ВИБРАЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР С ОЧЕНЬ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ ВИБРАЦИИ
VERY HIGH FREQUENCY VIBRATORY FLOW METRE

Уровень техники
1. Область техники
Настоящее изобретение относится к вибрационному расходомеру и, более конкретно, к вибрационному расходомеру с очень высокой частотой вибрации.
2. Формулировка проблемы
Вибрационные расходомеры, такие как массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры, обычно действуют посредством регистрации перемещения вибрирующего проточного трубопровода, который содержит протекающий или не протекающий флюид. Характеристики, связанные с материалом в проточном трубопроводе, такие как массовый расход, плотность и т.п., могут быть определены в результате обработки измерительных сигналов, принимаемых от датчиков перемещения, связанных с проточным трубопроводом. Колебательные моды заполненной материалом вибрирующей системы обычно зависят от суммарной массы, жесткости и параметров демпфирования заполняемого проточного трубопровода и содержащегося в нем материала.
Типичный вибрационный расходомер включает в себя один или более проточных трубопроводов, которые соединяются в линейную магистраль или другую транспортную систему, и транспортируют в системе материал, например флюиды, шламы и т.п. Проточный трубопровод можно рассматривать как систему, имеющую ряд собственных колебательных мод, включая, например, простые изгибные, крутильные, радиальные и связанные моды. Обычно для измерений проточный трубопровод возбуждается на одной или более колебательных модах, когда материал течет через проточный трубопровод, и движение проточного трубопровода регистрируется в точках, разнесенных вдоль проточного трубопровода. Возбуждение обычно обеспечивается приводом, например электромеханическим устройством, таким как индукционный привод, работающий на звуковых частотах, который периодически возмущает проточный трубопровод. Плотность флюида может быть получена определением резонансной частоты протекающего флюида. Массовый расход может быть определен по измерению временной задержки или по разности фаз между перемещениями в местоположениях датчиков. Два таких датчика (или тензодатчика) обычно используются для измерения вибрационного отклика проточного трубопровода или проточных трубопроводов и обычно располагаются в положениях сверху и снизу по течению относительно привода. Два тензодатчика соединяются с электронным измерительным прибором с помощью кабеля, например с помощью двух независимых пар проводов. Измерительный прибор принимает сигналы от двух тензодатчиков и обрабатывает сигналы, чтобы получить измерение массового расхода.
Расходомеры используются для измерения массового расхода и/или измерения плотности при большом разнообразии протекающих флюидов и обеспечивают высокую точность для однофазных потоков. Одно из применений вибрационных расходомеров заключается в измерении выхода нефти и газа из скважины. Продукт таких скважин может содержать многофазный поток, включающий в себя жидкости, но также включать в себя и газы и/или твердые вещества, которые могут быть вовлечены в поток флюида. Поток флюида из месторождения нефти может поэтому включать в себя нефть, воду, воздух или другие газы, и/или песок или другие грунтовые частицы, например. Однако, когда используется вибрационный расходомер для измерения протекающего флюида, включающего в себя вовлеченные газы и/или твердые вещества, точность измерителя может быть значительно ухудшена. Весьма желательно, чтобы окончательное измерение было настолько точным, насколько это возможно, даже для таких многофазных потоков.
Многофазные протекающие флюиды могут включать в себя вовлеченные газы, особенно потоки газовых пузырей. Многофазные потоки могут включать в себя вовлеченные твердые вещества или вовлеченные твердые частицы, смеси, например бетон и т.д. Кроме того, многофазные потоки могут включать в себя жидкости различных плотностей, например водные и нефтяные компоненты. Фазы могут иметь различные плотности, вязкости или другие свойства.
В многофазном потоке вибрация проточного трубопровода не обязательно перемещает вовлеченные газы/твердые вещества точно в фазе с протекающим флюидом. Эта вибрационная аномалия обозначается как разделение или отставание. Газовые пузыри, например, могут отделиться от протекающего флюида, влияя на вибрационный отклик и любые, получаемые впоследствии, параметры потока. Маленькие пузыри обычно перемещаются с протекающим флюидом, когда расходомер вибрирует. Однако большие пузыри не перемещаются с протекающим флюидом во время вибрации проточного трубопровода. Вместо этого пузыри могут отделиться от протекающего флюида и могут перемещаться независимо, с вовлеченными газовыми пузырями, перемещающимися дальше и быстрее, чем с протекающим флюидом при каждом вибрационном смещении. Это неблагоприятно влияет на вибрационный отклик расходомера. Это справедливо также для твердых веществ, вовлеченных в протекающий флюид, в котором твердые частицы с большой вероятностью отделяются от движения протекающего флюида при увеличении размеров частиц или вибрационных частот. Разделение может произойти даже тогда, когда многофазный поток включает в себя жидкости различающихся плотностей и/или вязкостей. Установлено, что разделение зависит от различных факторов, таких как вязкость протекающего флюида и различие в плотности протекающего флюида и инородного материала, например.
В дополнение к проблемам, вызванным относительным движением пузырей и частиц, измерители Кориолиса могут иметь ухудшение точности из-за эффектов, связанных со скоростью звука (SOS) или сжимаемостью, когда скорость звука измеряемого флюида низка или частота колебания измерителя высока. Жидкости имеют более высокие скорости звука, чем газы, но наиболее низкие значения скорости звука получаются для их смеси. Даже малое количество газа, вовлеченного в жидкость, приводит к значительному снижению скорости звука смеси; ниже таковой для любой из фаз.
Колебание расходомерной трубки производит звуковые волны, которые распространяются в поперечном направлении на частоте привода измерителя. Когда скорость звука для флюида высока, как в однофазном флюиде, первая акустическая мода для поперечных звуковых волн поперек круглого проточного трубопровода соответствует намного более высокой частоте, чем частота привода. Однако, когда скорость звука падает из-за добавления газа к жидкости, частота акустической моды также падает. Когда частоты акустической моды и приводной моды близки, возникают ошибки измерителя из-за нерезонансного возбуждения акустической моды приводной модой.
Для низкочастотных измерителей и типичных используемых давлений эффекты скорости звука присутствуют в многофазных потоках, но обычно они незначительны при заданной точности измерителя. Однако для высокочастотных измерителей Кориолиса, работающих при низких давлениях с флюидами с пузырями, скорость звука может быть достаточно низкой, чтобы вызвать существенные ошибки измерения из-за взаимодействия между приводной модой и колебательными модами флюида.
Размер пузырей может варьироваться в зависимости от количества присутствующего газа, давления протекающего флюида, температуры и степени смешивания газа с протекающим флюидом. Уровень снижения рабочих параметров определяется не только тем, как много газа имеется в целом, но также и с размером отдельных газовых пузырей в потоке. Размер пузырей влияет на точность измерения. Большие пузыри занимают больший объем и, увеличиваясь, отделяются, приводя к флуктуациям плотности и измеряемой плотности протекающего флюида. Из-за сжимаемости газа пузыри могут изменять содержание газа или массу, не обязательно изменяясь в размере. Наоборот, если давление изменяется, размер пузыря может соответственно измениться, расширяясь, когда давление падает или, сокращаясь, когда давление увеличивается. Это может также вызвать вариации собственной или резонансной частоты расходомера.
