)入入口端11#的入口管件11和開口進(jìn)入出口端12#的出口管件12連接至管道。測量管10、入口管件11和出口管件12彼此對準(zhǔn)，并盡可能精確地沿前述測量管縱軸L被有利地提供為一個部件，這樣，可使用如單個原料來生產(chǎn)該部件；然而當(dāng)需要時，測量管10和管件11、12可通過單獨(dú)地后續(xù)連接如焊接的原料制成。要制造測量管10和入口和出口管件11、12，可使用用于這種振動轉(zhuǎn)換器的常用材料，如鐵、鈦、鋯和/或鉭的合金、合成材料或陶瓷。對于振動轉(zhuǎn)換器和管道可釋放的組裝的情況，優(yōu)選在入口管件11和出口管件12上分別形第一和第二凸緣13，14；然而如果需要，入口和出口管件還可通過如焊接或銅焊直接連接至管道。此外，如圖1示意性示出的，轉(zhuǎn)換器殼體100固定在入口和出口管件11、12，以盛放測量管10，在這點(diǎn)上，圖1和2類似。
至少為了測量質(zhì)量流速m，以演變?yōu)閭?cè)向振蕩模式的第一有用的振蕩模式下激勵該測量管10，其中，其至少部分地橫向于假想的測量管縱軸L進(jìn)行振蕩、尤其是彎曲振蕩，尤其使之根據(jù)自然的、第一本征振蕩形式橫向地向外彎曲，實質(zhì)上是以自然的彎曲本征頻率振蕩。對于介質(zhì)在相連的管道內(nèi)流動，繼而質(zhì)量流速m不等于零的情況，以第一有用的振蕩模式振蕩的測量管10在介質(zhì)流經(jīng)的時候在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生科里奧利力。反過來，這和測量管10相互作用，以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式，實質(zhì)上根據(jù)在第一本征振蕩形式上共面疊加的自然的第二本征振蕩形式，額外地導(dǎo)致測量管10出現(xiàn)傳感器可檢測到的變形。在這種情況下，測量管10瞬時的變形形狀被特別地認(rèn)為是其振幅，并且取決于瞬時質(zhì)量流速m。通常，在這種振動轉(zhuǎn)換器的情況下，兩個或四個波腹的彎曲振蕩的非對稱形式可用作例如第二種形式的本征振蕩，所謂的科里奧利模式。由于在特殊的測量中，除了質(zhì)量流速m外，已知測量管的這種橫向振蕩的模式的本征頻率還取決于介質(zhì)的密度ρ，而且還可通過在線測量裝置測量密度ρ。除了橫向振蕩外，還可至少不時地以振蕩的扭振模式來驅(qū)動該至少一個測量10，以在流動介質(zhì)中產(chǎn)生依賴于粘度的剪切力。在該振蕩的扭振模式中，激勵測量管圍繞基本平行于或重合于該測量管的縱軸L的扭轉(zhuǎn)振蕩軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振蕩。實質(zhì)上，該激勵為測量管10以自然扭轉(zhuǎn)振蕩的模式繞著其縱軸L扭動，在這點(diǎn)上，US-A 4,524,610，US-A 5,253,533，US-A 6,006,609或EP-A 1 158 289也與之類似。在這種情況下，所述扭轉(zhuǎn)振蕩的激勵以第一有用的振蕩模式和與之獨(dú)立的第二有用的振蕩模式交替發(fā)生，或者，至少在可互相區(qū)分的振蕩頻率的情況下，在第一有用的振蕩模式中與橫向振蕩同時進(jìn)行。換句話講，振動轉(zhuǎn)換器至少不時地以雙操作模式運(yùn)作，其中，交替地以至少兩個基本彼此獨(dú)立的振動模式，即以橫向振蕩模式和扭轉(zhuǎn)振蕩模式使該至少一個測量管10振動。
依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，為了在流動介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生依賴于質(zhì)量流速的科里奧利力，以盡可能精確的對應(yīng)于測量管10的最低自然彎曲本征頻率的橫向振蕩頻率，至少不時地來激勵測量管10，從而，沒有流體流經(jīng)的、橫向振蕩的測量管10基本對稱地關(guān)于垂直于測量管的縱軸L的中軸而向外彎曲，這樣，出現(xiàn)以單振蕩波腹。例如是在用不銹鋼管作為測量管10，標(biāo)稱直徑20mm，壁厚約1.2mm，長度約為350mm且具有通常的附件的情況下，該最低彎曲本征頻率可為約850Hz-900Hz。
在本發(fā)明的另一個實施例軸，以扭轉(zhuǎn)振動頻率fexcT，在有用模式下激勵測量管10，尤其以與橫向振蕩同時，其中，振動頻率fexcT盡可能精確地對應(yīng)于測量管的自然扭轉(zhuǎn)本征頻率。最低扭轉(zhuǎn)本征頻率例如在直的測量管的情況下，可在約兩倍最低彎曲本征頻率的范圍內(nèi)。
正如已經(jīng)提及的，一方面，通過特別是將振蕩能傳送至介質(zhì)，來阻擋測量管11的振蕩。然而，另一方面，還可通過激勵與測量管機(jī)械耦合的組件，從振動的測量管回收相當(dāng)程度的振蕩能，組件如轉(zhuǎn)換器殼體100和連接的管道。為了抑制或防止振蕩能可能的損失對環(huán)境的影響，因此，在固定到測量管10的入口和出口端的振動轉(zhuǎn)換器內(nèi)配有反振蕩器20。如圖2中示意性示出的，反振蕩器20優(yōu)選為一個部件。如果需要，反振蕩器20可由多個部件構(gòu)成，如US-A 5,969,265，EP-A 317 340或所示W(wǎng)O-A 00/14485，或它可通過固定在測量管10的入口和出口端的兩個獨(dú)立的反振蕩器部件來完成。其中，對于該介質(zhì)的至少一個預(yù)定的密度值，如一個最常期望的密度值或者臨界密度值，反振蕩器20用于動態(tài)地平衡振動轉(zhuǎn)換器，以使得，振動測量管10內(nèi)可能產(chǎn)生的橫向力和/或撓距被大幅度地補(bǔ)償，在這點(diǎn)上，US-B 6,691,583與之類似。此外，反振蕩器20用于上述情況，其中，在操作過程中，還激勵測量管10進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振蕩，以產(chǎn)生反扭矩，很大程度的補(bǔ)償了由單個優(yōu)選繞著其縱軸L扭動的測量管10產(chǎn)生的扭矩，從而保持了振動轉(zhuǎn)換器的環(huán)境，然而尤其是相連的管道很大程度不受動態(tài)扭矩。如圖2和3示意性的示出的，反振蕩器20可為管形，并可以如圖3所示的基本和測量管10同軸設(shè)置的方式連接至如測量管10的入口端11#和出口端12#。反振蕩器20實際上可由任一種用于測量管10的材料制成，如不銹鋼、鈦合金等。
反振蕩器20尤其是和測量管10相比，扭轉(zhuǎn)和/或彎曲彈性有點(diǎn)差，在操作過程中，其同樣以基本和測量管10相同的頻率振蕩，但與之異相，尤其是反相。為此，反振蕩器20以盡可能準(zhǔn)確地被調(diào)整為那些扭轉(zhuǎn)振蕩頻率的其扭轉(zhuǎn)本征頻率中的至少一個頻率振蕩，在操作過程中，測量管主要以所述扭轉(zhuǎn)振蕩頻率振蕩。此外，反振蕩器20在其彎曲本征頻率的至少一個頻率下被調(diào)整至至少一個彎曲振蕩頻率，測量管10尤其在有用模式以該頻率振蕩，并且，在振動轉(zhuǎn)換器操作過程中，還激勵反振蕩器20進(jìn)行橫向振蕩、尤其是彎曲振蕩，其實質(zhì)上演變?yōu)楹蜏y量管10的橫向振動、尤其是有用模式下的彎曲振蕩共面進(jìn)行。
