ВИБРАЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНОГО ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОФАЗНОГО ПРОТЕКАЮЩЕГО ФЛЮИДА
VIBRATION FLOW METER FOR DETERMINING ONE OR MORE PARAMETERS OF MULTIPHASE FLOWING FLUID

Область техники
Настоящее изобретение относится к вибрационному расходомеру и более конкретно к вибрационному расходомеру для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида.
Предшествующий уровень техники
Вибрационные расходомеры, такие как массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры, обычно действуют посредством регистрации движения вибрирующей трубки, которая содержит протекающий или непротекающий флюид. Характеристики, связанные с материалом в трубке, такие как массовый расход, плотность и т.п., могут быть определены в результате обработки измерительных сигналов, принимаемых от преобразователей перемещения, связанных с трубкой. Колебательные моды заполненной материалом вибрирующей системы обычно зависят от суммарной массы, жесткости и параметров демпфирования заполненной трубки и содержащегося в ней материала.
Типичный вибрационный расходомер включает в себя одну или несколько трубок, которые соединяются в линейную магистраль или другую транспортную систему, и транспортируют в системе материал, например флюиды, шламы и т.п. Трубку можно рассматривать как систему, имеющую ряд собственных колебательных мод, включая, например, простые изгибные, крутильные, радиальные и связанные моды. Обычно для измерений трубка возбуждается на одной или нескольких колебательных модах, когда материал течет через трубку, и движение трубки регистрируется в точках, разнесенных вдоль трубки. Возбуждение обычно обеспечивается приводом, например, электромеханическим устройством, таким как индукционный привод, работающий на звуковых частотах, который периодически возмущает трубку. Плотность флюида может быть получена определением резонансной частоты потока флюида. Массовый расход может быть определен по измерению временной задержки или по разности фаз между перемещениями в местоположениях датчиков. Два таких датчика (или измерительных датчиков) обычно используются для измерения колебательного отклика трубки или трубок и обычно располагаются в положениях сверху и снизу по течению относительно привода. Два измерительного датчика соединяются с электронным измерительным устройством с помощью кабеля, например, с помощью двух независимых пар проводов. Измерительное устройство принимает сигналы от двух измерительных датчиков 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 включающий 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 потока 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 трубки необязательно перемещает вовлеченные газы/твердые вещества полностью в фазе с протекающим флюидом. Эта вибрационная аномалия обозначается как разделение или отставание. Газовые пузыри, например, могут отделиться от протекающего флюида, влияя на колебательный 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 трубки. 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 колебательный отклик расходомера. Сказанное справедливо также для твердых частиц, вовлеченных в протекающий флюид, в котором твердые вещества 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 влияние разделения 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 трубки 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, необязательно 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. 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 конфигурируется так, чтобы быть физически компактным и по существу однородным по размерам. Например, высота расходомера в технике предшествующего уровня обычно меньше, чем длина, давая низкое 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.
В технике предшествующего уровня расходомеры обычно имеют низкое характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Расходомер с прямой трубкой имеет нулевое характеристическое отношение высоты к длине, что обычно приводит к высокой частоте привода. Часто используются изогнутые трубки, чтобы избежать преобладания значения длины и увеличить характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Однако расходомеры техники предшествующего уровня с большими характеристическими отношениями не разработаны. Искривленный или изогнутый трубопроводный расходомер в технике предшествующего уровня может иметь характеристическое отношение высоты к длине, приближающееся к 1,3, например.
Сущность изобретения
В данной области техники сохраняется потребность иметь вибрационный расходомер, который пригоден для точного и надежного измерения расхода многофазных флюидов.
В одном аспекте изобретения предложен вибрационный расходомер для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида, содержащий:
сборку расходомера, включающую в себя один или несколько трубок со сборкой расходомера, сконфигурированной для создания колебательного отклика с очень низкой частотой, которая ниже заданной минимальной частоты разделения для протекающего флюида и для создания колебательного отклика с очень высокой частотой, которая выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала; и
электронное измерительное устройство, соединенное со сборкой расходомера и сконфигурированное, чтобы принимать один или несколько колебательных откликов с очень низкой частотой и один или более колебательных откликов с очень высокой частотой и определять один или более параметров протекающего флюида из одного или более колебательных откликов с очень низкой частотой и одного или более колебательных откликов с очень высокой частотой.
p
f
p
f
p
f
Предпочтительно электронное измерительное устройство сконфигурировано так, что разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно 1:1 для очень низкой частоты и сконфигурировано так, что разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно 3:1 для вовлеченного газа на очень высокой частоте, и приблизительно равно 3/(1+(2 · ρ/ρ)) для вовлеченных твердых веществ на очень высокой частоте.
Предпочтительно электронное измерительное устройство сконфигурировано так, что вязкость эффективно бесконечна относительно движения частиц для протекающего флюида на очень низкой частоте, и сконфигурировано так, что вязкость эффективно нулевая относительно движения частиц для протекающего флюида на очень высокой частоте.
Предпочтительно очень низкая частота находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.
Предпочтительно колебательный отклик с очень низкой частотой соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое больше чем приблизительно 3,5, и колебательный отклик с очень высокой частотой соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое меньше чем приблизительно 0,1.
