СПОСОБ И УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА РАСТВОРЕНИЯ
METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING DISSOLUTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к вибрационным измерителям и, в частности, к способу и устройству для мониторинга растворения растворяемых компонентов в растворителе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Денситометры являются общеизвестными в данной области техники и применяются для измерения плотности текучей среды. Текучая среда может содержать жидкость, газ, жидкость со взвешенными частицами и/или захваченным газом, или комбинации указанного. Вибрационные денситометры обычно функционируют посредством обнаружения движения вибрирующего элемента, который вибрирует в присутствии измеряемого текучего материала. Свойства, ассоциированные с текучим материалом, такие как плотность, вязкость, температура и т.п., могут быть определены путем обработки сигналов измерения, полученных от преобразователей движения, связанных с вибрирующим элементом. На режимы вибрации системы вибрирующих элементов обычно влияют совокупные характеристики массы, жесткости и демпфирования вибрирующего элемента и окружающего текучего материала.
Вибрационные денситометры и расходомеры Кориолиса являются общеизвестными и применяются для измерения массового расхода и другой информации, относящейся к материалам, протекающим через трубку в расходомере или трубку, содержащую денситометр. Типовые расходомеры раскрыты в патенте США 4109524, патенте США 4491025 и Re. 31450, все - авторства JE Smith и соавт. Эти расходомеры имеют одну или более трубок прямой или криволинейной конфигурации. Например, каждая конфигурация трубки в массовом расходомере Кориолиса имеет набор режимов естественной вибрации, которые могут иметь тип простого изгиба, кручения или сопряжения. Каждая трубка может приводиться к осцилляции в предпочтительном режиме. Некоторые типы массовых расходомеров, особенно расходомеры Кориолиса, могут функционировать таким образом, чтобы они выполняли непосредственное измерение плотности для предоставления объемной информации через отношение массы к плотности. См., например, патент США 4872351, выданный Ruesch, для анализатора количества нефти, который применяет расходомер Кориолиса для измерения плотности неизвестной многофазной жидкости. В патенте США 5687100, выданном Buttler и соавт., раскрыт денситометр на эффекте Кориолиса, который корректирует показания плотности относительно эффектов массового расхода в массовом расходомере, функционирующем как денситометр с вибрирующей трубкой.
Материал поступает в расходомер из подсоединенного трубопровода на входной стороне расходомера, направляется через трубку(-и) и выходит из расходомера через выходную сторону расходомера. Режимы естественной вибрации вибрирующей системы частично определяются объединенной массой трубок и материала, протекающего внутри трубок.
Другой пример вибрационного денситометра функционирует по принципу вибрирующего элемента, в котором элемент представляет собой тонкий камертон или аналогичную конструкцию, которая погружена в измеряемую жидкость. Обычный камертон состоит из двух зубцов, обычно плоского или круглого поперечного сечения, которые прикреплены к поперечной балке, которая дополнительно прикреплена к монтажной конструкции. Камертон возбуждается в осцилляцию приводом, таким как, например, пьезоэлектрический кристалл, который закреплен внутри основания первого зубца. Частота колебаний обнаруживается вторым пьезоэлектрическим кристаллом, закрепленным у основания второго зубца. Датчик может возбуждаться на своей первой частоте свободных колебаний, измененной окружающей жидкостью, посредством схемы усилителя, расположенной с измерительной электроникой.
Когда камертон погружается в текучую среду и возбуждается на ее резонансной частоте, камертон будет перемещать текучую среду посредством движения его зубцов. Резонансная частота вибрации сильно зависит от плотности жидкости, на которую эти поверхности оказывают давление. В соответствии с хорошо известными принципами резонансная частота зубцов будет изменяться обратно пропорционально плотности жидкости, которая контактирует с трубкой.
Измерительная электроника, подключенная через привод вибрационного измерителя, генерирует сигнал возбуждения для управления приводом, а также для определения плотности и/или других свойств обрабатываемого материала по сигналам, полученным от тензодатчиков. Привод может содержать одну из многих известных композиций, такую как пьезопривод или магнит, имеющий противоположную катушку возбуждения. Переменный ток передается на привод для вибрации канала(-ов) с желаемой амплитудой и частотой. В данной области техники также известно предоставление тензодатчиков в устройстве, очень похожем на композицию привода. Однако, в то время как привод получает ток, который вызывает движение, тензодатчики могут использовать движение, обеспечиваемое приводом, для создания напряжения. Величина временной задержки, измеряемая тензодатчиками, очень мала; часто измеряется в наносекундах. Поэтому необходимо, чтобы выходной сигнал преобразователя был очень точным.
Другие типы вибрационных денситометров могут содержать цилиндрический вибрационный элемент, который подвергается воздействию тестируемой текучей среды. Один из примеров вибрационного денситометра содержит цилиндрическую трубку, установленную на консоли, с входным концом, соединенным с существующим трубопроводом или другой структурой, и с выходным концом, свободным для вибрации. Трубка может вибрировать, и можно измерять резонансную частоту, что позволяет определять плотность тестируемой текучей среды.