Вибрационные расходомеры предшествующего уровня техники обычно конструировались для рабочих частот приблизительно 100-300 Герц (Гц), и некоторые измерители работали на частотах 500-1000 Гц. Некоторые измерители предшествующего уровня техники предназначались для работы на более высоких частотах. Рабочая частота вибрационного расходомера в технике предшествующего уровня обычно выбирается так, чтобы облегчить конструкцию расходомера, его изготовление и его работу. Например, вибрационный, или Кориолисов, расходомер в технике предшествующего уровня конфигурировался так, чтобы быть физически компактным и по существу однородным по размерам. Например, высота расходомера в технике предшествующего уровня обычно меньше, чем длина, давая малое характеристическое отношение высоты к длине (H/L) и соответствующую высокую приводную частоту. Пользователи расходомера предпочитают малый общий размер, чтобы упростить его установку. Кроме того, конструкция расходомера обычно предполагает однородный поток однофазного флюида и предназначена для оптимальной работы с таким однородным протекающим флюидом.
Расходомер с прямым проточным трубопроводом имеет нулевое характеристическое отношение высоты к длине, что обычно приводит к высокой приводной частоте. Часто используются изогнутые проточные трубопроводы, чтобы избежать преобладания значения длины и увеличить характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Искривленный или изогнутый трубопроводный расходомер в технике предшествующего уровня может иметь характеристическое отношение высоты к длине, приближающееся к 1,3, например.
В данной области техники сохраняется потребность получить вибрационный расходомер, который пригоден для точного и надежного измерения расхода многофазных флюидов.
Сущность изобретения
В одном объекте изобретения вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации содержит:
сборку расходомера, включающую в себя один или более проточных трубопроводов со сборкой расходомера, сконфигурированную для создания вибрационного отклика с очень высокой частотой, которая выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида независимо от размера инородного материала или состава инородного материала; и
электроника измерителя, соединенная со сборкой расходомера и сконфигурированная, чтобы принимать вибрационный отклик с очень высокой частотой и генерировать из него одно или более измерений параметров потока.
p
f
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно 3:1 для вовлеченного газа на очень высокой частоте.
p
f
p
f
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что разделительное отношение (A/A) приблизительно равно величине 3/(1+(2*ρ/ρ)) для вовлеченных твердых веществ на очень высокой частоте.
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что вязкость эффективно нулевая относительно движения частиц для протекающего флюида на очень высокой частоте.
Предпочтительно, очень высокая частота имеет значение выше, чем приблизительно 1500 Герц (Гц).
Предпочтительно, вибрационный отклик с очень высокой частотой соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое меньше, чем приблизительно 0,1.
Предпочтительно, очень высокая частота имеет значение выше, чем приблизительно 2000 Герц (Гц).
Предпочтительно, один или более проточных трубопроводов конфигурируются так, чтобы достигнуть очень высокой частоты посредством конфигурации одного или более из следующих параметров: жесткости проточного трубопровода, длины проточного трубопровода, характеристического отношения проточного трубопровода, материала проточного трубопровода, толщины проточного трубопровода, формы проточного трубопровода, геометрии проточного трубопровода или одного или более положений колебательных узлов.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации сконфигурирован так, чтобы работать на частоте первой изгибной моды.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации сконфигурирован так, чтобы работать на частотах изгибных мод более высокого порядка.
В одном объекте изобретения способ работы вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации содержит:
вибрацию одного или более проточных трубопроводов вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации на очень высокой частоте, которая выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;
прием вибрационного отклика с очень высокой частотой; и
генерирование одного или нескольких измерений расхода из вибрационного отклика с очень высокой частотой.
p
f
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно 3:1 для вовлеченного газа на очень высокой частоте.
p
f
p
f
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что разделительное отношение (A/A) приблизительно равно величине 3/(1+(2*ρ/ρ)) для вовлеченных твердых веществ на очень высокой частоте.
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что вязкость эффективно нулевая относительно движения частиц для протекающего флюида на очень высокой частоте.
Предпочтительно, очень высокая частота имеет значение выше, чем приблизительно 1500 Герц (Гц).
Предпочтительно, очень высокочастотный вибрационный отклик соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое меньше, чем приблизительно 0,1.
Предпочтительно, очень высокая частота имеет значение выше, чем приблизительно 2000 Герц (Гц).
Предпочтительно, один или более проточных трубопроводов вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации конфигурируются так, чтобы достигнуть очень высокой частоты посредством конфигурации одного или нескольких из следующих параметров: жесткости проточного трубопровода, длины проточного трубопровода, характеристического отношения проточного трубопровода, материала проточного трубопровода, толщины проточного трубопровода, формы проточного трубопровода, геометрии проточного трубопровода или одного или более положений колебательных узлов.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации сконфигурирован так, чтобы работать на частоте первой изгибной моды.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации сконфигурирован так, чтобы работать на частотах изгибных мод более высокого порядка.
В одном объекте изобретения способ формирования вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации содержит:
определение заданной очень высокой частоты для вибрационного расходомера исходя из, по меньшей мере, ожидаемого протекающего флюида, причем очень высокая частота имеет значение выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;
конфигурирование вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации для работы на очень высокой частоте; и
конструирование вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации.
p
f
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно 3:1 для вовлеченного газа на очень высокой частоте.
p
f
p
f
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что разделительное отношение (A/A) приблизительно равно 3/(1+(2*ρ/ρ)) для вовлеченных твердых веществ на очень высокой частоте.
Предпочтительно, электроника измерителя сконфигурирована так, что вязкость эффективно нулевая относительно движения частиц для протекающего флюида на очень высокой частоте.
Предпочтительно, очень высокая частота имеет значение выше, чем приблизительно 1500 Герц (Гц).
Предпочтительно, очень высокочастотный вибрационный отклик соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое меньше, чем приблизительно 0,1.
Предпочтительно, очень высокая частота имеет значение выше, чем приблизительно 2000 Герц (Гц).
Предпочтительно, один или более проточных трубопроводов конфигурируются так, чтобы достигнуть очень высокой частоты посредством конфигурации одного или более из следующих параметров: жесткости проточного трубопровода, длины проточного трубопровода, характеристического отношения проточного трубопровода, материала проточного трубопровода, толщины проточного трубопровода, формы проточного трубопровода, геометрии проточного трубопровода или одного, или более положений колебательных узлов.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации сконфигурирован так, чтобы работать на частотах первой изгибной моды.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации сконфигурирован так, чтобы работать на частотах изгибных мод более высокого порядка.
Описание чертежей
Одинаковые цифровые обозначения на чертежах соответствуют одинаковым элементам. Следует иметь в виду, что рисунки не обязательно выполнены в масштабе.
Фиг.1 изображает вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации в соответствии с изобретением.
Фиг.2 - диаграмма результатов моделирования полной ошибки плотности для очень низкочастотной моды и очень высокочастотной моды расходомера Кориолиса модели Micro Motion E200.
Фиг.3 - вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения.