在圖3示意性給出的本發(fā)明的一個實施例中，為了該目的，反振蕩器20具有凹槽201，202，其使得可以進(jìn)行其扭轉(zhuǎn)本征頻率的精確調(diào)節(jié)，尤其是通過降低反振蕩器20的抗扭剛度來降低扭轉(zhuǎn)本征頻率。盡管圖2或3中示出的凹槽201，202基本在縱軸L的方向上均勻分布，但如果需要的話，其還可不均勻的分布在縱軸L的方向上。此外，如圖3示意性給出的，反振蕩器的質(zhì)量分布可通過固定在測量管10上的質(zhì)量平衡體101，102補(bǔ)償。這些質(zhì)量平衡體101，102可為例如是推在測量管10上的金屬環(huán)或安裝于其上的小金屬板。
為了是測量管10產(chǎn)生機(jī)械振蕩，振動轉(zhuǎn)換器還包括一個勵磁機(jī)裝置40，尤其是一個耦合在測量管上的電動裝置。該勵磁機(jī)裝置40用于將測量裝置電子設(shè)備供給的如具有穩(wěn)定勵磁電流iexc和/或穩(wěn)定電壓的電勵磁功率Pexc轉(zhuǎn)換為如作用在測量管10上且使之彈性變形的脈沖形或諧波勵磁力矩Mexc和/或勵磁力Fexc。為達(dá)到最高的可能頻率和最高的信號/噪聲比例，盡可能精確的調(diào)節(jié)電勵磁功率Pexc，以主要地，將在有用模式下的測量管10的振蕩確實盡可能準(zhǔn)確地維持在包含流經(jīng)的介質(zhì)的測量管的瞬時本征頻率。如圖4示意性給出的，在這種情況下，勵磁力Fexc以及勵磁力矩Mexc可雙向或單向產(chǎn)生，并可以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式調(diào)節(jié)，如通過電流和/或電壓調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)振幅，通過相位鎖定環(huán)路調(diào)節(jié)頻率。在這種振動測量拾取的情況下，該勵磁機(jī)裝置40通常可包括具有圓柱形勵磁機(jī)線圈的柱塞線圈裝置，其連接至反振蕩器20或轉(zhuǎn)換器殼體100內(nèi)部。在操作中，勵磁線圈具有一個流經(jīng)線圈的相應(yīng)的勵磁iexc。此外，該勵磁機(jī)裝置40內(nèi)還包括一個至少部分延伸至勵磁線圈并固定在測量管10上的永磁電樞。而且，如US-A 4,524,610或WO-A 03/095950中所示，該勵磁機(jī)裝置40還可通過多個柱塞線圈或電磁鐵實現(xiàn)。
為了檢測測量管10的振蕩，振動轉(zhuǎn)換器還包括一個傳感器裝置50，其通過對這種振動起反應(yīng)的第一振蕩傳感器51產(chǎn)生第一，尤其是模擬的振蕩測量信號s1，其表示測量管10的振動。振蕩傳感器51可通過永磁電樞形成，其安裝在測量管10上，并和安裝在反振蕩器20或轉(zhuǎn)換器殼體上的傳感器線圈相互作用。要用作振蕩傳感器51，尤其要依據(jù)電磁原理配置這種傳感器，其檢測測量管偏轉(zhuǎn)的速度。然而，還可使用加速測量、電動或甚至傳播距離測量的電阻或光學(xué)傳感器。當(dāng)然，可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它適于檢測這種振動的傳感器。傳感器裝置60還包括尤其是第一振動傳感器51相同的第二振動傳感器52。第二傳感器52提供同樣表示測量管10的振動的第二振蕩測量信號s2。在該實施例中，兩個振蕩傳感器51，52設(shè)置在振動轉(zhuǎn)換器10內(nèi)，沿測量管10的長度尤其是從測量管的中點(diǎn)等距彼此分離，這樣，傳感器裝置50就局部地地記錄測量管10入口端和出口端的振動，并將之轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振蕩測量信號s1，s2。如圖2所示，兩個通常呈現(xiàn)和測量管10的瞬時振蕩頻率相對應(yīng)的信號頻率的振蕩測量信號s1，s2輸入到測量裝置電子設(shè)備500，其在該設(shè)備上被預(yù)處理，尤其是數(shù)字化，然后通過相應(yīng)的部件適當(dāng)?shù)脑u估。
依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，實際上如圖2和3所示，該勵磁機(jī)裝置40在振動轉(zhuǎn)換器內(nèi)構(gòu)造和設(shè)置為，其在操作過程中同時地尤其是差動地作用于測量管10以及反振蕩器20上。在本發(fā)明的該進(jìn)一步改進(jìn)的情況下，實際上如圖2所示，勵磁機(jī)裝置40有利地在振動轉(zhuǎn)換器內(nèi)構(gòu)造和設(shè)置為，其在操作過程中同時地尤其是差動地作用于測量管10以及反振蕩器20上。在圖4所示的實施例中，為了該目的，勵磁機(jī)裝置40具有至少一個第一勵磁線圈41a，在操作過程中，勵磁電流或勵磁電流部件至少不時地流經(jīng)該線圈。勵磁線圈41a固定在連接于測量管10上的桿41c上，并經(jīng)由該桿和電樞41b差動地作用于測量管10以及反振蕩器20上，電樞41b固定在反振蕩器20外部。該裝置具有優(yōu)點(diǎn)，其中一方面，反振蕩器20以及轉(zhuǎn)換器殼體100在剖面上保持很小，盡管如此，尤其在組裝中也很容易拆卸勵磁線圈41a。此外，勵磁機(jī)裝置40的該實施例的另一個優(yōu)點(diǎn)是，可以使用的尤其是標(biāo)稱直徑超過80mm的、具有不能忽視的重量的線圈座41d，可固定在反振蕩器20上，從而實際上對測量管10的本征頻率沒有影響。然而，這里應(yīng)當(dāng)注意，在所需的情況下，勵磁線圈41a還可由反振蕩器20和電樞41b、然后由測量管10來保持。
以對應(yīng)的方式，在振動轉(zhuǎn)換器中，可以這樣設(shè)計并布置所述的振蕩傳感器51、52，使得通過它們來差動地記錄測量管10和反振蕩器20的振動。在圖5所示的實施方式的示例中，在傳感器50的慣性的主軸以外，傳感器裝置50包括被固定于測量管10的傳感器線圈51a。傳感器線圈51a被布置地盡可能地靠近于被固定在所述反振蕩器20的電樞51b，并磁性地與其耦合，使得，在傳感器線圈內(nèi)感生出一變化的測量電壓，并且在改變測量管10和反振蕩器20的相對位置和/或間隔時，通過它們之間的旋轉(zhuǎn)的和/或橫向的相對移動影響該電壓?；趥鞲衅骶€圈51a的這種配置，上述的扭轉(zhuǎn)振蕩和激勵彎曲振蕩可以有利地被同時地記錄。如果需要，該傳感器線圈51a還可以被固定于反振蕩器20，并且與其耦合的電樞51因此可以被固定于測量管10。
在本發(fā)明的另一個實施例中，測量管10、反振蕩器20和固定于其上的轉(zhuǎn)換器和勵磁裝置40、50相關(guān)于其質(zhì)量分布而彼此匹配，通過入口和出口管件11，12懸掛的振動轉(zhuǎn)換器最終的內(nèi)部部件具有至少位于測量管10的內(nèi)部的質(zhì)心MS，優(yōu)選盡可能的靠近測量管的縱軸L。此外，內(nèi)部部分有利地被構(gòu)造為具有和入口管件11和出口管件12成一條直線并至少部分位于測量管10內(nèi)的第一慣量主軸T1。然而，由于內(nèi)部部分的質(zhì)心MS的位移，尤其是第一慣量主軸T1的上述位置，測量管10在操作中采用的、且很大程度由反振蕩器20補(bǔ)償?shù)膬蓚€振蕩形式，即測量管10的扭轉(zhuǎn)振蕩和彎曲振蕩彼此高度地機(jī)械性地去耦合；在這點(diǎn)上，WO-A 03/095950與之類似。這樣，有利地，彼此獨(dú)立地激勵這兩種振蕩形式，橫向振蕩和/或扭轉(zhuǎn)振動。