СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ЗНАЧЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗВЕСТНОЙ ПЛОТНОСТИ
METHOD FOR COMPENSATING MASS FLOW VALUE USING KNOWN DENSITY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Описываемые ниже варианты реализации относятся к способам компенсации и, более конкретно, к способу компенсации значения массового расхода, измеряемого датчиком Кориолиса, для данной температуры, с использованием известной плотности флюида и частоты привода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Измерители Кориолиса проектируются для предоставления точных измерений, как массового расхода, так и плотности флюидов, проходящих через трубопровод, для широкого диапазона технологических флюидов и условий окружающей среды. Существует множество применений, в которых измерители Кориолиса используются как эталонные измерители для калибровки других устройств измерения расхода. Естественно, это требует высокой степени точности.
Одно из таких применений, например - это применение при испытаниях ракетных двигателей. В данном применении имеется необходимость в калибровке расходомеров Вентури, используемых для измерения расхода жидкого водорода и кислорода в стендах для испытаний ракет. Требования по точности для опорного датчика при технологических условиях в таком применении высоки, и в некоторых применениях необходима точность 0,35%.
В настоящее время в датчиках для криогенных применений, включающих в себя сжиженный природный газ (СПГ), жидкий аргон, азот и кислород, точность измерения массы, при использовании обычной коррекции температуры, составляет в лучшем случае 1%.
Предполагается, что соотношение между массовым расходом и сигналом измерения расхода датчиком Кориолиса существенно зависит от жесткости колебательного трубопровода или трубопроводов. Также предполагается, что температура может влиять на жесткость трубопровода или трубопроводов датчика расхода Кориолиса посредством трех различных механизмов.
Первый механизм заключается в изменении модуля упругости с температурой. Этот эффект был обнаружен много лет назад, и была разработана линейная температурная компенсация, как задается Уравнением 1:
(1)
где:
- массовый расход
FCF
- калибровочный коэффициент расхода (единицы: г/с на мкс)
- измерение фундаментального времени Кориолиса
zero - Δt
при условии отсутствия потока
- температурный коэффициент для изменения модуля упругости
- разность температур (°C).
Во всем диапазоне применений для большинства датчиков Кориолиса зависимость модуля упругости от температуры близка к линейной, и, таким образом, данная коррекция хорошо работает в большинстве применений. Когда датчики Кориолиса были впервые применены для криогенных применений, было обнаружено, что модуль упругости не линеен в области ниже 0°C; как показано на Фиг.2. Была разработана коррекция для низкой температуры и криогенных применений, вплоть до -233 °C, как задается Уравнением 2:
(2)
где каждое из слагаемых φ представляет собой полиномиальный коэффициент, характеризующий нелинейное поведение модуля упругости, в особенности при низких температурах. Это показано на Фиг.3. Следует отметить, что Уравнение 2 сводится к Уравнению 1, когда каждое из слагаемых φ2 и φ3 имеет значение 0.
Второй механизм, влияющий на жесткость трубопровода, заключается в расширении материала с изменением температуры. Если трубопровод ничем не ограничен, его длина, поперечное сечение и внутренний объем изменяются, и, тем самым, фактически изменяется жесткость.
Эмпирически наблюдалось, что коррекция температуры для квадрата периода колебаний трубопровода, используемая при измерениях плотности, не была такой же, как для фактора калибровки расхода, FCF. Было определено, что это происходит из-за теплового расширения. Были разработаны в общем виде уравнения для массового расхода и плотности, в которых датчик Кориолиса U-образного трубопровода представляется как консольная балка. Соотношения между значениями расхода и плотности, описывающие этот механизм, даются Уравнениями 3 и 4; соответственно.
(3)
где:
α - коэффициент теплового расширения
- полином, выраженный в Уравнении 2.
(4)
где:
- квадрат периода
C1 и C2 - калибровочные константы
- полином, выраженный в уравнении 2.
Третий механизм, влияющий на жесткость трубопровода, заключается в термическом напряжении. Если перемещение трубопровода, или трубопроводов, с изменением температуры не свободно, то тепловому напряжению будет противодействовать механическое восстанавливающее напряжение. Этот эффект значителен для прямого трубопровода или для низкопрофильных датчиков Кориолиса. Для других конфигураций датчиков данный механизм пренебрежимо мал.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с вариантом реализации предоставляется способ определения значения массового расхода. Датчик расходомера откалиброван при первой температуре. Флюид, имеющий вторую температуру, которая отличается от первой температуры, проходит через датчик расходомера. Плотность флюида вводится в электронный измеритель расходомера. Значение скомпенсированного массового расхода флюида определяется с помощью электронного измерителя, причем модуль упругости датчика расходомера не известен.