Фиг.4 - блок-схема последовательности операций способа действия очень высокочастотного вибрационного расходомера в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
Прилагаемые Фиг.1-4 и нижеследующее описание демонстрируют конкретные примеры для специалистов в данной области техники, поясняя, как реализовать и использовать наилучший вариант изобретения. С целью объяснения принципов изобретения некоторые обычные объекты упрощены или опущены. Специалистам в данной области техники должны быть очевидны возможные вариации этих примеров, которые находятся в пределах объема притязаний изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что описанные ниже признаки могут быть объединены различным образом, формируя множественные вариации изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, но ограничивается только в соответствии с формулами и их эквивалентами.
На Фиг.1 показан вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации в соответствии с изобретением. Вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации в одном варианте реализации содержит расходомер Кориолиса. В другом варианте реализации вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации содержит вибрационный денситометр.
Вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации предназначен для измерения параметров протекающего флюида, включая измерение параметров протекающего флюида или в динамическом, или в стационарном режимах. Вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации, кроме того, предназначен для точного и надежного измерения параметров протекающего флюида, когда протекающий флюид содержит множественные фазы. В некоторых вариантах реализации многофазный протекающий флюид может включать в себя вовлеченный газ, причем вовлеченный газ может содержать поток пузырей. Вовлеченный газ может включать в себя воздушные пузыри или пузыри различных размеров. Вовлеченный газ создавал проблемы в вибрационных расходомерах предшествующего уровня техники. Вовлеченный газ, особенно в случае средних и больших пузырей, может перемещаться независимо от протекающего флюида и вызвать ошибки измерения или неопределенности. Кроме того, вовлеченный газ может вызвать эффекты неоднозначности в измерениях из-за сжимаемости газа, изменяющегося с изменением рабочего давления протекающего флюида.
В некоторых вариантах реализации многофазный протекающий флюид может включать в себя вовлеченные твердые вещества, причем вовлеченные твердые вещества могут содержать шлам. Один пример содержит частицы песка или грунта в нефтяном потоке. Вовлеченные твердые вещества могут перемещаться независимо от протекающего флюида и приводить к ошибкам измерения и/или к неопределенностям. Другим примером является бетон. Прочие шламы или эмульсии также имеются в виду в рамках описания и приложенной формулы.
В некоторых вариантах реализации многофазный поток может включать в себя различающиеся жидкости, например несмешивающиеся жидкости, которые не могут быть смешаны между собой. Например, протекающий флюид может включать в себя и воду, и нефть. Когда компоненты протекающего флюида имеют отличающиеся плотности, компоненты протекающего флюида могут испытать некоторое разделение во время вибрации расходомера. Инородные предметы могут быть менее плотными, чем протекающий флюид. Инородные предметы могут быть более плотными, чем протекающий флюид.
При работе вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации вибрирует на очень высокой частоте. Очень высокая частота может содержать первую изгибную колебательную моду. Альтернативно, очень высокая частота может содержать вторую, третью или более высокого порядка изгибную моду колебаний. Однако возможны и другие колебательные моды, например колебания вне резонанса, и они имеются в виду в рамках описания и прилагаемой формулы. В результате вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации генерирует вибрационный отклик с очень высокой частотой. Вибрационный отклик с очень высокой частотой обрабатывается, чтобы определить или частоту отклика, или амплитуду отклика, или и то, и другое. Очень высокая частота отклика может быть использована для определения одного или более параметров протекающего флюида, включая массовый расход, плотность, вязкость и так далее. Сущность расходомера 5 с очень высокой частотой вибрации рассматривается дополнительно ниже.
Расходомер 5 включает в себя сборку 10 расходомера и электронику измерителя 20. Электроника измерителя 20 соединена со сборкой 10 измерителя посредством проводов 100 и сконфигурирована, чтобы предоставить результаты измерений одного или более из следующих параметров - плотности, массового расхода, объемного расхода, общего массового расхода, температуры и другой информации, по каналу 26 связи. Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что настоящее изобретение может быть использовано для любого типа вибрационного расходомера независимо от числа приводов, тензометрических датчиков, проточных трубопроводов или рабочей моды вибрации. Следует отметить, что расходомер 5 может содержать вибрационный денситометр и/или массовый расходомер Кориолиса.
Сборка 10 расходомера включает в себя пару фланцев 101 и 101', манифольды 102 и 102', привод 104, тензометрические датчики 105 и 105' и проточные трубопроводы 103A и 103B. Привод 104 и тензометрические датчики 105 и 105' присоединены к проточным трубопроводам 103A и 103B.
В одном варианте реализации проточные трубопроводы 103A и 103B содержат по существу U-образные проточные трубопроводы, как показано. Альтернативно, в других вариантах реализации, трубопроводы могут содержать по существу прямые проточные трубопроводы. Однако другие формы также могут использоваться, и они имеются в виду в рамках описания и приложенных формул.
Фланцы 101 и 101' прикреплены к манифольдам 102 и 102'. Манифольды 102 и 102' могут быть прикреплены к противоположным концам проставки 106. Проставка 106 поддерживает промежуток между манифольдами 102 и 102', чтобы предотвратить нежелательные колебания в проточных трубопроводах 103A и 103B. Когда сборка 10 расходомера вставляется в трубопроводную систему (не показана), которая переносит измеряемый протекающий флюид, протекающий флюид входит в сборку 10 расходомера через фланец 101, проходит через входной манифольд 102, где весь протекающий флюид направляется на вход проточных трубопроводов 103A и 103B, протекает через проточные трубопроводы 103A и 103B и назад, в выходной манифольд 102', где он выходит из измерительной сборки 10 через фланец 101'.
Проточные трубопроводы 103A и 103B выбираются и соответственно монтируются на входном манифольде 102 и на выходном манифольде 102' так, чтобы иметь по существу одинаковое массовое распределение, моменты инерции, и упругие модули вокруг изгибных осей W--W и W'--W', соответственно. Проточные трубопроводы 103A и 103B вытянуты наружу от манифольдов 102 и 102' по существу параллельным образом.
Проточные трубопроводы 103A и 103B возбуждаются приводом 104 в противоположных направлениях вокруг соответственных изгибных осей W и W' и так называемой первой несинфазной изгибной моде расходомера 5. Однако проточные трубопроводы 103A и 103B могут альтернативно вибрировать на второй или более высокой изгибной моде, если это желательно. Привод 104 может содержать одно из многих известных устройств, например магнит, установленный на проточном трубопроводе 103A, и противостоящую катушку, установленную на проточном трубопроводе 103B. Через противостоящую катушку проходит переменный ток, заставляя оба проточных трубопровода колебаться. Соответствующий возбуждающий сигнал подается электроникой измерителя 20 на привод 104 через провод 110.