質(zhì)心MS以及第一慣量主軸T1這兩者朝測量管縱軸L的位移，可通過如具有內(nèi)部部分而被很大程度的簡化了，而測量管10、反振蕩器20以及固定于其上的傳感器和勵磁機(jī)裝置50、40相對于彼此被構(gòu)造和設(shè)置，使得內(nèi)部部分沿測量管縱軸L的質(zhì)量分布對稱，然而相對于繞著測量管縱軸L的旋轉(zhuǎn)至少不變達(dá)180°(c2-對稱性)。此外，反振蕩器20，在這里為管狀，尤其還是實施為大部分地軸向?qū)ΨQ，其基本和測量管10同軸設(shè)置，從而，內(nèi)部部分的質(zhì)量的對稱分布的趨近被很大程度的被簡化了，結(jié)果，質(zhì)心MS以一種簡單的方式靠近測量管的縱軸L而移動。此外，這里表示的實施例的一個例子中，轉(zhuǎn)換器和勵磁機(jī)裝置50、40相對于彼此構(gòu)造和設(shè)置在測量管10上，以及適當(dāng)?shù)脑诜凑袷幤?0上，使得其產(chǎn)生的質(zhì)量慣性矩盡可能集中的沿測量管的縱軸L擴(kuò)展，或者保持盡可能的小。這例如可通過使轉(zhuǎn)換器和勵磁機(jī)裝置50、40的共同的質(zhì)心盡可能的靠近量管的縱軸L，或者使轉(zhuǎn)換器和勵磁機(jī)裝置50、40的總質(zhì)量盡可能的小來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，為了分別激勵測量管10的扭轉(zhuǎn)和/或彎曲振蕩，勵磁機(jī)裝置40構(gòu)造和安裝在測量管10上以及反振蕩器20上，使得產(chǎn)生彎曲振蕩的力在垂直于第一慣量主軸T1的第二慣量主軸T2的外部延伸的、或在最多一個點(diǎn)上交叉的第二慣量主軸T2的力的虛線方向上作用于測量管10。優(yōu)選的，內(nèi)部部分實施為，第二慣量主軸T2基本為上述中軸。在圖4所示的實施例中，勵磁機(jī)裝置40為此具有至少一個第一勵磁線圈41a，在操作過程中勵磁電流或勵磁電流組分至少不時地流經(jīng)勵磁線圈。勵磁線圈41a固定在連接至測量管10的桿41上，經(jīng)由該桿和被外部固定至反振蕩器20上的電樞41b，差動地作用在測量管10和反振蕩器20。該裝置具有優(yōu)點(diǎn)，其中一方面，反振蕩器20以及轉(zhuǎn)換器殼體100在剖面上保持很小，盡管如此，尤其在組裝中也很容易拆卸勵磁線圈41a。此外，勵磁機(jī)裝置40的該實施例的另一個優(yōu)點(diǎn)是，可以使用的尤其是具有不能忽視的重量的、標(biāo)稱直徑超過80mm的線圈座41d，可固定在反振蕩器20上，從而實際上對測量管10的諧振頻率沒有影響。然而，這里應(yīng)當(dāng)注意，在所需的情況下，勵磁線圈41a還可安裝至反振蕩器20上，然后通過測量管10固定電樞41b。
依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，勵磁機(jī)裝置40具有至少一個沿測量管10的直徑設(shè)置并以和勵磁線圈41a相同的方式與測量管10和反振蕩器20耦合的第二勵磁線圈42a。依據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，勵磁機(jī)裝置具有至少兩個其它勵磁線圈43a和44a，從而總共有四個至少關(guān)于第二慣量主軸T2對稱設(shè)置。所有的線圈以上述方式安裝在振動轉(zhuǎn)換器上。作用在第二慣量主軸T2外部的測量管10上的力可以簡單的方式通過這樣兩個或四個線圈裝置產(chǎn)生，如通過使勵磁線圈中的一個，如勵磁線圈41a呈現(xiàn)和其它線圈不同的感應(yīng)系數(shù)，或者通過在操作過程中使和其它勵磁線圈的勵磁電流組分不同的勵磁電流部分流經(jīng)勵磁線圈中的一個，如勵磁線圈41a。
依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，如圖5示意性給出的，傳感器裝置50具有一個設(shè)置在第二慣量主軸T2外部并固定在測量管10上的傳感線圈51a。該傳感線圈51a盡可能靠近固定在反振蕩器20上的電樞51b設(shè)置，并與之磁耦合，這樣，在傳感線圈內(nèi)感生變化的測量電壓，當(dāng)測量管10和反振蕩器20改變其位置和/或它們的相對間隔時，變化的測量電壓受到二者之間的旋轉(zhuǎn)和/或橫向相對運(yùn)動的影響。由于依據(jù)本發(fā)明的傳感線圈51a的這種設(shè)置，可以同時地以有利的方式記錄在適當(dāng)?shù)那闆r下被激勵的上述扭轉(zhuǎn)振蕩和彎曲振蕩。如果需要的話，傳感線圈51a可固定在反振蕩器20上，與之耦合的電樞51b可以相應(yīng)的方式固定在測量管10上。
這里應(yīng)當(dāng)注意，勵磁機(jī)裝置40和傳感器裝置50可以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式具有基本相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而，勵磁機(jī)裝置40的機(jī)械結(jié)構(gòu)的上述實施例還可基本轉(zhuǎn)換為傳感器裝置50的機(jī)械結(jié)構(gòu)，反之亦然。
為了振動測量管10，正如已經(jīng)提出的，向勵磁機(jī)裝置40引入相同的具有可調(diào)解振幅和頻率fexc的振蕩勵磁電流iexc，尤其是多頻電流，這樣該電流在操作中流經(jīng)勵磁線圈26、36，并以相應(yīng)的方式產(chǎn)生移動電樞27、37所需的磁場。勵磁電流iexc可為如諧波多頻的或甚至矩形的。有利地，在實施例的例子所示的振動轉(zhuǎn)換器的情況中，可這樣地選擇和調(diào)節(jié)用于維持測量管10的橫向振蕩所需的勵磁電流iexc的橫向電流組分iexcL的橫向振蕩勵磁頻率fexcL，使得這樣橫向振蕩的測量管10基本以具有單個振蕩波腹的彎曲振蕩基本模式而振蕩。與之類似，有利地，在實施例的例子所示的振動轉(zhuǎn)換器的情況中，可這樣地選擇和調(diào)節(jié)用于維持測量管10的扭轉(zhuǎn)振蕩所需的勵磁電流iexc的扭轉(zhuǎn)電流組分iexcT的扭轉(zhuǎn)振蕩勵磁頻率fexcT，這樣扭轉(zhuǎn)振蕩的測量管10基本以具有單個振蕩波腹的扭轉(zhuǎn)振蕩基本模式而振蕩。該兩個提及的電流組分iexcL和iexcT可依據(jù)所選擇的操作模式間歇導(dǎo)入到勵磁機(jī)裝置40內(nèi)，從而，每個組分可瞬時或還可同時用作勵磁電流iexc，從而彼此補(bǔ)充以形成有效的勵磁電流iexc。
對于上述情況，其中，可彼此不同地調(diào)節(jié)用于在操作過程中使測量管10產(chǎn)生振蕩的橫向振蕩勵磁頻率fexcL和扭轉(zhuǎn)振蕩勵磁頻率fexcT，單個振蕩模式的間隔可以以簡單有利的方式通過振動轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)在勵磁信號以及傳感器信號中，甚至是在同時激勵的扭轉(zhuǎn)和彎曲振蕩的情況下，例如基于信號過濾和頻率分析。否則，交替激勵的橫向和扭振振蕩自然吸引。