Предоставляется расходомер, содержащий электронный измеритель, сконфигурированный для приема технологического флюида, имеющего вторую температуру, электронный измеритель, сконфигурированный для коммуникации со сборкой датчика расходомера. По меньшей мере, один расходомерный трубопровод сконфигурирован для приема технологического флюида. По меньшей мере, один привод сконфигурирован для возбуждения колебаний, по меньшей мере, одного расходомерного трубопровода. Предоставляется, по меньшей мере, один тензометрический датчик для регистрации колебаний, по меньшей мере, одного расходомерного трубопровода, причем расходомер откалиброван при первой температуре. Плотность флюида вводится в электронный измеритель, и электронный измеритель сконфигурирован для определения скомпенсированного значения массового расхода флюида, причем модуль упругости, по меньшей мере, одного расходомерного трубопровода не известен.
ОБЪЕКТЫ
В соответствии с объектом, способ для определения значения массового расхода содержит датчик расходомера, откалиброванный при первой температуре. Флюид, имеющий вторую температуру, которая отличается от первой температуры, проходит через датчик расходомера. Плотность флюида вводится в электронный измеритель расходомера. Скомпенсированное значение массового расхода флюида определяется с помощью электронного измерителя, причем модуль упругости датчика расходомера не известен.
Предпочтительно, плотность представляет собой известное опорное значение.
Предпочтительно, плотность рассчитывается из уравнения состояния.
Предпочтительно, уравнение состояния содержит выражение, связанное с давлением, и выражение, связанное с температурой.
Предпочтительно, скомпенсированный массовый расход вычисляется как:  .
Предпочтительно, точность скомпенсированного значения массового расхода составляет ±0,5%.
Предпочтительно, первая температура представляет собой не криогенную температуру, а вторая температура представляет собой криогенную температуру.
В соответствии с объектом, расходомер, содержащий электронный измеритель, сконфигурирован для приема технологического флюида, имеющего вторую температуру, причем электронный измеритель сконфигурирован для коммуникации со сборкой датчика расходомера. По меньшей мере, один расходомерный трубопровод сконфигурирован для приема технологического флюида. По меньшей мере, один привод сконфигурирован для возбуждения колебаний, по меньшей мере, одного расходомерного трубопровода. Предоставляется, по меньшей мере, один тензометрический датчик для регистрации колебаний, по меньшей мере, одного расходомерного трубопровода, причем расходомер откалиброван при первой температуре. Плотность флюида вводится в электронный измеритель, и электронный измеритель сконфигурирован для определения скомпенсированного значения массового расхода флюида, причем модуль упругости, по меньшей мере, одного расходомерного трубопровода не известен.
Предпочтительно, плотность представляет собой известное опорное значение.
Предпочтительно, плотность рассчитывается из уравнения состояния.
Предпочтительно, уравнение состояния содержит выражение, связанное с давлением, и выражение, связанное с температурой.
Предпочтительно, скомпенсированный массовый расход вычисляется как:  .
Предпочтительно, точность скомпенсированного значения массового расхода составляет ±0,5%.
Предпочтительно, первая температура представляет собой не криогенную температуру, а вторая температура представляет собой криогенную температуру.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Одно и то же цифровое обозначение отображает один и тот же элемент на всех чертежах. Следует понимать, что чертежи не обязательно приведены в масштабе.
Фиг.1 изображает расходомер, содержащий сборку датчика и электронный измеритель;
Фиг.2 - график, показывающий изменение модуля упругости нержавеющей стали марки 316 с температурой.
Фиг.3 - график, показывающий модуль упругости нержавеющей стали марки 316 при криогенных температурах.
Фиг.4 - график, показывающий тепловое расширение нержавеющей стали марки 316 при криогенных температурах.