Электроника измерителя 20 принимает сигналы датчика по проводам 111 и 111', соответственно. Электроника измерителя 20 производит возбуждающий сигнал на проводе 110, который посредством привода 104 заставляет колебаться проточные трубопроводы 103A и 103B. Электроника измерителя 20 обрабатывает сигналы левой и правой скорости от тензометрических датчиков 105 и 105', чтобы рассчитать массовый расход. Канал связи 26 обеспечивает ввод и вывод, которые обеспечивают интерфейс электронного измерителя 20 с оператором или с другими электронными системами. Описание Фиг.1 предоставляется исключительно как пример работы вибрационного расходомера и не должно служить принципиальным ограничением настоящего изобретения.
p
f
На Фиг.2 показана диаграмма результатов моделирования полной ошибки плотности при очень низкочастотной моде и очень высокочастотной моде расходомера Кориолиса модели Micro Motion E200. Можно видеть, что при очень маленьких размерах частиц любое разделение незначительно, например, когда разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно единицу и ошибка плотности, соответственно, незначительна. В этом сценарии малых частиц доминируют эффекты скорости звука (SOS)/сжимаемости. В результате высокочастотная мода имеет положительную ошибку и низкочастотная мода не имеет большой ошибки вовсе.
p
f
Однако, когда пузыри становятся больше чем несколько десятых миллиметра в диаметре, эффекты разделения начинают доминировать над эффектами SOS/сжимаемости, и ошибка получается отрицательная. Следует отметить, что если размер частиц увеличивается, наблюдаемая ошибка будет асимптотически стремиться к результатам для невязкой модели, то есть к значению приблизительно 3:1 для разделительного отношения (A/A). Это асимптотическое поведение проявляется и в связи с размером пузыря, когда частота колебания высока. Поэтому, если измеритель колеблется на достаточно высокой частоте, то уравнение (14) может использоваться. Уравнение (14) не зависит от размера пузыря и вязкости протекающего флюида.
На Фиг.3 показан вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения. Очень высокая частота может быть основанной на эффективной длине одного или более проточных трубопроводов 103A, 103B и геометрии расходомера 5, как указано ранее. Эффективной длиной в некоторых вариантах реализации можно управлять посредством геометрии проточного трубопровода. Кроме того, частота привода может быть дополнительно изменена одной или более балансными массами, которые могут быть в этом случае прикреплены к одному или более проточным трубопроводам 103A, 103B, если это необходимо.
На чертеже расходомер 5 имеет большую длину L относительно малой высоты H. Вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации, поэтому может иметь малое характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Например, характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть меньше или намного меньше единицы. Поэтому расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации в соответствии с изобретением относительно маленький и поэтому легко приспосабливается для большинства измерительных применений.
В некоторых вариантах реализации очень высокая частота содержит частоту вибрации выше 1500 Гц. В некоторых вариантах реализации очень высокая частота содержит частоту вибрации выше 2000 Гц. В некоторых вариантах реализации очень высокая частота содержит частоту вибрации выше 3000 Гц и выше. Однако следует понимать, что частота вибрации может быть любой частотой, выше этих пороговых значений, если необходимая очень высокая частота будет в конечном счете зависеть от различных факторов, включая состав протекающего флюида и характер вовлеченного инородного материала, например.
p
f
p
f
На Фиг.4 показана блок-схема 400 последовательности операций способа действия вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации в соответствии с изобретением. На этапе 401 расходомер колеблется на очень высокой частоте. Очень высокая частота может включать в себя частоту, когда разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно 3:1 для вовлеченного газа. Очень высокая частота может включать в себя частоту, когда разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно 0:1 для вовлеченных твердых веществ на очень высокой частоте. Очень высокая частота может включать в себя частоту, кода достигается приблизительно нулевая эффективная вязкость для протекающего флюида. Очень высокая частота может включать в себя частоту, когда очень высокая частота имеет значение, которое выше заданной максимальной частоты разделения, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала. Очень высокая частота может включать в себя частоту, когда очень высокая частота имеет значение, которое выше заданного максимального порога SOS/сжимаемости, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала. Очень высокая частота может включать в себя частоту, которая выше приблизительно 1500 Герц (Гц). Очень высокая частота может включать в себя частоту, которая выше приблизительно 2000 Герц (Гц).
Один или более проточных трубопроводов вибрационного расходомера с очень высокой частотой вибрации сконфигурированы так, чтобы достигнуть очень высокой частоты посредством конфигурации одного или более из следующих параметров: жесткости проточного трубопровода, длины проточного трубопровода, разделительного отношения проточного трубопровода, материала проточного трубопровода, толщины проточного трубопровода, формы проточного трубопровода, геометрии проточного трубопровода или одного или более положений колебательных узлов, как рассмотрено ранее.
Вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации может быть сконфигурирован для работы на первой изгибной моде. Вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации может быть сконфигурирован для работы на одной или более изгибных модах, например на второй или третьей изгибных модах, или изгибных модах более высокого порядка.
На этапе 402 принимается вибрационный отклик сборки расходомера. Вибрационный отклик может быть использован для определения получающейся частоты и амплитуды, включая частоту, которая может содержать резонансную частоту для протекающего флюида, или нерезонансную частоту.
На этапе 403 одно или более измерений расхода могут быть произведены из вибрационного отклика с очень высокой частотой. Одно или более измерений расхода могут включать в себя массовый расход. Одно или более измерений расхода могут включать в себя плотность. Измерение плотности с использованием очень высокой частоты может быть определено с предположениями относительно разделительного отношения и вязкости флюида. Другие измерения расхода рассмотрены и находятся в рамках описания и приложенных формул.
Приводная частота представляет собой частоту, на которой колеблются один или более проточных трубопроводов 103A и 103B, чтобы измерить параметры потока протекающего флюида. Приводная частота может быть выбрана так, чтобы быть для протекающего флюида резонансной частотой, например, или может содержать одну или несколько гармоник резонансной частоты, частоты изгибных мод более высокого порядка или даже нерезонансные частоты. Поэтому приводная частота может отличаться от частоты вибрационного отклика, принимаемого от сборки 10 расходомера, и может варьироваться в соответствии с составом протекающего флюида. Кроме того, приводная частота зависит от параметров жесткости расходомера. При увеличении параметров жесткости увеличивается и приводная частота. В результате увеличение жесткости проточного трубопровода приведет к более высокой резонансной частоте проточного трубопровода и, поэтому, к повышению частоты расходомера. Жесткость проточного трубопровода может быть увеличена различным образом, как рассматривается ниже.
Очень высокая частота колебаний может быть достигнута при колебании сборки 10 расходомера на первой изгибной моде. Первая изгибная мода содержит резонансную частоту сборки 10 расходомера, причем длина проточного трубопровода смещается в единственном направлении. Альтернативно, очень высокая частота колебаний может содержать колебание сборки 10 расходомера на второй изгибной моде. На второй изгибной моде на проточном трубопроводе имеются дополнительные узлы колебаний вблизи центра колеблющегося участка проточного трубопровода. Участки проточного трубопровода с обеих сторон этого узла колебаний смещаются в противоположных направлениях.
В некоторых вариантах реализации очень высокочастотный вибрационный расходомер 5 может работать на очень высокой частоте в результате конструкции расходомера. В некоторых вариантах реализации очень высокочастотный вибрационный расходомер 5 может работать на очень высокой частоте в результате конфигурации сигнала привода.