為了產(chǎn)生和調(diào)節(jié)勵磁電流iexc或電流組分iexcL和iexcT，該測量裝置電子設(shè)備具有一個效應(yīng)的驅(qū)動器電路53，其由表示所需的橫向振蕩勵磁頻率fexcL的橫向振蕩頻率調(diào)節(jié)信號yFML，以及表示所需的勵磁電流iexc和/或橫向電流組分iexcL的橫向振蕩振幅的橫向振蕩振幅調(diào)節(jié)信號yAML，以及至少不時地由表示扭轉(zhuǎn)振蕩勵磁頻率fexcT的扭轉(zhuǎn)振蕩頻率調(diào)節(jié)信號yFMT，和由表示所需的勵磁電流iexc和/或扭轉(zhuǎn)電流組分iexcT的扭轉(zhuǎn)振蕩振幅的扭轉(zhuǎn)振蕩振幅調(diào)節(jié)信號yAMT控制。驅(qū)動器電路53可通過如電壓控制振蕩器和下游電壓-電流轉(zhuǎn)換器代替類似的振蕩器實現(xiàn)，然而，也可使用數(shù)字控制的數(shù)字振蕩器來設(shè)置勵磁電流的瞬時勵磁電流iexc和/或組分iexcL，iexcT。
整合到測量裝置電子設(shè)備500內(nèi)的振幅控制電路51可用于產(chǎn)生橫向振幅調(diào)節(jié)信號yFML和/或扭轉(zhuǎn)振蕩振幅調(diào)節(jié)信號yAMT。振幅控制電路51在瞬時橫向振蕩頻率和/或瞬時扭轉(zhuǎn)振蕩頻率下測量的兩個振蕩測量信號s1，s2中的至少一個的瞬時振幅的基礎(chǔ)上，以及對于橫向和扭轉(zhuǎn)振蕩的相應(yīng)的恒定或變化的、分別為WB和WT的振幅參考值的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)該振幅調(diào)節(jié)信號yFML，yAMT；適當(dāng)?shù)?，還可參考勵磁電流iexc的瞬時振幅來產(chǎn)生橫向振幅調(diào)節(jié)信號yFML和/或扭轉(zhuǎn)振蕩振幅調(diào)節(jié)信號yAMT；類似圖6。這種振幅控制電路的構(gòu)造和操作模式和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類似。作為這種振幅控制電路的一個例子，且參考″PROMASS 80″系列的測量發(fā)射器，相關(guān)于″PROMASS I″系列的振動轉(zhuǎn)換器諸如從受讓人可獲得。其振幅控制電路優(yōu)選構(gòu)造為，測量管10的橫向振蕩被控制至恒定的振幅，從而振幅與密度ρ不相關(guān)。
頻率控制電路52和驅(qū)動器電路53可構(gòu)造為如鎖相環(huán)路，其以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式用于，在振蕩測量信號s1，s2中的至少一個和要調(diào)節(jié)的勵磁電流iexc、分別為瞬時測量的勵磁電流iexc之間測量的相位差的基礎(chǔ)上，連續(xù)調(diào)節(jié)測量管10的瞬時本征頻率的橫向振幅頻率調(diào)節(jié)信號yFML和/或扭轉(zhuǎn)振蕩頻率調(diào)節(jié)信號yFMT。如在US-A 4,801,897中詳細(xì)描述了構(gòu)造和使用這種鎖相環(huán)路來在其機(jī)械本征頻率下驅(qū)動測量管。當(dāng)然，可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它頻率控制電路，如US-A 4,524,610或US-A 4,801,897中所提議的。此外，可參考已經(jīng)提及的″PROMASS 80″系列的測量發(fā)射器的關(guān)于使用這種頻率控制電路作為振動轉(zhuǎn)換器。例如從US-A 5,869,770或US-A 6,505,519可得到其它適于用作驅(qū)動器電路的電路。
依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，如圖6示意性給出的，振幅控制電路51和頻率控制電路52通過配置在測量裝置電子設(shè)備500內(nèi)的數(shù)字信號處理器DSP以及通過相應(yīng)的其內(nèi)實施和運(yùn)行的程序代碼實現(xiàn)。程序代碼持久或甚至永久地儲存在控制和/或監(jiān)測信號處理器的微機(jī)55的永久儲存器EEPROM上，并可在啟動信號處理器DSP時裝載到測量裝置電子設(shè)備500的非永久性數(shù)據(jù)存儲器RAM上，如整合在信號處理器DSP內(nèi)的RAM。適于這種應(yīng)用的數(shù)字處理器如可從Texas Instruments Inc.獲得的TMS320VC33型處理器。在這點(diǎn)上，很清楚，振蕩測量信號s1，s2需要通過相應(yīng)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的用于信號處理器DSP使用的數(shù)字信號，在這點(diǎn)上，尤其類似于EP-A 866,319。在需要的情況下，從信號處理器輸出的調(diào)節(jié)信號，如振幅調(diào)節(jié)信號yAML，yAMT或頻率調(diào)節(jié)信號yFML，yFMT，可以相應(yīng)的方式由數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬。
如圖6所示，適當(dāng)?shù)脑?，第一適當(dāng)調(diào)節(jié)的振蕩測量信號s1，s2還發(fā)送至測量裝置電子設(shè)備的測量電路21，以在至少一個振蕩測量信號s1，s2的基礎(chǔ)上和/或在勵磁電流iexc的基礎(chǔ)上產(chǎn)生至少一個測量值XX。
依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，測量電路21至少部分構(gòu)造為一個流速計算器，并且，測量電路用于以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式，利用在測量管10至少部分地橫向振蕩的情況下所產(chǎn)生的振蕩測量信號s1，s2之間檢測的相位差來確定測量值XX，其在這里用作質(zhì)量流速測量值，并盡可能準(zhǔn)確的表示要測量的質(zhì)量流速。測量電路2可為任何已知已經(jīng)用于傳統(tǒng)的科里奧利質(zhì)量流速測量裝置的測量電路，尤其是數(shù)字測量電路，以用于在振蕩測量信號s1，s2的基礎(chǔ)上卻質(zhì)量流速，在這點(diǎn)上，尤其開始提及的WO-A 02/37063，WO-A 99/39164，US-A 5,648,616，US-A5,069,074與之類似。當(dāng)然，可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的適于科里奧利質(zhì)量流速測量裝置的其它測量電路，即，測量并相應(yīng)的評估所述這類的振蕩測量信號之間的相位和/或時間差的測量電路。
此外，測量電路21還可用于，使用例如在振蕩測量信號s1，s2中的至少一個的基礎(chǔ)上測量的至少一個測量管11的振蕩頻率來產(chǎn)生可用作密度測量值的測量值XX，其瞬時地表示介質(zhì)的測量密度ρ或介質(zhì)的相位。
如上所述，由于在操作過程中，直的測量管10進(jìn)行同時或交替進(jìn)行橫向和扭轉(zhuǎn)振蕩，故還可使用測量電路來確定可用作粘度測量值并瞬時地表示介質(zhì)的粘度的測量值XX(由勵磁電流iexc得出，其已知地還可用作表觀粘度或粘度-密度乘積的測量)；在這點(diǎn)上，US-A 4,524,610或WO-A 95 16 897也與之類似。