Предоставлены способ и устройство для мониторинга растворения растворяемых компонентов, особенно в операциях периодического смешивания, в которых применяется денситометрия. Денситометр с вибрирующим элементов применяется для мониторинга операций смешивания. Может быть предоставлена система с рециркуляционным контуром, в которой денситометр с вибрирующим элементом применяется для измерения растворения растворяемых компонентов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним из вариантов осуществления предоставлен вибрационный измеритель. Вибрационный измеритель содержит привод, вибрирующий элемент, вибрирующий под воздействием привода, и, по меньшей мере, один тензодатчик, сконфигурированный для обнаружения вибраций вибрирующего элемента. Предоставлена измерительная электроника, которая содержит интерфейс, сконфигурированный для приема вибрационного отклика, по меньшей мере, от одного тензодатчика, и систему обработки, соединенную с интерфейсом, сконфигурированным для измерения коэффициента усиления возбуждения привода и определения того, что растворяемый компонент, добавленный в текучую среду, по существу, полностью растворился, на основании изменения коэффициента усиления возбуждения привода.
В соответствии с одним из вариантов осуществления предоставлен способ мониторинга растворения растворяемого компонента в растворе. Способ включает в себя этапы добавления первого растворяемого компонента в текучую среду и подвергания текучей среды воздействию вибрационного измерителя. Измеряют коэффициент усиления возбуждения привода вибрационного измерителя и определяют, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании изменения измеренного коэффициента усиления возбуждения привода.
АСПЕКТЫ
Согласно одному из аспектов, вибрационный измеритель содержит привод, вибрационный элемент, способный вибрировать под воздействием привода, по меньшей мере, один тензодатчик, сконфигурированный для обнаружения вибраций вибрирующего элемента, измерительную электронику, содержащую интерфейс, сконфигурированный для приема вибрационного отклика, по меньшей мере, от одного тензодатчика, и систему обработки, подключенную к интерфейсу, сконфигурированную для измерения коэффициента усиления возбуждения привода и определения того, что растворяемый компонент, добавленный в текучую среду, по существу, полностью растворился, на основании изменения коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, система обработки сконфигурирована для измерения плотности текучей среды и определения того, что растворяемый компонент, добавленный в текучую среду, по существу, полностью растворился, на основании изменения плотности текучей среды.
Предпочтительно, система обработки сконфигурирована для измерения плотности текучей среды и определения того, что растворяемый компонент, добавленный в текучую среду, по существу, полностью растворился, на основании комбинации изменений коэффициента усиления возбуждения привода и измеренной плотности текучей среды.
Предпочтительно, система обработки сконфигурирована для определения того, что растворяемый компонент, добавленный в текучую среду, по существу, полностью растворился, когда за пиком сигнала коэффициента усиления возбуждения привода следует период стабилизации сигнала коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, период стабилизации сигнала коэффициента усиления возбуждения привода содержит уровень сигнала, который приблизительно равен уровню сигнала, наблюдаемому до измеренного пика сигнала коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, период стабилизации сигнала коэффициента усиления возбуждения привода содержит уровень сигнала, который отличается от уровня сигнала, наблюдаемого до измеренного пика сигнала коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, вибрационный измеритель дополнительно содержит контур рециркуляции, сообщающийся по текучей среде с вибрационным измерителем, и сосуд, способный удерживать текучую среду, причем текучая среда может проходить через контур рециркуляции и вибрационный измеритель перед возвратом в сосуд.
Согласно одному из аспектов, способ мониторинга растворения растворяемого компонента в растворе включает в себя этапы добавления первого растворяемого компонента в текучую среду, подвергания текучей среды воздействию вибрационного измерителя, измерения коэффициента усиления возбуждения привода вибрационного измерителя и определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании изменения измеренного коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, способ включает в себя этапы измерения плотности текучей среды и определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании изменения измеренной плотности текучей среды.
Предпочтительно, способ включает в себя этапы измерения плотности текучей среды и определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании изменений в измеренной плотности текучей среды и измеренном коэффициенте усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, этап определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании измеренного коэффициента усиления возбуждения привода, включает в себя измерение пика сигнала коэффициента усиления возбуждения привода, за которым следует период стабилизации сигнала коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, период стабилизации сигнала коэффициента усиления возбуждения привода содержит период уровня сигнала, который приблизительно равен уровню сигнала, наблюдаемому до измеренного пика сигнала коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, период стабилизации сигнала коэффициента усиления возбуждения привода содержит период уровня сигнала, который отличается от уровня сигнала, наблюдаемого до измеренного пика сигнала коэффициента усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, способ включает в себя этап добавления второго растворяемого компонента к текучей среде только после того, как было определено, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился.
Предпочтительно, этап определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании измеренного коэффициента усиления возбуждения привода, включает в себя этап сравнения измеренного коэффициента усиления возбуждения привода с предварительно заданным коэффициентом усиления возбуждения привода.
Предпочтительно, этап определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании измеренного коэффициента усиления возбуждения привода, включает в себя этап сравнения измеренного коэффициента усиления возбуждения привода с коэффициентом усиления возбуждения привода, полученным с помощью машинного обучения.
Предпочтительно, этап определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании измеренной плотности, включает в себя этап сравнения измеренной плотности с предварительно заданной плотностью.