Следствием многофазности протекающего флюида является то, что точные измерения флюида затрудняются во время таких характерных периодов многофазности. Эффекты многофазности могут присутствовать даже при наличии от умеренных до средних режимов многофазности потока. Особенности многофазного протекающего флюида могут проявляться в эффектах сжимаемости/скорости звука (SOS) и в эффектах разделения между компонентами многофазного протекающего флюида. Два эффекта могут быть управляемы или же их можно устранить надлежащим выбором частоты и амплитуды колебаний.
Многофазные протекающие флюиды могут включать в себя вовлеченные газы, особенно потоки газовых пузырей. Многофазные потоки могут включать в себя вовлеченные твердые вещества или вовлеченные твердые частицы, смеси, такие как бетон, шламы и т.д. Кроме того, многофазные потоки могут включать в себя жидкости различных плотностей, такие как водные и нефтяные компоненты, например. Фазы могут иметь различные массы, плотности и/или вязкости.
В многофазном потоке вибрация проточного трубопровода не обязательно перемещает вовлеченные газы/твердые вещества полностью в фазе с протекающим флюидом. Эта вибрационная аномалия обозначается как разделение или отставание. Газовые пузыри, например, могут стать отделенными от протекающего флюида, влияя на вибрационный отклик и любые, получаемые впоследствии, параметры потока. Маленькие пузыри обычно перемещаются с протекающим флюидом, когда расходомер вибрирует. Однако большие пузыри не перемещаются с протекающим флюидом во время вибрации проточного трубопровода. Вместо этого пузыри могут быть отделены от протекающего флюида и могут перемещаться независимо, с вовлеченными газовыми пузырями, перемещающимися дальше и быстрее, чем протекающий флюид во время каждого колебательного движения. Это неблагоприятно влияет на вибрационный отклик расходомера. Это также справедливо для твердых веществ, вовлеченных в протекающий флюид, когда твердые частицы все с большей вероятностью отделяются от движения протекающего флюида при увеличении частот вибрации. Разделение может даже произойти тогда, когда многофазный поток включает в себя жидкости различающихся плотностей и/или вязкостей. Было установлено, что на разделение влияют различные факторы, такие как вязкость протекающего флюида и различия в плотности протекающего флюида и инородного материала, например.
Размер пузырей может различаться в зависимости от количества присутствующего газа, давления протекающего флюида, температуры, степени смешивания газа в протекающем флюиде и других свойств потока. Уровень снижения рабочих характеристик связан не только с тем, сколько всего газа присутствует, но также и с размером отдельных газовых пузырей в потоке. Размер пузырей влияет на точность измерений. Большие пузыри занимают больший объем, приводя к флуктуациям плотности и измеряемой плотности протекающего флюида. Из-за сжимаемости газа пузыри могут изменяться по массе и при этом не обязательно изменяться в размерах. И наоборот, если давление изменяется, размер пузыря может соответственно измениться, расширяясь, если давление падает, или сжимаясь, при увеличении давления. Это может также вызвать изменение собственной или резонансной частоты расходомера.
В вибрирующем проточном трубопроводе, ускорение вибрирующего проточного трубопровода заставляет пузыри перемещаться. Ускорение проточного трубопровода определяется частотой и амплитудой колебаний. В случае вовлеченного газа пузыри ускоряются в том же самом направлении, что и ускорение проточного трубопровода. Пузыри перемещаются быстрее и дальше, чем проточный трубопровод, и более быстрое движение пузыря, и образующееся смещение флюида заставляет некоторое количество флюида перемещаться медленнее, чем проточный трубопровод, вызывая истинное смещение центра гравитационного притяжения смеси флюида от центра вибрирующего проточного трубопровода. Это составляет основу проблемы разделения. В результате параметры расхода и плотности оказываются заниженными (отрицательный поток и ошибки определения плотности), когда присутствует вовлеченный воздух.
Шламы представляют собой подобную же проблему. В случае шламов, однако, твердые частицы часто тяжелее жидкого компонента. При ускорении вибрирующего проточного трубопровода более тяжелые частицы перемещаются меньше, чем жидкость. Но поскольку тяжелые частицы перемещаются меньше, центр гравитационного притяжения флюидной смеси еще перемещается несколько назад от центра проточного трубопровода. Это снова приводит к отрицательному потоку и ошибкам определения плотности.
В случаях газ-жидкость твердое вещество-жидкость и жидкость-жидкость отличающееся движение вовлеченной фазы вызвано различием в плотности вовлеченной фазы и жидкой компоненты. Если сжимаемостью газа пренебречь, то те же самые уравнения могут быть использованы для описания поведения всех трех сценариев.
Компенсация разделения флюида была затруднена, поскольку имеется несколько факторов, которые определяют, насколько пузыри перемещаются относительно флюида. Вязкость флюида представляет собой очевидный фактор. В очень вязком флюиде пузыри (или частицы) эффективно замораживаются на месте во флюиде, и возникает небольшая ошибка для параметров потока. При очень низкой частоте колебаний протекающий флюид будет действовать как очень вязкий флюид, то есть так, как если бы вязкость была бесконечной. При очень большой частоте колебаний протекающий флюид будет действовать как невязкий флюид, то есть так, как если бы вязкость была приблизительно нулевой.
Вязкость представляет собой меру сопротивления флюида, который деформируется, или сдвиговым напряжением, или напряжением растяжения. Обычно это сопротивление течению жидкости, количественная оценка вязкости флюида. Вязкость может рассматриваться как мера внутреннего трения флюида. Все реальные флюиды имеют некоторое сопротивление сжатию, но флюид, который не имеет сопротивления по отношению к сдвиговому напряжению, считается идеальным флюидом или невязким флюидом.
Также, на подвижность пузыря оказывает влияние размер пузыря. Гидродинамическое сопротивление пузыря пропорционально площади поверхности, тогда как выталкивающая сила пропорциональна объему. Поэтому очень маленькие пузыри имеют большое отношение гидродинамического сопротивления к выталкивающей силе и могут перемещаться с флюидом. Маленькие пузыри, соответственно, приводят к малым ошибкам. И наоборот, большие пузыри могут не перемещаться с флюидом и приводить к большим ошибкам. То же самое справедливо для твердых частиц, поскольку малые частицы могут перемещаться с флюидом и вызывать только малые ошибки.
Другая проблема, вызванная вибрацией, - это скорость звука (SOS) или эффекты сжимаемости. Эти эффекты делают измерения массового расхода и плотности для потоков с содержанием газа все более неточными при увеличении частоты вибрации.
Различие плотности представляет собой другой фактор. Выталкивающая сила пропорциональна разности плотности флюида и газа. Газ высокого давления может иметь достаточно высокую плотность, чтобы влиять на выталкивающую силу и уменьшить эффект разделения. Кроме того, большие пузыри занимают больший объем, приводя к истинным флуктуациям плотности протекающего флюида. Из-за сжимаемости газа пузыри могут изменяться по количеству газа и при этом не обязательно изменяться в размере. И наоборот, если давление изменяется, размер пузыря может соответственно измениться, расширяясь при падении давления, или сжимаясь при увеличении давления. Это может также вызвать изменение собственной или резонансной частоты расходомера и, таким образом, изменение фактической двухфазной плотности.