其中，在這點(diǎn)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員很清楚，對于均位于共有測量周期中的各種測量量x，進(jìn)而利用相同的更新速度以及不同的更新速度，在線測量裝置可以分別確定獨(dú)立的測量值XX，即質(zhì)量流值Xm、密度值Xρ和粘度值Xn。例如，通常變化很大的質(zhì)量流速的準(zhǔn)確測量通常需要很高的更新速度，而變化相對小的介質(zhì)的粘度η在適當(dāng)?shù)臅r候可以以較大的間隔及時更新。此外，其中可以認(rèn)為，當(dāng)前確定的測量值XX可以暫時存儲在測量裝置電子設(shè)備中，因此，后續(xù)使用可以獲得該測量值。有利地，測量電路21還可通過信號處理器DSP執(zhí)行。
正如開始已經(jīng)提及的，具有振動轉(zhuǎn)換器，尤其是科里奧利流量計的在線測量裝置由于其高精度和靈活性，故可廣泛應(yīng)用于單相液體或氣體的質(zhì)量流和密度測量產(chǎn)業(yè)。然而，已知地，在流動介質(zhì)中的多相性和/或第一和第二相的形成，如包含在液體中的氣泡和/或固體顆粒，導(dǎo)致的結(jié)果是，以假定單相和/或均質(zhì)介質(zhì)的傳統(tǒng)方式確定的測量值不能足夠準(zhǔn)確地匹配測量所需的量、如質(zhì)量流速m的實際值x，即，測量值必須適當(dāng)校正。臨時表示的或至少相應(yīng)的、其測量為所期望的初步確定物理量x的值可為隨后在后面參考的初始測量值或表觀值X′x，其中所述的初步確定物理量x的值正如已經(jīng)解釋地，可以是測量管11的、在振蕩測量信號s1，s2之間測量的相位差Δ_或測量振動頻率。從該初始測量值X′x，即表觀質(zhì)量流值X′m或表觀密度值X′ρ，反過來，評估電子設(shè)備21最終導(dǎo)出足夠準(zhǔn)確的表示物理測量量x的測量值Xx，無論物理測量量x是質(zhì)量流速、密度還是粘度?？紤]到現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有很全面、很好且詳細(xì)說明，可以認(rèn)為，初始測量的或表觀值X′x的確定對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有困難，其對于實用目的對應(yīng)于以傳統(tǒng)方式產(chǎn)生的測量值，故未進(jìn)一步解釋本發(fā)明，將初始測量值X′x作為一個特定值。
在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)討論過有關(guān)于提及的介質(zhì)中的多相性，其可以在兩個振蕩信號s1，s2之間測量的相位差內(nèi)以及以兩個振蕩測量信號的每個一的振蕩振幅或振蕩頻率中即刻表現(xiàn)出來，分別對于勵磁電流，進(jìn)而實際上所有所述類型的測量裝置的的通常測量的、直接或間接的操作參數(shù)。尤其在用橫向振蕩測量管確定的操作參數(shù)的情況下是這樣的，正如WO-A 03/076880或US-B 6,311,136，US-B 6,505,519中所處理的，然而，通常也不排除用扭轉(zhuǎn)振蕩測量管確定的操作參數(shù)，在這點(diǎn)上，US-A 4,524,610尤其與之類似。
然而，進(jìn)一步的研究導(dǎo)致驚人的發(fā)現(xiàn)，除了公知的氣泡效應(yīng)外，一定有其它重要的效應(yīng)影響具有振動轉(zhuǎn)換器的在線測量裝置的測量精度。結(jié)果，密度和質(zhì)量流量誤差可能并非如傳統(tǒng)的氣泡理論中認(rèn)為的那樣直接相關(guān)。
圖7給出了科里奧利流量計的典型的特性。為了解釋出現(xiàn)在低空隙率的情況下的且用傳統(tǒng)的氣泡理論無法解釋的、質(zhì)量流量中的正的測量誤差以及密度中的負(fù)的測量誤差，產(chǎn)生了一種新的移動諧振器模型。理想狀態(tài)下的科里奧利工作原理是我們構(gòu)件該移動諧振器的起點(diǎn)。然后，我們考慮到液氣混合物的聲學(xué)特性，并給出近似的諧振器模型。最后，將諧振器整合到未擾動的可以計算密度和質(zhì)量流誤差的流量計內(nèi)。為了增加諧振器模型的精度，在該計算中包括或整合基于“氣泡理論”的誤差補(bǔ)償。
首先，通過適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管模型來解釋理想狀態(tài)下的科里奧利質(zhì)量流量計的工作原理。可商業(yè)購買的裝置有很多種管狀形狀。這里如圖8所示，認(rèn)為僅單個直管沒有任何一般性的損耗。典型地，在兩端具有剛性支撐的導(dǎo)管以具有恒定振幅的其第一本征模式振動。其通過放置在中心的以補(bǔ)償耗散的能量的驅(qū)動器來驅(qū)動。評估相應(yīng)的諧振器頻率，確定流體密度，參見方程(8)。在存在流動時，由于它們在局部旋轉(zhuǎn)的反向，移動流體在具有相反的方向的導(dǎo)管的入口和出口處產(chǎn)生科里奧利力。迫使第二本征模式低于其諧振頻率。故第一對稱驅(qū)動模式和第二非對稱科里奧利模式異相90°。顯然，導(dǎo)管要滾動。在導(dǎo)管的入口和出口處測量的兩個諧波傳感器信號之間的時間偏移和質(zhì)量流量成正比，參見方程(15)。所有這些信息可通過基于柏努利(Bernoulli’s)射束方程計算科里奧利流量計的控制方程得出。
忽略阻尼和驅(qū)動力，其中x是垂直方向上的位移，z時水平坐標(biāo)，Et是楊式模數(shù)，It是第二面矩。At和A限定剖面面積，ρt和ρ分別是導(dǎo)管和流體的密度。第一項表示導(dǎo)管的彎曲力層，第二項給出導(dǎo)管和流體的通常慣性力層，左邊第三項給出科里奧利力，其中，v是流體速度。如上面所提及的，長l的管在兩端固定 x(z＝±l/2，t)＝0， (2) 在第一種情況，我們忽略了科里奧利力，用分離變量法解方程(1)，(2)和(3)。具體推導(dǎo)可見[Rieder，A.，Modellgestützte Auslegung undRealisierung eines Coriolis-Massedurchfluβmessers mit einem geradenMeβrohr，F(xiàn)ortschr.-Ber.VDI Reihe 8 Nr.731，VDI Verlag，Düsseldorf，1998]和[Raszillier，H.，and Durst，F(xiàn).，Coriolis Effect in Mass Flow Metering，Arch.Appl.Mech.，61，pp.192 214，1991]。為簡化處理過程，引入空間轉(zhuǎn)換。
在我們的解答中，我們僅對前兩個模式感興趣，我們稱之為驅(qū)動模式和科里奧利模式，分別用下標(biāo)D和C來表示。相應(yīng)的特征值γD和γC取值為2.365和3.926。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化本征形式aD and aC為 在圖9中，給出對稱驅(qū)動模式和非對稱科里奧利模式。驅(qū)動頻率fD和科里奧利頻率fC由方程(7)給出 對于內(nèi)徑0.05m、壁厚0.004m以及長度1.5m的空的和注水的鋼管，工作頻率fD分別286.7Hz and 218.6Hz。通過轉(zhuǎn)換方程(7)，流體密度ρ依賴于測量驅(qū)動頻率fD 要確定質(zhì)量流量，我們用復(fù)雜模型振幅A和本征形式a詳細(xì)說明了調(diào)和解的分解近似值
接下來我們將具有方程(4)，(5)和(6)的方程(9)插入到方程(1)的左側(cè)，乘以方程(6)并沿導(dǎo)管求積分 作為該模型分解的結(jié)果，我們得到 其中， (13) (14) 分別是收縮性(kc)、科里奧利耦合系數(shù)(cCD)和質(zhì)量流(