Предпочтительно, этап определения того, что первый растворяемый компонент, по существу, полностью растворился, на основании измеренной плотности, включает в себя этап сравнения измеренной плотности с плотностью, полученной с помощью машинного обучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует вибрационный денситометр в соответствии с одним из вариантов осуществления;
Фиг. 2 иллюстрирует вибрационный денситометр в соответствии с одним из вариантов осуществления;
Фиг. 3 иллюстрирует другой вариант осуществления денситометра;
Фиг. 4 иллюстрирует измерительную электронику в соответствии с одним из вариантов осуществления;
Фиг. 5 иллюстрирует схему системы растворения растворяемого компонента в соответствии с одним из вариантов осуществления;
Фиг. 6 представляет собой пример графика, показывающего добавление растворяемого компонента к подвергаемому мониторингу раствору; и
Фиг. 7 представляет собой другой пример графика, показывающего добавление растворяемого компонента к подвергаемому мониторингу раствору.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1-7 и в приведенном ниже описании изображены конкретные примеры для объяснения специалистам в данной области техники, как создавать и применять наилучший образ действия изобретения. В целях объяснения принципов изобретения некоторые традиционные аспекты были упрощены или опущены. Специалистам в данной области техники будут понятны варианты этих примеров, попадающие в пределы объема изобретения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что признаки, описанные ниже, могут комбинироваться различными способами для формирования множества вариантов изобретения. В результате изобретение не ограничивается конкретными примерами, описанными ниже, а только пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.
Фиг. 1 и 2 иллюстрируют денситометр 200. Вибрирующий элемент 204 может вибрировать на естественной (т.е., резонансной) частоте или вблизи нее. Путем измерения резонансной частоты вибрирующего элемента 204 в присутствии текучей среды можно определить плотность текучей среды. Вибрирующий элемент 204 может быть выполнен из металла и сконструирован с однородной толщиной, так что изменения и/или дефекты стенки элемента не будут влиять на резонансную частоту вибрирующего цилиндра. Этот пример денситометра 200 включает в себя цилиндрический вибрационный элемент 204, расположенный, по меньшей мере, частично внутри корпуса 210. Корпус 210 или вибрирующий элемент 204 могут включать в себя фланцы или другие элементы для оперативного подсоединения денситометра к трубопроводу или аналогичному устройству подачи текучей среды герметичным образом. В показанном примере вибрирующий элемент 204 консольно монтируется на корпусе 210 на входном конце 206, оставляя противоположный конец свободным для вибрации. Вибрирующий элемент 204 может включать в себя множество отверстий 207 для текучей среды, которые позволяют текучей среде входить в денситометр 200 и течь между корпусом 210 и вибрирующим элементом 204. Следовательно, жидкость контактирует с внутренней, а также с внешней поверхностью вибрирующего элемента 204. Привод 202 и датчик вибрации (тензодатчик) 209 расположены вблизи вибрирующего элемента 204. Привод 202 принимает сигнал возбуждения от измерительной электроники 20 и выполняет вибрацию вибрирующего элемента 204 на резонансной частоте или частоте, близкой к ней. Датчик 209 вибрации обнаруживает вибрацию вибрирующего элемента 204 и посылает информацию о вибрации в измерительную электронику 20 для обработки. Измерительная электроника 20 определяет резонансную частоту вибрирующего элемента 204 и генерирует измерение плотности по измеренной резонансной частоте.
В соответствии с одним из вариантов осуществления денситометр 200 вибрирующего элемента включает в себя вибрирующий элемент 204 внутри корпуса 210. Вибрирующий элемент 204 может быть несъемно или съемно прикреплен к корпусу 210. Текучая среда, подлежащая количественной оценке, может вводиться в корпус 210 или может проходить через него. В некоторых вариантах осуществления вибрирующий элемент 204 может являться, по существу, коаксиальным внутри корпуса 210. Однако вибрирующий элемент 204 не обязательно должен полностью соответствовать корпусу 210 по форме поперечного сечения. Вибрирующий элемент 204 может представлять собой трубку, стержень, вилку или любой другой элемент, известный в данной области техники.
В одном из вариантов осуществления вибрирующий элемент 204 установлен в вибрационном денситометре 200, и входной конец 206 вибрирующего элемента 204 соединен с корпусом 210, в то время как выходной конец 208 может свободно вибрировать. В показанном варианте осуществления вибрирующий элемент 204 непосредственно не соединен с корпусом 210, но вместо этого основание 201 соединено с корпусом 210, и выходной конец 208 может свободно вибрировать. В результате вибрирующий элемент 204 монтируется на корпусе 210 консольно. Это всего лишь пример, так как предполагаются другие конфигурации монтажа элементов, и они будут известны специалистам в данной области техники.