Факторы второго порядка также могут иметь влияние на пузыри и подвижность частицы. Турбулентность при большом расходе флюида может разбивать большие газовые пузыри на меньшие, таким образом уменьшая ошибку разделения. Сурфактанты уменьшают поверхностное натяжение пузырей и уменьшают их тенденцию к сращиванию. Клапаны могут уменьшить размер пузыря посредством увеличения турбулентности, тогда как колена проточного трубопровода могут увеличить размер пузыря, сжимая их посредством центробежной силы.
Следует понимать, что наиболее общий и наименее трудный, и наименее дорогой подход состоит в том, чтобы избежать многофазных протекающих флюидов. Однако это не всегда практично или возможно. Рассматриваемый здесь подход не состоит в том, чтобы избежать многофазного разделения и эффектов SOS/сжимаемости, но вместо этого предлагается такая работа расходомера, при которой возникает известная и по существу постоянная ошибка измерений. В результате проведение измерений потока упрощается и ошибки измерений могут быть впоследствии удалены.
p
f
Было установлено, что эффекты разделения могут достигнуть верхнего предела. Этот верхний предел предоставляет недостижимые прежде преимущества. Например, если протекающий флюид колеблется на достаточно высокой частоте, то эффект разделения достигнет предсказуемого верхнего предела. Было установлено, что для вовлеченного газа на очень высоких частотах колебаний эффект разделения будет не больше, чем приблизительно 3:1, то есть газовый пузырь будет перемещаться в три раза дальше по сравнению с перемещением жидкой компоненты. Было установлено, что для вовлеченных твердых веществ на очень высоких частотах колебаний эффект разделения будет приблизительно равен величине 3/(l+(2*ρ/ρ)). Если плотность твердой частицы намного больше, чем плотность жидкости, то вовлеченные твердые частицы будут по существу неподвижными, тогда как жидкая компонента перемещается с вибрацией проточного трубопровода.
Сжимаемость не будет относиться к вовлеченным твердым веществам. Следовательно, очень высокочастотный вибрационный расходомер 5 может колебаться на частоте, равной или большей верхней предельной частоты для разделения. Любые получающиеся эффекты SOS/сжимаемости могут быть скомпенсированы для использования обычных методик.
Верхний предел может быть независимым от размера проточного трубопровода, формы или геометрии. Верхний предел может быть независимым от жидкой компоненты. Верхний предел может, прежде всего, зависеть от отношения плотностей жидкой компоненты и инородного материала.
Преимущества использования очень высокой частоты вибрационного расходомера 5 с очень высокой частотой вибрации могут быть достигнуты с помощью соответствующих конструктивных параметров. Один подход при создании вибрационного расходомера 5 с очень высокой частотой вибрации заключается в увеличении частоты приводного сигнала. Это может быть сделано независимо от резонансной частоты расходомера 5. Например, расходомер 5 может работать на изгибных модах более высокого порядка.
Другой подход к созданию вибрационного расходомера 5 с очень высокой частотой вибрации заключается в том, что жесткость измерителя должна быть увеличена, чтобы увеличить рабочую частоту и/или резонансную (или собственную) частоту наряду с амплитудой проточного трубопровода. Жесткость измерителя может быть увеличена любым образом. Однако некоторые возможные варианты рассматриваются ниже.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - длина проточного трубопровода. Длина расходомера по существу коррелирует с жесткостью измерителя, причем уменьшение длины измерителя приводит к некоторому увеличению жесткости измерителя и рабочей частоты. Соответственно, длина расходомера может быть выбрана так, чтобы достигнуть, по меньшей мере, некоторого увеличения жесткости измерителя.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - характеристическое отношение проточного трубопровода. В данном случае характеристическое отношение расходомера определено как высота расходомера (H), разделенная на длину расходомера (L), и характеристическое отношение = (H/L) (см. Фиг.3). Если высота (H) меньше, чем длина (L), характеристическое отношение высоты к длине (H/L) будет меньше единицы. Если расходомер представляет собой прямой расходомер, характеристическое отношение высоты к длине (H/L) будет эффективно нулевым. Если высота (H) больше длины (L), характеристическое отношение высоты к длине (H/L), будет больше единицы. Например, в расходомере 5 на Фиг.2, характеристическое отношение высоты к длине (H/L) будет значительно большим единицы и может достигать относительно большого значения. Уменьшение характеристического отношения высоты к длине (H/L) приводит к увеличению жесткости измерителя и резонансной частоты измерителя. Таким образом, характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть выбрано так, чтобы, по меньшей мере, достигнуть некоторого увеличения жесткости измерителя.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - материал проточного трубопровода. Материал проточного трубопровода может быть выбран так, чтобы, по меньшей мере, достичь некоторого увеличения жесткости измерителя и соответствующего увеличения частоты колебаний.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - толщина проточного трубопровода. Толщина проточного трубопровода может быть увеличена, чтобы достичь, по меньшей мере, некоторого увеличения жесткости измерителя. Толщина проточного трубопровода может быть увеличена любым подходящим образом. Однако практически существенные увеличения толщины проточного трубопровода могут привести к увеличению веса.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - форма проточного трубопровода. Форма проточного трубопровода может быть спроектирована так, чтобы достичь, по меньшей мере, некоторого увеличения жесткости измерителя. Форма проточного трубопровода может быть модифицирована любым желаемым образом, включая использование проточных трубопроводов, по существу круглых, эллиптических, прямоугольных, неправильной формы, или других подходящих форм.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - геометрия проточного трубопровода. Геометрия проточного трубопровода может быть спроектирована так, чтобы достичь, по меньшей мере, некоторого увеличения жесткости измерителя. Геометрия проточного трубопровода может быть выбрана любым желаемым образом, включая использование соответствующих прямых и искривленных секций, например. Например, U-образный проточный трубопровод имеет меньшую жесткость, чем прямой проточный трубопровод расходомера той же длины и такого же типа.
Фактор, влияющий на частоту измерителя - масса проточного трубопровода. Резонансная частота сборки 10 расходомера растет, если масса проточного трубопровода уменьшается. Масса проточного трубопровода может быть уменьшена любым желаемым образом, включая использование более легких проточных трубопроводов.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя - узловой дроссель проточного трубопровода и местоположения узлов колебаний. Сборка 10 расходомера может включать в себя один или более узловых дросселей, которые управляют положением узла колебаний и поэтому влияют на изгибную ось и на вибрационный отклик. Обычный узловой дроссель в показанном варианте реализации содержит проставку 106 в комбинации с манифольдами 102 и 102'. Альтернативно, в других вариантах реализации, узловой дроссель может содержать один или более стягивающих скоб, которые жестко располагаются между двумя проточными трубопроводами в определенной точке по существу вблизи фланцев 101 и 101', то есть по существу на двух концах расходомера 5 (не показано). Один или более узловых дросселей включены, чтобы зафиксировать узлы колебаний искривленных проточных трубопроводов, 103A и 103B, создавая желаемые изгибные оси. Один или более узловых дросселей могут быть помещены так, чтобы уменьшить длину проточных трубопроводов, которые испытывают вибрацию, тем самым увеличивая резонансную частоту вибрационного расходомера 5 с очень высокой частотой вибрации.