)。如上所述，科里奧利模式AC由驅(qū)動模式AD通過質(zhì)量流量激勵。最后，質(zhì)量流量和兩個諧波傳感器信號之間的時間時間偏移通過下式相關(guān)
該模型振幅可由轉(zhuǎn)換器信號通過同步解調(diào)之后構(gòu)件求和和求差得出。
為了理解多相狀態(tài)下的誤差機(jī)制，我們進(jìn)一步關(guān)注綜合的聲學(xué)特性。因此，我們互相略離散氣泡的局部存在。對于小量氣體，氣泡和管徑相比通常很小，它們均勻地分布。在該近似水平，氣泡的存在盡在修正聲速c和密度ρ時顯現(xiàn)出來，在整個體積內(nèi)均勻 ρ＝ρl(1-α). (17) 氣體、流體和混合物內(nèi)的聲速表示為cg，c1和c。此外，ρ1，ρ和γ分別是液體的密度讀、混合物的密度和絕熱系數(shù)。所考慮的參數(shù)是氣體體積濃度α，也叫做空隙率，以及靜壓p。圖10給出當(dāng)液相為水、氣相為空氣時，聲速對不同壓力的氣體濃度的相關(guān)性。依據(jù)方程(16)，聲速在混合物內(nèi)急劇降低，甚至是在具有很小的氣體濃度的情況。如果注入105Pa的1.5％的空氣，水中的聲速從1460m/s降至95m/s。這可解釋為，少量的稀薄氣體大大降低了混合物的剛度。減少的聲速反過來會降低管內(nèi)混合物的諧振頻率，這在下面討論。
知道混合物的特性，現(xiàn)在可以描述橫向振蕩的管內(nèi)的流體的聲學(xué)性能。接著我們的推導(dǎo)，我們尤其關(guān)注環(huán)形導(dǎo)管剖面內(nèi)的最低主要本征模式。故我們在該范圍內(nèi)計算波方程 其中，φ是速度函數(shù)，c是聲速。聲壓p和速度因子v可通過下面的方程計算 v＝_φ. (20) 物理量沿管保持恒定，故省去軸向坐標(biāo)。由于涉及具有半徑R的環(huán)形剖面的導(dǎo)管，故在柱坐標(biāo)(r，θ)表示方程(18) 對于靜止的管，沿管壁的徑向速度等于零。相應(yīng)的邊界條件為 和對方程(1)，(2)，and(3)的操作類似，可通過分離變量法解方程(21)和(22)。在這些條件下，解依賴于第一種類型的貝塞爾(Bessel)函數(shù)。該本征值表示該函數(shù)的零相交，第一個給出為λ1＝1.842。相應(yīng)的本征頻率可由下式計算 繼續(xù)我們上面所述的半徑R＝0.05m的管道的例子，諧振頻率從純水的8557Hz降低至混合物的555Hz。圖11給出依據(jù)貝塞爾函數(shù)的第一本征形式的速度場。X軸向分量的最大速度出現(xiàn)在中心區(qū)域。
緊接著諧振頻率f1的另一個重要參數(shù)是第一本征形式的模態(tài)質(zhì)量層m1。由于其為主要模式，故后面我們僅模擬相關(guān)的諧振器。在貼附在管壁上的靜止模態(tài)質(zhì)量層m0內(nèi)收集高次模的所有質(zhì)量。使用本征形式的正交性可以得到解。當(dāng)相應(yīng)的質(zhì)量組分r1＝0.837，r0＝0.163，管道剖面面積A時，下面的方程有效 在方程(24)內(nèi)，用ρ＝ρl(1-3α)替換ρ＝ρl(1-α)，在模型中包括“氣泡效應(yīng)”。
如圖12所示，諧振頻率f1和諧振器的模態(tài)質(zhì)量層m1以及靜止質(zhì)量m0限定移動諧振器模型的特性。補(bǔ)充地，系統(tǒng)的質(zhì)量因子Q1可測量并包含在模型中。其實質(zhì)上為單角度強(qiáng)制勵磁系統(tǒng)[L.Meirovitch，Elements ofVibration Analysis，McGraw-Hill，New York，1986.]，其中，m1是質(zhì)量，k是彈性常數(shù)，以及d是阻尼系數(shù)。當(dāng)有質(zhì)量流時，該諧振器實際上沿管道前進(jìn)。導(dǎo)管示出了在混合物內(nèi)強(qiáng)制振動的流體區(qū)域的擺動邊界x。由于其相互作用，反應(yīng)力層f響應(yīng)于管壁運(yùn)動。我們關(guān)注描述x和f之間的動態(tài)關(guān)系的轉(zhuǎn)換函數(shù)H。建立運(yùn)動的微分方程，進(jìn)行拉普拉斯變換，我們得到 其中， 而且，我們假定諧振器以速度v穿過振蕩管移動。因此，軸向坐標(biāo)z以下面的關(guān)系和時域相關(guān) z＝vt-l/2. (28) 圖13中的曲線基于上述方程，其和驅(qū)動模式相關(guān)。為貼附在導(dǎo)管上的靜止質(zhì)量m0軌跡的實線和為諧振器質(zhì)量層m1的虛線沿管道移動。我們可以看到，在穿過導(dǎo)管的路徑上出現(xiàn)振幅差和相位偏移。結(jié)合方程(4)，(5)，(6)，(9)，(25)和(28)，我們可計算反應(yīng)力f。為了獲得空間中的力層，通過使用方程(28)的逆相關(guān)系將時域轉(zhuǎn)換回空間域。方程(29)導(dǎo)致 其中 L代表拉普拉斯算子。每個力層f的模態(tài)分向量fD，C是一個復(fù)合且非對稱的函數(shù)。為了計算誤差，這些力分解為實部和虛部以及對稱和非對稱的分量。
最后，我們計算兩相條件下的質(zhì)量流量和密度誤差。因此，用方程(29)中的移動諧振器的反應(yīng)力f代替方程(1)中的所有和流體相關(guān)的項 和方程(10)類似，我分進(jìn)行模態(tài)分解 作為第一個結(jié)果，我們獲得方程(33)，以在迭代計算過程中確定系 統(tǒng)的實際驅(qū)動頻率