Фиг.5 - способ определения массового расхода в соответствии с вариантом реализации.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На Фиг.1-5 и в нижеследующем описании изображаются конкретные примеры для пояснения специалистам в данной области техники того, как реализовать и использовать наилучшим образом варианты реализации. С целью пояснения принципов изобретения, некоторые обычные объекты были упрощены или исключены. Специалистам в данной области техники будут понятны вариации этих примеров, находящиеся в пределах объема притязаний настоящего описания. Специалистам в данной области техники будет понятно, что признаки, описываемые ниже, могут быть скомбинированы различным образом с формированием множества вариаций способа компенсации. В результате описываемые ниже варианты реализации не ограничиваются описываемыми ниже конкретными примерами. Кроме того, на чертежах для примера может быть представлен конкретный металл, сплав, и/или флюид. Предоставляемые варианты реализации не ограничиваются конкретным представленным металлом, сплавом, и/или флюидом, поскольку рассматриваются и другие металлы, сплавы, и/или флюиды.
На Фиг.1 показан расходомер 5 в соответствии с вариантом реализации. Расходомер 5 содержит сборку 10 датчика и электронный измеритель 20. Электронный измеритель 20 связан со сборкой 10 датчика через кабельное соединение 100 и сконфигурирован для предоставления значений одной или нескольких величин, таких как плотность, массовый расход, объемный расход, суммарный массовый расход, температура, или другие величины, или другой информации, по каналу связи 26. Расходомер 5 может содержать массовый расходомер Кориолиса или другой вибрационный расходомер. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что расходомер 5 может содержать любую вариацию расходомера 5, независимо от количества приводов, тензометрических датчиков, расходомерных трубопроводов или используемой колебательной моды.
Сборка датчика 10 включает в себя пару фланцев 101 и 101′, манифольды 102 и 102′, привод 104, тензометрические датчики 105 и 105′ и расходомерные трубопроводы 103A и 103B. Привод 104 и тензометрические датчики 105 и 105′ соединены с расходомерными трубопроводами 103A и 103B.
Фланцы 101 и 101′ прикреплены к манифольдам 102 и 102′. Манифольды 102 и 102′ могут быть прикреплены к противоположным концам проставки 106 в некоторых вариантах реализации. Проставка 106 обеспечивает промежуток между манифольдами 102 и 102′. Когда сборка 10 датчика вставлена в трубопровод (не показан), который переносит измеряемый технологический флюид, технологический флюид входит в сборку 10 датчика через фланец 101, проходит через впускной манифольд 102, где суммарное количество технологического флюида направляется на вход расходомерных трубопроводов 103A и 103B, проходит через расходомерные трубопроводы 103A и 103B и направляется через выпускной манифольд 102′, где выходит из сборки 10 датчика через фланец 101′.
Технологический флюид может содержать жидкость. Технологический флюид может содержать газ. Технологический флюид может содержать многофазный флюид, такой как жидкость, включающую в себя вовлеченные газы и/или вовлеченные твердые частицы, например, и без ограничения. Расходомерные трубопроводы 103A и 103B выбираются и соответствующим образом устанавливаются на впускной манифольд 102 и на выпускной манифольд 102′ так, чтобы они имели по существу одинаковое распределение массы, моменты инерции и модули упругости относительно изгибных осей W-W и W′-W′, соответственно. Расходомерные трубопроводы 103A и 103B проходят наружу от манифольдов 102 и 102′ по существу параллельным образом.
Расходомерные трубопроводы 103A и 103B приводятся в колебание посредством привода 104 в противоположных направлениях относительно соответствующих изгибных осей W и W′ и на так называемой первой несинфазной изгибной моде расходомера 5. Привод 104 может содержать одну из многих известных конфигураций, таких как магнит, установленный на расходомерный трубопровод 103A и противостоящая катушка, установленная на расходомерном трубопроводе 103B. Переменный ток пропускается через противостоящую катушку, вызывая колебания обоих трубопроводов. Подходящий приводной сигнал подается электронным измерителем 20 на привод 104 через кабельное соединение 110. Другие устройства привода предполагаются и находятся в пределах объема притязаний описания и пп. формулы.
Электронный измеритель 20 принимает сигналы датчика по кабельным соединениям 111 и 111′, соответственно. Электронный измеритель 20 подает приводной сигнал на кабельное соединение 110, вызывающий колебания расходомерных трубопроводов 103A и 103B приводом 104. Другие устройства датчика предполагаются и находятся в пределах объема притязаний описания и пп. формулы.