В соответствии с одним из вариантов осуществления вибрационный денситометр 200 может дополнительно включать в себя привод 202 и, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации, который может быть соединен с центральной опорой 212. Привод 202 может быть выполнен с возможностью вибрирования вибрирующего элемента 204 в одном или более режимах вибрации. Хотя привод 202 показан расположенным в центральной опоре 212, размещенной внутри вибрирующего элемента 204, в некоторых вариантах осуществления привод 202 может быть расположен, например, между корпусом 210 и вибрирующим элементом 204. Кроме того, следует понимать, что, хотя привод 202 показан размещенным ближе ко входному концу 206, привод 202 может быть размещен в любом желаемом месте. В соответствии с одним из вариантов осуществления привод 202 может принимать электрический сигнал от измерительной электроники 20 через соединительные провода 211. В показанном варианте осуществления, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации коаксиально выровнен с приводом 202. В других вариантах осуществления, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации может быть соединен с вибрирующим элементом 204 в других местах. Например, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации может быть расположен на внешней поверхности вибрирующего элемента 204. Кроме того, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации может быть расположен вне вибрирующего элемента 204, тогда как привод 202 расположен внутри вибрирующего элемента 204, или наоборот.
По меньшей мере, один датчик 209 вибрации может передавать сигнал в измерительную электронику 20 через соединительные провода 211. Измерительная электроника 20 может обрабатывать сигналы, принятые, по меньшей мере, одним датчиком 209 вибрации, чтобы определить резонансную частоту вибрирующего элемента 204. В одном из вариантов осуществления привод 202 и датчик 209 вибрации имеют магнитное соединение с вибрирующим элементом 204, при этом привод 202 индуцирует вибрации в вибрирующем элементе 204 через магнитное поле, и датчик 209 вибрации обнаруживает вибрации вибрирующего элемента 204 посредством изменений в ближнем магнитном поле. Если тестируемая текучая среда присутствует, то резонансная частота вибрирующего элемента 204 будет изменяться обратно пропорционально плотности текучей среды, как известно в данной области техники. Пропорциональное изменение может быть определено, например, во время начальной калибровки. В показанном варианте осуществления, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации также содержит катушку. Привод 202 принимает ток для индуцирования вибрации в вибрирующем элементе 204, и, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации использует движение вибрирующего элемента 204, созданное посредством привода 202, для индуцирования напряжения. Катушки возбуждения и датчики хорошо известны в данной области техники, и дальнейшее обсуждение их работы для краткости описания опущено. Кроме того, следует понимать, что привод 202 и, по меньшей мере, один датчик 209 вибрации не ограничены катушками, а могут содержать множество других хорошо известных вибрирующих компонентов, таких как, например, пьезоэлектрические датчики, датчики деформации, оптические или лазерные датчики и т.д. Следовательно, настоящий вариант осуществления никоим образом не должен ограничиваться магнитами/катушками. Кроме того, специалистам в данной области техники будет очевидно, что конкретное расположение привода 202 и, по меньшей мере, одного датчика 209 вибрации может быть изменено, и при этом оно останется в пределах объема настоящих вариантов осуществления.
Измерительная электроника 20 может быть соединена с трассой 26 или другой линией связи. Измерительная электроника 20 может передавать измерения плотности по трассе 26. Измерительная электроника 20 может также передавать любые сигналы, измерения или данные любым способом по трассе 26. Кроме того, измерительная электроника 20 может получать инструкции, программирование, другие данные или команды по трассе 26.
В одном из вариантов осуществления стенка вибрирующего элемента 204 возбуждается в радиальном направлении и в режиме радиальной вибрации приводом 202 или другим механизмом возбуждения. Стенка вибрирующего элемента 204 будет затем вибрировать в соответствующем радиальном режиме, но на резонансной частоте удлиненного вибрирующего элемента 204 и окружающего потока текучей среды. Соотношение между движущей силой вибрации и асимметрией стенки трубки будет вызывать возбуждение одной или нескольких форм колебаний.
Вибрирующий элемент 204 разделяет результирующие режимы вибрации, по меньшей мере, по предварительно заданной разности частот, что делает различение режимов вибрации возможным на практике. Следовательно, вибрационный денситометр 200 может фильтровать или иным образом отделять или различать режимы вибрации, выбранные по меньшей мере одним датчиком 209 вибрации. Например, вибрирующий элемент 204 может отделять и разносить режим радиальной вибрации более низкой частоты от режима радиальной вибрации более высокой частоты.
Во время изготовления вибрирующего элемента 204 формируются вибрирующий элемент 204 и основание 201. В одном из вариантов осуществления вибрирующий элемент 204, по меньшей мере, частично сформирован посредством механической обработки. В одном из вариантов осуществления вибрирующий элемент 204, по меньшей мере, частично сформирован посредством электроэрозионной обработки. Эти способы предоставляют неограничивающие примеры потенциальных методик изготовления и не являются ограничениями применения других методик изготовления.
Вибрирующий элемент 204 может представлять собой единую единицу материала с основанием 201. В одном из вариантов осуществления вибрирующий элемент 204 формируют и затем прикрепляют к основанию 201. В некоторых вариантах осуществления вибрирующий элемент 204 может быть приварен или спаян с основанием 201. Однако следует понимать, что вибрирующий элемент 204 может быть прикреплен к основанию 201 любым подходящим способом, включая несъемное или съемное прикрепление к основанию 201.
Хотя обсуждение в настоящем описании относится к вибрирующей трубке, которая закреплена на одном конце и свободна на другом конце, следует понимать, что концепции и примеры также применимы к трубке, которая закреплена на обоих концах и вибрирует в радиальном режиме. Кроме того, описана конструкция, имеющая цилиндрический вибрирующий элемент, хотя специалистам в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на денситометре с вибрирующей вилкой.