p
f
В результате точной конструкции измерителя вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации может работать на очень высоких частотах. Работа на очень высокой частоте приводит к разделению, поддерживаемому с разделительным отношением приблизительно 3:1 для вовлеченного газа или приблизительно 3/(l+(2*ρ/ρ)) для вовлеченных твердых веществ. Кроме того, работа на очень высокой частоте дает параметры потока, подобные для потока, в котором вязкость эффективно нулевая. Как следствие, инородный материал в многофазном потоке флюида перемещается предсказуемым образом относительно жидкой компоненты протекающего флюида. Это справедливо, содержит ли инородный материал газовые или твердые компоненты. Это справедливо, имеет ли инородный материал умеренно отличающуюся плотность относительно протекающего флюида или же инородный материал имеет сильно отличающуюся плотность. Как следствие, вовлеченный инородный материал не будет существенно влиять на измерения, выполненные вибрационным расходомером 5 с очень высокой частотой вибрации после того, как предсказуемые ошибки вследствие разделения и эффектов SOS/сжимаемости удалены. Кроме того, вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации оказывается согласованно и предсказуемо невосприимчив к вариациям доли газовых пустот (GVF) и/или доли твердых веществ и оказывается пригоден для удовлетворительного измерения протекающего флюида, даже когда состав многофазного протекающего флюида изменяется, как рассматривается ниже в связи с уравнениями (13-19).
Электроника измерителя 20 производит возбуждающий сигнал для привода 104 и может быть сконфигурирована так, чтобы возбуждать/заставлять колебаться сборку 10 расходомера на очень высокой частоте. Как и в обычной практике применения вибрационных расходомеров, электроника измерителя 20 при этом производит возбуждающий сигнал заданной частоты, причем заданная частота может управляться и модифицироваться посредством сигнала обратной связи, снимаемого от тензодатчиков. Например, возбуждающий сигнал может управляться в соответствии с обратной связью, чтобы достигнуть резонансной (то есть собственной) частоты вибрационного отклика, измеряемого тензодатчиками 105 и 105'. Электроника измерителя 20 может быть сконфигурирована так, чтобы работать на изгибных модах более высокого порядка.
Электроника измерителя 20 может быть сконфигурирована так, чтобы создавать очень высокую частоту различным образом. Электроника измерителя 20 может быть сконфигурирована в процессе изготовления, например соответственно программируя устройство памяти электроники измерителя 20. Альтернативно, электроника измерителя 20 может быть сконфигурирована с очень высокой частотой во время процесса калибровки, например, когда программирование очень высокой частоты в некоторых вариантах реализации может зависеть от измеренной или определенной жесткости измерителя, как это определяется процессом калибровки. В другой альтернативе, очень высокая частота может быть получена или определена во время операции запуска измерителя. Например, очень высокая частота может быть основана на предварительно сохраненных или введенных пользователем значениях. Это может включать в себя, например, очень высокую частоту, которая основана на предварительно сохраненной или введенной пользователем информации относительно характера многофазного протекающего флюида.
p
f
Массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры требуют, чтобы протекающий флюид перемещался с проточными трубопроводами во время колебания на собственной частоте измерителя. Когда вводится инородный материал, это предположение больше не выполняется, поскольку появляется относительное движение или разделение между двумя или несколькими фазами. Модель была разработана для предсказания условий, которые необходимы для успешного измерения плотности смеси, конкретных условий работы измерителя. Модель флюидов, которая была подтверждена экспериментально, может предсказать эффекты разделения. Уравнения, чтобы найти разделительное отношение (A/A) и фазовый угол (φ) разделения, имеют вид:
p
f
p
f
Разделительное отношение (A/A) содержит отношение амплитуды частицы (A) и амплитуды проточного трубопровода (A). Частица может содержать любой инородный материал, включая газовые пузыри, твердые частицы или даже участки отличающегося флюида, вовлеченного в пределах протекающего флюида. Отдельные величины уравнения (1) определяются как:
Предполагается, что движение протекающего флюида согласуется с движением проточного трубопровода. Движение пузыря или частицы рассчитывается следующим образом:
Скорость флюида  (6)
Скорость частиц = (7)
Обратное Стоксово число (δ) определяется как:
(8)
Обратное Стоксово число (δ) учитывает кинематическую вязкость (η) протекающего флюида, угловую частоту (ω) вибрации и радиус (a) частицы или пузыря инородного материала. Кинематическая вязкость (η) содержит динамическую вязкость (μ), разделенную на плотность (ρ) флюида, то есть η=μ/ρ. Инородный материал может включать в себя вовлеченный газ или вовлеченные твердые вещества, как рассмотрено ранее. Обратное Стоксово число (δ), поэтому, может быть использовано для более полного и точного определения верхнего предела частоты колебаний, чем это возможно только через задание частоты.
Когда отношение плотностей становится больше, чем приблизительно 50, разделительное отношение зависит прежде всего от обратного Стоксова числа (δ). Это особенно важно потому, что все газовые/жидкие смеси имеют высокие отношения плотностей, обычно выше 100. Таким образом, для самых обычных многофазных состояний потока в вибрационном расходомере степень ошибки измерения зависит, прежде всего, от обратного Стоксова числа (δ). Поэтому, если этот параметр очень мал, результат приближается к невязкому случаю с разделительным отношением 3:1, тогда как если параметр велик, относительное движение ограничено и разделительное отношение приближается к 1:1. Обратное Стоксово число (δ) показывает, что важен баланс между кинематической вязкостью флюида, размером частиц и частотой, а не любая одна из этих переменных. Однако частота зависит от параметров конструкции измерителя, тогда как вязкость и размер частиц или пузырей зависит от комплексных и часто не поддающихся контролю условий процесса.
При работе вибрационного расходомера на высокой частоте колебаний, чтобы работать в предсказуемом и ожидаемом многофазном режиме, обратное Стоксово число (δ) может быть использовано, чтобы определить, достаточна ли высока очень высокая частота колебаний. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации содержит число ниже, чем приблизительно 0,1. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации содержит число ниже, чем приблизительно 0,01.
Вышеупомянутые уравнения могут быть использованы, чтобы найти движение частицы в колеблющейся окружающей среде вибрационного расходомера в пределах, приблизительно плюс или минус десять процентов точности для амплитуды колебаний и разности фаз для большинства ситуаций.
f
f
p
f
f
f
p
f
Шесть исходных величин необходимы для разрешения вышеупомянутых уравнений для движения пузыря: частота (f) вибрационного отклика, амплитуда (A) вибрационного отклика, плотность (ρ) флюида, плотность (ρ) частиц для частиц инородного материала, вовлеченного в протекающий флюид, динамическая вязкость (μ) протекающего флюида и распределение (a) радиусов частиц инородного материала, вовлеченного в протекающий флюид. Частота (f) вибрационного отклика и амплитуда (A) вибрационного отклика могут быть определены из вибрационного отклика одного или более проточных трубопроводов (103A, 103B), например из сигнала вибрационного отклика, произведенного тензодатчиками (105, 105'). Плотность (ρ) флюида может быть задана пользователем, например, в случае известного протекающего флюида или может быть получена из измерения. Плотность (ρ) частиц может быть задана пользователем или, альтернативно, может быть определена из закона идеального газа в случае вовлеченного газа, задавая измеренные температуру и давление протекающего флюида. Динамическая вязкость (μ) может быть задана пользователем, например, в случае известного протекающего флюида или может быть получена из измерения. Распределение (a) размеров частиц может быть задано пользователем, например, в случае известного протекающего флюида или может быть получено из измерения, включая акустические или радиационные измерения частиц инородного материала или пузырей в протекающем флюиде.