Электронный измеритель 20 обрабатывает сигналы левой и правой скорости от тензометрических датчиков 105 и 105′ для вычисления расхода, среди прочего. Канал связи 26 предоставляет средство ввода и вывода, обеспечивающие возможность связи электронного измерителя 20 посредством интерфейса с оператором или с другими электронными системами. Описание Фиг.1 предоставляется исключительно в качестве примера работы расходомера и не предназначено для ограничения принципов настоящего изобретения. В вариантах реализации рассматриваются расходомеры с одним трубопроводом, или с множеством трубопроводов, имеющие один или несколько приводов и тензометрических датчиков.
Электронный измеритель 20 в одном из вариантов реализации сконфигурирован для возбуждения колебаний расходомерных трубопроводов 103A и 103B. Колебание осуществляется посредством привода 104. Электронный измеритель 20 дополнительно принимает возникающие колебательные сигналы от тензометрических датчиков 105 и 105′. Колебательные сигналы содержат колебательный отклик расходомерных трубопроводов 103A и 103B. Электронный измеритель 20 обрабатывает колебательный отклик и определяет частоту отклика и/или разность фаз. Электронный измеритель 20 обрабатывает колебательный отклик и определяет один или несколько параметров потока, включающих в себя массовый расход и/или плотность технологического флюида. Другие характеристики колебательного отклика и/или измерения потока предполагаются и находятся в пределах объема притязаний описания и формул.
В одном из вариантов реализации расходомерные трубопроводы 103A и 103B содержат по существу омега-образные расходомерные трубопроводы, как показано на чертежах. Альтернативно, в других вариантах реализации расходомер может содержать по существу прямые расходомерные трубопроводы, U-образные трубопроводы, дельта-образные трубопроводы, и т.д. Дополнительные формы и/или конфигурации расходомера могут быть использованы и находятся в пределах объема притязаний описания и пп. формулы.
Из Фиг.3 можно видеть, что модуль упругости нержавеющей стали марки 316 не линеен при температурах жидкого водорода, 20 K при стандартном давлении. Также можно заметить, что если изменение модуля упругости представляет собой единственный эффект изменения Δt, то отличие любого расхода от расхода при 0°C (273,15°K) изменяется от 6 до 6,8% в диапазоне от 20 до 50°K. Вследствие этого также предполагается, что свойства материала используемого датчика подобны известным данным для данного сплава.
Предоставляется способ определения изменения модуля упругости с температурой с использованием известной или предполагаемой плотности при температуре вблизи области применения в соответствии с вариантом реализации. В данном варианте реализации также предполагается, что коэффициент теплового расширения является постоянным. Из Фиг.4 можно видеть, что данное предположение приводит к несколько большей ошибке. Кроме того, следует отметить, что нержавеющая сталь марки 316 предоставляется исключительно для примера, и подобные закономерности существуют и в других металлах/сплавах.
В варианте реализации суммарная неопределенность значения криогенного массового расхода снижается посредством устранения коррекции модуля упругости и соответственных проблем калибровки расхода при криогенных температурах. С использованием уравнений состояния для плотности флюида, которые хорошо известны для однокомпонентных флюидов, таких как, например, жидкий водород или природный газ, точное вычисление массового расхода может быть достигнуто без описанных выше проблем.
В отличие от предшествующих способов компенсации, в данном способе в уравнении массового расхода устраняется зависимость изменения модуля упругости как функции температуры. В варианте реализации предоставляется уравнение для значения массового расхода, не зависящее от изменения модуля с температурой; как задается Уравнением 5.
(5)
f
Плотность ρ флюида может быть либо введена как известная величина, либо, в случае известного флюида, подобного коммерческому чистому водороду, рассчитана из уравнения состояния с использованием вводимых данных давления и температуры. Температура и давление могут напрямую вводиться в измеритель или могут быть измерены, по меньшей мере, одним из датчиков давления и температуры. Для двухтрубопроводного U-образного датчика Кориолиса, работающего таким образом, целесообразно ожидать точность значения расхода ±0,5% при измерении чистого криогенного флюида, такого как жидкий водород.