已知該驅(qū)動頻率

我們獲得如方程(33)所示的擾動的或表觀密度

以及相應(yīng)的實際質(zhì)量因子

通過測量該因子，我們調(diào)節(jié)諧振器質(zhì)量因子Q1。通過方程(33)通過下式給出兩相條件下正式密度ρ和表觀密度

之間的密度誤差
通過對方程(32)求值，我們還得到混合物情況下的科里奧利相關(guān)系數(shù)
如果我們假定系統(tǒng)的阻尼不是很低且驅(qū)動和科里奧利頻率的比率保持恒定

可以通過下式最終就算出質(zhì)量流誤差
科里奧利相關(guān)系數(shù)可先在適當(dāng)?shù)膯蜗鄺l件下校準(zhǔn)，其在這里可用作均質(zhì)單相介質(zhì)情況下的模式耦合參考值。在上述推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在我們可以計算當(dāng)液體中的氣體濃度非零時，方程(35)中所示的密度以及方程(37)中所示的質(zhì)量流速的測量誤差。
包括“氣泡效應(yīng)”的移動諧振器的模式可在計算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)中，例如直接在上述微機(jī)55內(nèi)用數(shù)字化執(zhí)行。用于該模式的參數(shù)和常數(shù)列于表1中。表2中示出兩種不同的氣體的體積濃度α1＝1.5％以及α2＝15％，以及兩個不同的壓力p1＝1×105Pa以及p2＝5×105的相應(yīng)結(jié)果。
如圖14所示，可使用如上所述的移動諧振器模型來補(bǔ)償科里奧利計的測量誤差。因此，可使用下列誤差補(bǔ)償裝置，如，引入值為獨(dú)立測量的混合物聲速c和科里奧利質(zhì)量流量計的測量值，如實際的驅(qū)動頻率

系統(tǒng)的質(zhì)量因子

表觀密度

和表觀質(zhì)量流

系統(tǒng)的質(zhì)量因子

是實際的驅(qū)動頻率

的函數(shù)。通過方程(23)已知混合物聲速c，我們可以確定諧振器頻率f1。使用方程(33)和方程(34)，以迭代的過程調(diào)節(jié)未知參數(shù)氣體體積濃度α和諧振器質(zhì)量Q1。因此，減小了系統(tǒng)的質(zhì)量因子

和實際的驅(qū)動頻率

的測量和計算值之間的差別。最后通過使用方程(35)和方程(37)確定實際的質(zhì)量流

和實際的混合物密度ρ。結(jié)果，誤差補(bǔ)償算法給出實際的質(zhì)量流

、實際的混合物密度ρ以及氣體體積濃度α。
備選的誤差補(bǔ)償裝置為通過用方程(16)測量混合物聲速c和壓力p，計算氣體體積濃度α?？蛇x擇的，該步驟還可通過使用一個內(nèi)插查找表完成，該表包括測量或計算的三元組(c，p，α)。通過方程(23)已知混合物聲速c，我們可確定諧振器頻率f1。使用方程(34)，確定未知參數(shù)諧振器質(zhì)量Q1。因此，減小了測量和計算的系統(tǒng)的質(zhì)量因子