Вибрационный денситометр 200 может быть сконфигурирован для определения плотности текучей среды, такой как газ, жидкость, жидкость с захваченным газом, жидкость со взвешенными частицами и/или газом, или комбинация указанного. В некоторых вариантах осуществления денситометр 200 с вибрирующим элементом может быть сконфигурирован для определения плотности жидкости, содержащей растворяемый компонент.
Фиг. 3иллюстрирует расходомер 5, который может представлять собой любой вибрационный измеритель, такой как, например, расходомер/денситометр Кориолиса, без ограничения. Расходомер 5 содержит блок 10 датчиков и измерительную электронику 20. Блок 10 датчиков реагирует на массовый расход и плотность исследуемого материала. Измерительная электроника 20 соединена с блоком 10 датчиков через соединительные провода 100, с тем чтобы обеспечить передачу информации о плотности, массовом расходе и температуре по трассе 26, а также другую информацию. Блок 10 датчиков включает в себя фланцы 101 и 101', пару коллекторов 102 и 102', пару параллельных трубок 103 (первая трубка) и 103' (вторая трубка), привод 104, датчик 106 температуры, такой как резистивный датчик температуры (RTD) и пару тензодатчиков 105 и 105', таких как тензодатчики магнит/катушка, датчики деформации, оптические датчики или любые другие датчики, известные в данной области техники. Трубки 103 и 103' имеют впускные плечи 107 и 107' и выпускные плечи 108 и 108', соответственно. Трубки 103 и 103' изгибаются, по меньшей мере, в одном симметричном месте вдоль своей длины и являются, по существу, параллельными по всей своей длине. Каждая из трубок 103, 103' осциллирует вокруг осей W и W', соответственно.
Плечи 107, 107', 108, 108' трубок 103, 103' жестко прикреплены к монтажным блокам 109 и 109' трубок, и эти блоки, в свою очередь, жестко прикреплены к коллекторам 102 и 102'. Это обеспечивает непрерывную замкнутую траекторию прохождения материала через блок 10 датчиков.
Когда фланцы 101 и 101’ соединены с технологической линией (не показана), которая переносит подлежащий измерению технологический материал, материал входит в первый конец 110 расходомера 5 через первое отверстие (не видно на виде с фиг. 3) во фланце 101 и проводится через коллектор 102 к монтажному блоку 109 трубки. Внутри коллектора 102 материал разделяют и направляют через трубки 103 и 103’. При выходе из каналов 103 и 103’ технологический материал объединяют в единый поток внутри коллектора 102' и после этого направляют для выхода из второго конца 112, соединенного посредством фланца 101’ с технологической линией (не показана).
Трубки 103 и 103’ выбирают и соответствующим образом монтируют на монтажных блоках 109 и 109' трубок таким образом, чтобы они имели, по существу, одинаковое распределение массы, моменты инерции и модуль Юнга относительно осей изгиба W--W и W’--W', соответственно. Поскольку модуль Юнга трубок 103, 103’ изменяется с температурой, и это изменение влияет на расчет расхода и плотности, температурный датчик 106 устанавливается, по меньшей мере, на одну трубку 103, 103' для непрерывного измерения температуры трубки. Температура трубки и, следовательно, напряжение, появляющееся на датчике 106 температуры для заданного тока, проходящего через него, определяется, главным образом, температурой материала, проходящего через трубку. Зависимое от температуры напряжение, появляющееся на датчике 106 температуры, используется в хорошо известном способе измерительной электроникой 20 для компенсации изменения модуля упругости трубок 103, 103’ вследствие любых изменений температуры трубок 103, 103'. Датчик 106 температуры соединен с измерительной электроникой 20.
Обе трубки 103, 103’ приводятся в движение приводом 104 в противоположных направлениях относительно их соответствующих осей изгиба W и W', что называется первым режимом изгибания в противофазе расходомера. Данный привод 104 может содержать любое из множества известных средств, таких как магнит, установленный на трубке 103’, и противостоящую катушку, установленную на трубке 103, через которые пропускается переменный ток для вибрации обеих трубок. Подходящий сигнал возбуждения подается измерительной электроникой 20 через соединительный провод 113 на привод 104. Следует понимать, что хотя обсуждение направлено на две трубки 103, 103’, в других вариантах осуществления может быть предусмотрена только одна трубка или может быть предусмотрено более двух трубок. Также в пределах объема настоящего изобретения находится формирование множества сигналов возбуждения от множества приводов и приведение приводом(-ами) в движение трубок в режимах, отличных от первого режима изгибания в противофазе.
Измерительная электроника 20 принимает сигнал температуры по соединительному проводу 114, и левый и правый сигналы скорости, появляющиеся на соединительных проводах 115 и 115’, соответственно. Измерительная электроника 20 формирует сигнал возбуждения, появляющийся на соединительном проводе 113, для привода 104 и выполняет вибрацию трубок 103, 103’. Измерительная электроника 20 обрабатывает левый и правый сигналы скорости и температурный сигнал для вычисления массового расхода и плотности материала, проходящего через блок 10 датчиков. Эта информация, наряду с другой информацией, подается измерительной электроникой 20 по трассе 26 к средствам утилизации. Объяснение схемы измерительной электроники 20 не требуется для понимания настоящего изобретения, и оно опущено в целях краткости данного описания. Следует понимать, что описание фиг. 1-3 представлено только в качестве примеров работы некоторых возможных вибрационных измерителей и не предназначено для ограничения раскрытия настоящего изобретения.