Относительно Фиг.5, предоставляется блок-схема последовательности операций, показывающая этапы варианта реализации для определения значения массового расхода. На этапе 500 расходомер калибруется при первой температуре. Несмотря на калибровку именно при первой температуре, на этапе 502 флюид, имеющий вторую, отличную, температуру, проходит через датчик 10 расходомера. На этапе 504 предоставляется плотность флюида для электронного расходомера 20. На этапе 506 определяется значение скомпенсированного массового расхода флюида с помощью электронного измерителя 20. В данном случае модуль упругости датчика расходомера остается неизвестным и не используется электронным измерителем, что представляет собой существенное отличие от случая предшествующего уровня техники. Это показано в Уравнении 5. Таким образом, специалистам в данной области техники будет понятно, что измерения температуры также не являются критическими для точного измерения расхода. Фактически, ошибочный вклад в расход, связанный с температурой, может составлять 0,0006%, и, таким образом, быть незначительным по сравнению с такими факторами, как плотность флюида, давление, калибровочные константы и другие факторы, приводящие к неопределенности.
В варианте реализации первая температура (то есть температура, при которой калибруется расходомер) является не криогенной. Это обычно соответствует диапазону температур, характерных для промышленных предприятий, то есть вблизи "комнатной температуры". Однако проходящий флюид является криогенным, поэтому температура имеет значение приблизительно между -100°C и -273°C. Одно их преимуществ этого обстоятельства заключается в уменьшении стоимости и трудоемкости обработки криогенного флюида во время калибровки. По вышеупомянутым причинам, расходомер, откалиброванный при стандартных комнатных температурах, остается точным при работе с криогенными жидкостями, что также представляет собой отличие от предшествующего уровня техники. Это показано в Таблице 1, которая предоставляется исключительно как пример, а не ограничение каким-либо образом. Значения в таблице характерны только для одной конкретной модели расходомера, и не предназначаются для ограничения вариантов реализации.
Расчет неопределенности:
Переменные, влияющие на значение массового расхода.
(6)
x
Неопределенность значения массового расхода, вызванная любой единственной переменной, .
(7)
Суммарная неопределенность значения массового расхода, вызванная всеми переменными.
(8)
Предполагаемая ошибка значения массового расхода.
(9)
Неопределенность и Составляющая Ошибки значения расхода из-за неопределенности отличия температуры от температуры калибровки, ΔT.
(10)
Неопределенность и Составляющая Ошибки значения расхода из-за неопределенности коэффициента теплового расширения, α.
(11)
f
Неопределенность и Составляющая Ошибки значения расхода из-за неопределенности плотности флюида, ρ.
(12)
Неопределенность и Составляющая Ошибки значения расхода из-за неопределенности периода колебаний трубопровода, K.
(13)
3
Полная предполагаемая неопределенность ошибки значения расхода для расходомера Кориолиса, при значении C2, составляющем 1943 кг\м, приводится в Таблице 1.
<b>Переменная массового расхода</b>
<b>Номинальное</b><b>значение, </b><b><i>x</i></b>
<b>Отклонение,</b><b></b><b><i>dx</i></b><b></b>
<b>Вклад в ошибку</b><b>значения расхода</b>
Δt, нулевая и другие калибровочные константы
-
-
0,10%
Давление и другие параметры потока
-
-
0,10%
Значение температуры, °C
-253
5
0,0006%
Оценка CTE, °C<sup>-1</sup>
11,1*10<sup>-6</sup>
5,0*10<sup>-6</sup>
0,01%
Плотность флюида, кг/м<sup>3</sup>
71,2
4
0,20%
Период колебаний трубопровода, мкс
10,691
1
0,02%
<b>Суммарная неопределенность значения расхода</b>
<b>±24%</b>
Таблица 1
Подробные описания вышеупомянутых вариантов реализации не исчерпывают описания всех вариантов реализации, рассматриваемых заявителями и находящихся в пределах объема притязаний настоящего описания. Действительно, специалистам в данной области техники будет понятно, что определенные элементы вышеописанных вариантов реализации могут различным образом быть скомбинированы или устранены для создания дополнительных вариантов реализации, и такие дополнительные варианты реализации находятся в пределах объема притязаний и объяснений настоящего описания. Также специалистам, имеющим обычные навыки в данной области техники, будет очевидно, что вышеописанные варианты реализации могут быть скомбинированы полностью или частично для создания дополнительных вариантов реализации в пределах объема притязаний и пояснений настоящего описания.
Таким образом, несмотря на то, что здесь в иллюстративных целях описываются конкретные варианты реализации, в пределах объема притязяний настоящего описания возможны различные эквивалентные модификации, как должно быть ясно специалистам в данной области техники. Предоставленное здесь описание может быть применено к другим расчетам потребления топлива для смеси топлива и воды, а не только к вариантам реализации, описанным выше и показанным на сопровождающих чертежах.