之間的差別。最后通過使用方程(35)和方程(37)確定實際的質(zhì)量流

和實際的混合物密度ρ。結(jié)果，誤差補(bǔ)償運(yùn)算法則給出實際的質(zhì)量流

、實際的混合物密度ρ以及氣體體積濃度α。 表1 參數(shù)設(shè)置 表2 計算結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種通過在線測量裝置，尤其是科里奧利質(zhì)量流量測量裝置測量管道內(nèi)流動的混合物的物理測量量，尤其是質(zhì)量流速、密度和/或粘度的方法，該測量裝置包括振動型的測量轉(zhuǎn)換器和與所述測量轉(zhuǎn)換器電耦合的測量裝置電子設(shè)備，所述混合物由至少一個主要混合物組分和至少一個次要混合物組分組成，所述方法包括下列步驟
使要測量的混合物流經(jīng)所述測量轉(zhuǎn)換器的至少一個測量管，該測量管和所述管道相連通；
將勵磁電流引入到與引導(dǎo)混合物的測量管相機(jī)械耦合的勵磁裝置，以使該測量管進(jìn)行機(jī)械振蕩，以及驅(qū)動所述測量管以使其以第一自然本征模型的至少一個瞬時諧振頻率而振蕩，并在流經(jīng)所述振動測量管的混合物內(nèi)感生科里奧利力；
讀出該測量管的振動并產(chǎn)生表示該振動測量管的振蕩的至少一個振蕩測量信號；
由勵磁電流以及由所述至少一個振蕩測量信號來評估科里奧利耦合系數(shù)，所述科里奧利耦合系數(shù)對應(yīng)于通過由勵磁裝置當(dāng)前驅(qū)動的所述第一自然本征模型與所述測量管的第二自然本征模型之間的瞬時耦合，在所述第二自然本征模型中，測量管具有與在混合物內(nèi)感生的所述科里奧利力所導(dǎo)致的振動的模式相對應(yīng)的本征形態(tài)，并且，所述科里奧利耦合系數(shù)由于所述混合物的所述主要組分和所述次要組分中的至少之一的濃度的變化而隨時間變化；以及
將所述至少一個振蕩測量信號和/或勵磁電流連同于所述科里奧利耦合系數(shù)一起使用，以產(chǎn)生表示要測量的物理測量量的測量值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該方法進(jìn)一步包括下列步驟中的至少一個
確定由振動測量管內(nèi)的混合物體積所形成的流體諧振器的自然諧振頻率，以及確定所述流體諧振器的振動的質(zhì)量因數(shù)。
3.如前一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟
產(chǎn)生實際上表示所述流體諧振器的振動的所述質(zhì)量因數(shù)的質(zhì)量因數(shù)值。
4.如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括下列步驟
確定要測量的混合物的聲速，產(chǎn)生實際上表示該混合物的聲速的聲速值，以及使用所述聲速值評估所述科里奧利耦合系數(shù)。
5.如權(quán)利要求2和4所述的方法，其中，由所述聲速值導(dǎo)出所述流體諧振器的自然諧振頻率。
6.如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括下列步驟
確定要測量的混合物的空隙率，以及產(chǎn)生實際上表示在該混合物內(nèi)的所述主要組分和所述次要組分中的至少之一的濃度的濃度值，以及使用所述濃度值評估所述科里奧利耦合系數(shù)。
7.如權(quán)利要求3和6所述的方法，其中，產(chǎn)生所述濃度值和產(chǎn)生該質(zhì)量因數(shù)的步驟迭代地操作。
8.如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，評估所述科里奧利耦合系數(shù)的步驟進(jìn)一步包括下列步驟中的至少一個
確定傳導(dǎo)該混合物的該振動測量管的瞬時驅(qū)動頻率；確定傳導(dǎo)要測量的該混合物的該振動測量管的瞬時質(zhì)量因數(shù)；確定該混合物的靜壓；確定該混合物的表觀密度；以及確定混合物的表觀質(zhì)量流量。
9.如前一項權(quán)利要求所述的方法，其中，利用所述勵磁電流來導(dǎo)出傳導(dǎo)要測量的混合物的振動測量管的質(zhì)量因數(shù)。
10.如前述任一項權(quán)利要求所述的方法，其中，物理測量量是該混合物的所述至少一個主要組分的質(zhì)量流速。
11.一種在線測量裝置，尤其是科里奧利質(zhì)量流量/密度測量裝置和/或粘度測量裝置，用于測量管道內(nèi)流經(jīng)的兩相或多相混合物的至少一個物理測量量x，尤其是質(zhì)量流速
、密度ρ和/或粘度η，該在線測量裝置包括
振動型轉(zhuǎn)換器和與所述振動型轉(zhuǎn)換器電耦合的測量裝置電子設(shè)備，所述振動型轉(zhuǎn)換器包括至少一個插入到管道的路線內(nèi)的測量管，所述至少一個測量管用于傳導(dǎo)要測量的混合物，并且所述至少一個測量管和連接管道相連通，作用于該測量管的、以使至少一個測量管產(chǎn)生振動的勵磁裝置，用于讀出該至少一個測量管的振動的、并用于傳送表示測量管的振蕩的至少一個振蕩測量信號的傳感器裝置，以及所述測量裝置電子設(shè)備至少不時地傳送用于驅(qū)動勵磁裝置的勵磁電流，所述在線測量裝置適于執(zhí)行權(quán)利要求1-10中任一項所述的方法。
12.如權(quán)利要求11所述的在線測量裝置，其中，該測量裝置電子設(shè)備適于執(zhí)行所述的評估所述科里奧利耦合系數(shù)的步驟。
13.如權(quán)利要求11所述的在線測量裝置，其中，該測量裝置電子設(shè)備適于執(zhí)行權(quán)利要求2至9中的任一項所述的步驟中的至少一個步驟。
14.一種如權(quán)利要求11至13中任一項所述的在線測量裝置的用途，用于測量管道內(nèi)流動的兩相或多相介質(zhì)、尤其是液-氣混合物的物理測量量，尤其是質(zhì)量流速、密度和/或粘度。
全文摘要
在線測量裝置，包括振動型轉(zhuǎn)換器和與該振動型轉(zhuǎn)換器電耦合的測量裝置電子設(shè)備。該振動型轉(zhuǎn)換器包括至少一個插入到管道的線路內(nèi)并用于傳導(dǎo)要測量的混合物的測量管。勵磁裝置作用于測量管上，用于使至少一個測量管振動，傳感器裝置，用于讀出至少一個測量管的振動、并傳送表示測量管的振蕩的至少一個振蕩測量信號。測量裝置電子設(shè)備傳送用于驅(qū)動勵磁裝置的勵磁電流。而且，該在線測量裝置適于產(chǎn)生表示要測量的混合物的物理測量量的測量值。因此，測量裝置電子設(shè)備利用勵磁電流和所述至少一個振蕩測量信號來評估出科里奧利耦合系數(shù)。該科里奧利耦合系數(shù)對應(yīng)于通過勵磁裝置當(dāng)前驅(qū)動的所述第一自然本征模型和所述測量管的第二自然本征模型之間的瞬時耦合。在該第二本征模型中，測量管具有與在流動的混合物內(nèi)所感生的所述科里奧利力所形成的振動的模式相對應(yīng)的本征形態(tài)。由于混合物的至少一個組分的濃度的變化，所述科里奧利耦合系數(shù)隨時間變化。
文檔編號G01F1/84GK101198843SQ200680017433
公開日2008年6月11日 申請日期2006年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者沃爾夫?qū)さ吕漳? 阿爾弗雷德·里德, 浩 朱 申請人:恩德斯+豪斯流量技術(shù)股份有限公司