Описана структура расходомера Кориолиса, хотя специалистам в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано, как отмечено выше, на вибрационном трубочном или вилочном денситометре без возможности дополнительного измерения, обеспечиваемой массовым расходомером Кориолиса. Кроме того, термин «вибрирующий» или «вибрационный» элемент в настоящем описании может относиться к трубкам.
Для получения точных измерений плотности денситометрами 200 с вибрирующим элементом резонансная частота в идеальном случае должна быть стабильной. Одним из подходов к достижению желаемой стабильности является вибрация вибрирующего элемента 204 в режиме радиальной вибрации. В режиме радиальной вибрации продольная ось вибрирующего элемента остается, по существу, неподвижной, в то время как, по меньшей мере, часть стенки вибрирующего элемента перемещается и/или вращается в сторону от своего положения покоя. Режимы радиальной вибрации обычно являются самобалансирующимися, и, таким образом, характеристики монтирования вибрирующего элемента являются не столь критичными по сравнению с некоторыми другими режимами вибрации. Однако для вариантов осуществления предусмотрены другие режимы вибрации.
Понятно, что когда в вибрационном денситометре присутствуют две жидкие фазы с различными плотностями, между этими двумя фазами происходит разъединение, и что разъединение является функцией различия в плотности несущей фазы (жидкости в этом случае) и фазы частиц (твердой фазы) и размера частиц, а также вязкости фазы носителя и частоты колебаний трубки. Такое демпфирование представляет собой высокочувствительный способ обнаружения наличия двух фаз. Такое демпфирование проявляется в денситометрах с вибрирующим элементом как по коэффициенту усиления возбуждения привода, так и по амплитуде тензодатчика. В случае газа в жидкостном процессе, например, и без ограничения, коэффициент усиления возбуждения привода быстро возрастает со значения около 2-5% до приблизительно 100%.
Совокупное влияние демпфирования на подводимую энергию и получаемую амплитуду известно как расширенный коэффициент усиления возбуждения привода, который представляет собой оценку того, сколько мощности потребуется для поддержания целевой амплитуды вибрации, если бы было доступно более 100% мощности:
(1)
Следует отметить, что для целей вариантов осуществления, представленных в настоящем описании, термин «коэффициент усиления возбуждения привода» в некоторых вариантах осуществления может относиться к току привода, напряжению датчика или любому измеренному или выведенному сигналу, который указывает величину мощности, необходимой для приведения в действие измерителя на определенной амплитуде. В связанных вариантах осуществления термин «коэффициент усиления возбуждения привода» может быть расширен, с тем чтобы он охватывал любую метрику, используемую для обнаружения многофазного потока, такую как уровни шума, стандартное отклонение сигналов, измерения, связанные с демпфированием, и любые другие известные в технике средства для обнаружения потока со смешанными фазами. В одном из вариантов осуществления эти метрики могут сравнивать по тензодатчикам с целью обнаружения смешанной фазы.
Вибрирующие элементы потребляют очень мало энергии для продолжения вибрации на своей первой резонансной частоте, при условии, что вся текучая среда в измерителе является однородной по плотности. В случае текучей среды, состоящей из двух (или более) несмешивающихся компонентов разной плотности, вибрация трубки вызовет смещение разных величин каждого из компонентов. Было показано, что это различие в смещении, или разъединении, и величина этого разъединения зависят от отношения плотностей компонентов, а также от обратного числа Стокса:
(2)
(3)
Где ω представляет собой частоту вибрации, ν представляет собой кинематическую вязкость текучей среды, а r представляет собой радиус частицы. Следует отметить, что частица может иметь меньшую плотность, чем текучая среда, как в случае пузырька.
Разъединение, которое происходит между компонентами, вызывает демпфирование вибрации трубки, что требует большего количества энергии для поддержания вибрации, или снижает амплитуду вибрации для фиксированной величины подводимой энергии.
Фиг. 4 представляет собой блочную диаграмму измерительной электроники 20 в соответствии с одним из вариантов осуществления. В процессе функционирования денситометры 5, 200 предоставляют различные измеренные значения, которые могут быть выведены, включая одно или более из измеренного или усредненного значения плотности, массового расхода, объемного расхода, массы и объемного расхода отдельных компонентов потока, а также скорости общего потока, включающей, например, объемный и массовый расход отдельных компонентов потока.
Денситометры 5, 200 генерируют вибрационный отклик. Вибрационный отклик принимается и обрабатывается измерительной электроникой 20 для генерации одного или более значений измерения текучей среды. Значения можно отслеживать, записывать, сохранять, суммировать и/или выводить.
Измерительная электроника 20 включает в себя интерфейс 301, систему 303 обработки, взаимодействующую с интерфейсом 301, и систему 304 хранения, взаимодействующую с системой 303 обработки. Хотя эти компоненты показаны как отдельные блоки, следует понимать, что измерительная электроника 20 может состоять из различных комбинаций интегрированных и/или дискретных компонентов.