Высокочастотные измерители обычно не работали хорошо при наличии вовлеченного газа. Главная причина плохой работы заключается в том, что разделительное отношение очень велико, обычно больше, чем 2:1. Кроме того, эффекты скорости звука приводят к дополнительным ошибкам, которые предсказываются моделью:
m
Угловая частота колебаний (ω) связана с частотой колебаний соотношением ω=2πf. Скорость звука смеси (c) может быть рассчитана с помощью хорошо известного уравнения (см. ниже). Диаметр (d) проточного трубопровода известен.
Амплитудное отношение и фазовая задержка между протекающим флюидом и вовлеченным в него инородным материалом обычно представляют собой чрезвычайно сложные функции размера частицы, плотности частицы, плотности флюида, частоты, амплитуды колебаний флюида и вязкости флюида. Некоторые из этих параметров трудно измерить, включая размеры частицы, поскольку они зависят от многих других факторов, включая конфигурацию трубопроводной магистрали, например.
В отличие от вязкой модели невязкая модель для движения частицы зависит только от плотностей обеих фаз, которые часто известны с разумной точностью. Кроме того, в невязкой модели движение не зависит от размеров частицы, и может быть отображено как:
Обычно невязкая модель (то есть, флюид, который не обнаруживает вязкости) неприменима к вибрационному расходомеру, поскольку вибрационный расходомер обычно используется для измерения вязких флюидов. Даже вода имеет достаточную вязкость, чтобы значительно влиять на результаты. Однако оказывается, что, если частота колебаний увеличивается, физическое поведение колеблющегося потока ближе к невязкому случаю, даже для флюида с некоторой вязкостью. Если частота колебания очень высока, например 2000 Гц, то невязкая модель применима и газовый пузырь перемещается приблизительно в 3 раза дальше, чем флюид, без фазовой задержки. Обычно это представляет собой плохую ситуацию для измерений. Большее разделение означает большую ошибку плотности и массового расхода. Однако существенное преимущество работы на этой высокой частоте заключается в том, что движения пузыря и частицы зависят только от отношения плотностей. Движение инородного материала, газа или твердого вещества, не зависит от распределения размеров, которое обычно неизвестно и которое может оказаться невозможно определить.
Ошибка плотности вследствие разделения для произвольных разделительных отношений может быть предсказана в соответствии с уравнением:
На высоких частотах, эффекты SOS/сжимаемости будут существенными и добавляются, приводя к уравнению:
p
f
p
f
Вышеупомянутое уравнение описывает ошибку плотности как отклонение от истинной плотности смеси из-за объединенных эффектов SOS/сжимаемости и разделения. Если все шесть входных параметров для уравнений движения частицы известны, разделительное отношение (A/A) может быть рассчитано в общем виде для любой частоты. Однако если измеритель работает на очень высокой частоте, то разделительное отношение (A/A), как известно, составляет приблизительно три для газовых пузырей в жидкости, то есть пузырь переместится на расстояние в три раза большее относительно протекающего флюида, хотя и без какой-либо фазовой задержки. Следовательно, для удовлетворительно высокой частоты колебаний уравнение (13) принимает вид:
f
p
mix
mix
f
p
mix
mix
Теперь уравнение зависит только от величин, которые являются общеизвестными для многих процессов. Три других уравнения необходимы, чтобы совместно их разрешить и определить четыре неизвестных (φ, φ, ρ, c), где (φ) - доля жидкости, (φ) - доля частицы/газа, (ρ) - плотность многофазного протекающего флюида (то есть, смеси) и (c) - скорость звука в смеси.
Уравнения (14-17) могут быть разрешены совместно для объемных долей, плотности смеси и скорости звука смеси. Таким образом, могут быть определены высокая частота колебаний, газовая доля и жидкая доля. Из определенных газовых и жидких долей расходы этих двух компонентов могут быть оценены или по массе, или по объему (при этом предполагается отсутствие отставания пузырей и предполагается, что вместо этого пузырь перемещается с той же скоростью вниз по трубопроводной магистрали, что и жидкость). Эти расходы иначе были бы неизвестными, поскольку измеритель Кориолиса или денситометр измеряет плотность смеси, даже когда нет эффектов разделения или эффектов SOS/сжимаемости. Расчет массового или объемного расхода жидкости желателен, поскольку пользователю обычно требуется только измерение жидкости. Этот расчет расходов происходит от совместного разрешения двух дополнительных линейно независимых уравнений:
f
p
mix
Где (dm/dt) - массовый расход протекающего флюида, (dm/dt) - массовый расход частиц инородного материала и (dm/dt) - массовый расход многофазной смеси. Вышеупомянутое уравнение не предполагает отставания инородного материала относительно протекающего флюида.
g
w
0
mix
mix
Можно заставить проточный трубопровод колебаться на дополнительных резонансных частотах изгибных мод, чтобы определить доли фаз для смеси, которая включает в себя больше чем два компонента. Например, рассмотрим следующую смесь нефти, воды и газа. Система разрешаемых уравнений с пятью неизвестными (φ, φ, φ, ρ, c), содержит следующие уравнения:
Имеется действительно пять уравнений, поскольку последнее уравнение применимо и к низкочастотной изгибной моде, и к высокочастотной изгибной моде. Индексы обозначают нефть (o), воду (w) и газ (g).
В этом случае, поскольку имеются колебания и на низкой, и на высокой частоте, размер газового пузыря должен быть очень малым, чтобы избежать отставания пузыря и разделения. Альтернативно, измеритель может колебаться на очень низкочастотной и очень высокочастотной изгибной моде одновременно, и при этом система уравнений может быть разрешена при соответствующем рассмотрении различных форм уравнения (23).
p
f
p
f
p
f
Во многих случаях размер пузыря недостаточно мал, чтобы сделать эти предположения (особенно при измерителе, использующем частоты колебаний от умеренной до высокой). Однако разделение может быть добавлено назад в уравнение так, чтобы способ работал в общем виде, с применением уравнения (13) к высокочастотным и низкочастотным модам. Как всегда, проблема заключается в том, что именно использовать для разделительного отношения (A/A), предполагая, что оно не может быть рассчитано явно. По меньшей мере, в случае высокочастотной моды, разделительное отношение (A/A) будет почти или приблизительно, равно трем. В случае низкочастотной моды можно предполагать, что частота была достаточно низкой, чтобы пренебречь разделением, то есть когда разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно единицу. Альтернативно, промежуточное значение может быть предположено и использовано.