Интерфейс 301 может быть сконфигурирован для подключения, например, к соединительным проводам 100, 211 и обмена сигналами с приводом 104, 202, тензодатчиками/вибродатчиками 105, 105’, 209 и датчиками 106 температуры. Интерфейс 301 может быть дополнительно сконфигурирован для взаимодействия по трассе 26 связи, например, с внешними устройствами.
Система 303 обработки может включать произвольный тип системы обработки. Система 303 обработки сконфигурирована для извлечения и выполнения сохраненных процедур с целью управления функционированием измерителей 5, 200. В системе 304 хранения могут храниться процедуры, включая общую процедуру 305 измерения и процедуру 313 коэффициента усиления возбуждения привода. В системе 304 хранения могут храниться измерения, принятые значения, рабочие значения и другая информация. В некоторых вариантах осуществления в системе хранения хранятся массовый расход (m) 321, плотность (ρ) 325, порог плотности 326, вязкость (μ) 323, температура (T) 324, давление 309, коэффициент 306 усиления возбуждения привода, порог 302 коэффициента усиления возбуждения привода и любые другие переменные, известные в данной области техники. Процедуры 305, 313 могут содержать любой отмеченный сигнал, а также другие переменные, известные в данной области техники. Предусмотрены и другие процедуры измерения/обработки, которые находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.
Общая процедура 305 измерения может производить и хранить количественные определения текучей среды и измерения расхода. Эти значения могут содержать, по существу, мгновенные значения измерения или могут содержать суммарные или накопленные значения. Например, общая процедура 305 измерения может генерировать измерения массового расхода и сохранять их, например, в хранилище массового расхода 321 системы 304 хранения. Аналогично, общая процедура 305 измерения может генерировать измерения плотности и сохранять их, например, в хранилище плотности 325 системы 304 хранения. Значения массового расхода 321 и плотности 325 определяются по вибрационному отклику, как обсуждалось выше и известно в данной области техники. Массовый расход и другие измерения могут содержать, по существу, мгновенное значение, могут содержать пробу, могут содержать усредненное значение за интервал времени или могут содержать накопленное значение за интервал времени. Временной интервал может быть выбран таким образом, чтобы соответствовать блоку времени, в течение которого обнаруживают определенные условия текучей среды, например, состояние текучей среды «только жидкость» или, альтернативно, состояние текучей среды, включающей в себя жидкость, захваченный газ и/или твердые вещества, и/или растворяемые компоненты. Кроме того, предусмотрены другие количественные определения массового и объемного расхода и другие соответствующие определения, которые находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.
Порог 302 коэффициента усиления возбуждения привода может использоваться для различения потока смешанной фазы и контроля растворения растворяемого компонента. Аналогично, пороговое значение 326 плотности, применяемое к показанию плотности 325, также может использоваться, отдельно или вместе с коэффициентом усиления возбуждения привода, для различения потока смешанной фазы и растворения растворяемого компонента. Коэффициент 306 усиления возбуждения привода может использоваться, например, и без ограничения, в качестве показателя чувствительности вибрации трубки 5, 200 или вибрационного элемента измерителя к присутствию текучих сред с различными состояниями растворения растворяемого компонента.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 5, процесс и система 400 для мониторинга операций периодического смешивания содержат денситометр 5, 200 в контуре 402 рециркуляции сосуда 404. Текучая среда может перемещаться посредством насоса или аналогичного устройства таким образом, что жидкость рециркулирует через сосуд 404, контур 402 рециркуляции и денситометр 5, 200. По мере того, как ингредиенты последовательно добавляются в раствор, изменение плотности раствора дает представление о том, когда и какое количество ингредиента добавлено. Этот способ гарантирует, что ни один этап в рецепте не будет пропущен, и/или не осталось ингредиентов для добавления в смесь. Одним из других аспектов процесса является проверка того, что добавленный ингредиент полностью растворился, перед добавлением следующего ингредиента в раствор. Кроме того, может осуществляться проверка того, что в конечном продукте не осталось нерастворенных твердых веществ.
Следует отметить, что, помимо рециркуляции, также предусматривается перенос смеси. Например, текучую среду могут перемещать посредством насоса или аналогичного устройства таким образом, что текучая среда переносится из сосуда 404, через денситометр 5, 200, а затем во второй сосуд. Данный способ обеспечил бы контроль качества, который мог бы гарантировать, что ни один этап в рецепте не пропущен, и/или что не осталось ингредиентов для добавления в смесь. Пример, предоставленный без ограничения, мог бы включать напитки, для которых производитель желает минимизировать количество твердых веществ, присутствующих в контейнерах для розничной продажи. Установка денситометра 5, 200 для контроля содержания твердых веществ вблизи разливочной машины/дозатора или выходного отверстия резервуара для хранения, в котором осаждались бы твердые частицы, является альтернативой рециркуляционной установке, описанной в настоящем описании.
Обратимся к фиг. 6; график показывает пример того, как коэффициент усиления возбуждения привода используется для обнаружения присутствия твердых частиц в растворе путем мониторинга коэффициента усиления возбуждения привода. На приведенном в качестве примера графике растворяемый компонент добавляют в трех точках, A, B и C. Коэффициент усиления возбуждения привода резко увеличивается при добавлении растворяемого компонента в раствор, о чем свидетельствуют пики, которые соответствуют добавлениям растворяемого компонента A, B и C. Это также сопровождается соответствующим повышением плотности. Коэффициент усиления возбуждения привода возвращается к стабильной базовой линии a, b, c после пика, и это указывает на то, что растворяемый компонент растворился. Следует отметить, что остаточная плотность стабилизируется после каждого добавления растворяемого компонента, но плотность раствора в целом увеличивается. В одном из вариантов осуществления обнаружение стабильной базовой линии после добавления растворяемого компонента указывает, что растворяемый компонент вошел в раствор.
Пики коэффициента усиления возбуждения привода, A, B, C, четко различимы. Однако в одном из вариантов осуществления, когда добавление растворяемого компонента оказывает существенное влияние на плотность, такое как проиллюстрированное, изменение плотности и/или стабильность плотности могут использоваться в качестве основного индикатора растворения, а коэффициент усиления возбуждения привода может использоваться в качестве подтверждающей переменной.
Обратимся к фиг. 7; представлен раствор, имеющий профиль растворения, отличный от проиллюстрированного на фиг. 6. В этом примере добавление растворяемого компонента в точках D и E вызывает медленное увеличение коэффициента усиления возбуждения привода, которое выравнивается после растворения растворяемого компонента. Коэффициент усиления возбуждения привода остается на этом более высоком уровне. Опять, это может быть использовано как признак растворения по отдельности или как вторичный индикатор, наряду с плотностью, того, что растворяемый компонент был добавлен в правильном количестве и что он полностью растворился. Общий сдвиг в номинальном коэффициенте усиления возбуждения привода и плотности указывает, что растворяемый компонент был добавлен в правильном количестве, и стабильность сигнала коэффициента усиления возбуждения привода указывает, что растворяемый компонент полностью растворился.
Графики на фиг. 6 и 7 представлены только в качестве примеров возможных измерений добавлений растворяемого компонента. Форма кривых, интенсивность пиков, наклоны, наличие или отсутствие возврата к базовой линии, и другие проиллюстрированные характеристики являются лишь примерами. Специалистам в данной области техники будет понятно, что разные растворенные вещества и разные растворы будут демонстрировать потенциально уникальную форму кривой, уникальную форму и размер пиков, уникальные наклоны, уникальный(-е) возврат(-ы) к базовой линии, уникальные комбинации указанного выше, и, как правило, уникальные сигнатуры и/или поведение коэффициента усиления возбуждения привода/плотности - слишком много для иллюстрации.
В вариантах осуществления сигнатуры сигналов каждого растворяемого компонента, множественные добавления одного и того же растворяемого компонента и/или общий прогресс и завершение рецепта сохраняются в системе мониторинга, и добавление растворяемого компонента может контролироваться и проверяться. Это сокращает человеческие ошибки и обеспечивает точную проверку того, что желаемый раствор был создан. Каждое добавление растворяемого компонента или общий прогресс рецепта могут быть предварительно запрограммированы в измерительной электронике или в устройстве, связанном с измерительной электроникой. В еще одном варианте осуществления алгоритм машинного обучения обучают распознавать отдельные ингредиенты в процессе посредством рассмотрения сигнатур плотности и коэффициента усиления возбуждения привода, как будет понятно специалистам в данной области техники. В одном из вариантов осуществления, если измеренные сигнатуры коэффициента усиления возбуждения привода и/или плотности отличаются от предварительно заданного или полученного посредством машинного обучения коэффициента усиления возбуждения привода и/или плотности более чем на заранее заданную величину, может быть сгенерировано соответствующее указание. Такое указание может включать предупреждение и/или уведомление. В одном из вариантов осуществления процедура 313 коэффициента усиления возбуждения привода может быть сконфигурирована для выполнения анализов коэффициента усиления возбуждения привода и добавления растворенных компонентов, как отмечено в настоящем описании.
Многие операции относятся к процессу подмешивания сухих ингредиентов в жидкость, но большинство аналитических инструментов используются для автономного отбора проб с целью контроля качества партии. Посредством внедрения аналитики в реальном времени, можно реализовать возможность растворения и, следовательно, контроля качества с помощью относительно недорогого, но чрезвычайно точного денситометра с вибрирующими элементами.
Подробные описания вышеупомянутых вариантов осуществления не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов осуществления, предполагаемых изобретателями, и которые находятся в пределах объема изобретения. Действительно, специалистам в данной области техники будет понятно, что некоторые элементы вышеописанных вариантов осуществления могут по-разному комбинироваться или исключаться с целью создания дополнительных вариантов осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления попадают в пределы объема и формы изобретения. Специалистам в данной области техники также будет очевидно, что вышеописанные варианты осуществления могут быть объединены полностью или частично с целью создания дополнительных вариантов осуществления в пределах объема и формы изобретения.
Таким образом, хотя конкретные варианты осуществления и примеры изобретения описаны в настоящем описании в иллюстративных целях, различные эквивалентные модификации возможны в пределах объема изобретения, как будет понятно специалистам в соответствующей области техники. Представленные здесь идеи могут быть применены к другим вибрирующим системам, а не только к вариантам осуществления, описанным выше и показанным на прилагаемых фигурах. Соответственно, объем изобретения должен быть определен по приведенной ниже формуле изобретения.