Предпочтительно один или несколько трубок конфигурируются так, чтобы достигнуть очень низкой частоты и очень высокой частоты посредством конфигурации одного или нескольких из следующих параметров: жесткости трубки, длины трубки, характеристического отношения трубки, материала трубки, толщины трубки, формы трубки, геометрии трубки или одного или нескольких положений колебательных узлов.
Предпочтительно вибрационный расходомер сконфигурирован так, чтобы работать на частотах первой изгибной моды и изгибных мод более высокого порядка.
Предпочтительно вибрационный расходомер работает на множестве частот, чтобы произвести множество колебательных откликов, причем множество колебательных откликов сравнивается, чтобы определить приблизительное начало многофазных эффектов.
Предпочтительно сборка расходомера представляет собой две или более сборки расходомера, которые колеблются, чтобы произвести отклик с очень низкой частотой и отклик с очень высокой частотой.
В одном аспекте изобретения предложен способ определения одного или нескольких параметров протекающего многофазного флюида, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают колебание сборки вибрационного расходомера на одной или нескольких очень низких частотах, которые ниже заданной минимальной частоты разделения для протекающего флюида, и обеспечивают колебание сборки расходомера на одной или более очень высоких частотах, которые выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;
принимают один или более колебательных откликов с очень низкой частотой и один или более колебательных откликов с очень высокой частотой и
определяют один или более параметров протекающего флюида из одного или более колебательных откликов с очень низкой частотой и одного или более колебательных откликов с очень высокой частотой.
p
f
p
f
p
f
Предпочтительно одна или несколько очень низких частот приводят к разделительному отношению (A/A) приблизительно 1:1 и одна или несколько очень высоких частот приводят к разделительному отношению (A/A) приблизительно 3:1 для вовлеченного газа и приблизительно равному 3/(1+(2·ρ/ρ)) для вовлеченных твердых веществ.
Предпочтительно одна или несколько очень низких частот приводят к вязкости, которая эффективно бесконечна относительно движения частиц для протекающего флюида и одна или несколько очень высоких частот приводят к вязкости, которая эффективно нулевая.
Предпочтительно одна или несколько очень низких частот находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.
Предпочтительно один или несколько колебательных откликов с очень низкой частотой соответствуют обратному Стоксову числу (δ), которое больше чем приблизительно 3,5, и один или несколько колебательных откликов с очень высокой частотой соответствуют обратному Стоксову числу (δ), которое меньше чем приблизительно 0,1.
Предпочтительно вибрационный расходомер сконфигурирован так, чтобы работать на частотах первой изгибной моды и изгибных мод более высокого порядка.
Предпочтительно вибрационный расходомер работает на множестве частот, чтобы получить множество колебательных откликов, причем множество колебательных откликов сравнивают, чтобы определить приблизительное начало многофазных эффектов.
Предпочтительно колебание сборки вибрационного расходомера на одной или более очень низких частотах и на одной или более очень высоких частотах содержит колебание двух или более сборок вибрационного расходомера.
В одном аспекте изобретения предложен способ формирования вибрационного расходомера для определения одного или более параметров многофазного протекающего флюида, содержащий:
определение, по меньшей мере, одной заданной очень низкой частоты и, по меньшей мере, одной заданной очень высокой частоты для вибрационного расходомера, исходя из, по меньшей мере, ожидаемого протекающего флюида, по меньшей мере, с одной заданной очень низкой частотой, находящейся ниже заданной минимальной частоты разделения, и, по меньшей мере, с одной заданной очень высокой частотой, находящейся выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;
выбор одного или нескольких параметров конструкции трубки, исходя из, по меньшей мере, одной заданной очень низкой частоты и, по меньшей мере, одной заданной очень высокой частоты, с одним или несколькими параметрами конструкции трубки, выбираемыми, чтобы по существу достигнуть, по меньшей мере, одной заданной очень низкой частоты и, по меньшей мере, одной заданной очень высокой частоты; и
конструирование вибрационного расходомера, использующего выбранные один или несколько параметров конструкции трубки.
p
f
p
f
p
f
Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота приводит к разделительному отношению (A/A) приблизительно 1:1, и, по меньшей мере, одна заданная очень высокая частота приводит к разделительному отношению (A/A) приблизительно 3:1 для вовлеченного газа и приблизительно равному 3/(1+(2·ρ/ρ)) для вовлеченных твердых веществ.
Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота приводит к вязкости, которая эффективно бесконечна относительно движения частиц для протекающего флюида и, по меньшей мере, одна заданная очень высокая частота приводит к вязкости, которая эффективно нулевая.
Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.
Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое больше чем приблизительно 3,5, и, по меньшей мере, одна заданная очень высокая частота соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое меньше чем приблизительно 0,1.
Предпочтительно вибрационный расходомер сконфигурирован так, чтобы работать на частотах первой изгибной моды и изгибных мод более высокого порядка.
Предпочтительно вибрационный расходомер работает на множестве частот, чтобы получить множество колебательных откликов, причем множество колебательных откликов сравнивают, чтобы определить приблизительное начало многофазных эффектов.
Предпочтительно колебание сборки вибрационного расходомера на одной или нескольких очень низких частотах и на одной или нескольких очень высоких частотах представляет собой колебание двух или нескольких сборок вибрационного расходомера.
Краткое описание чертежей
Одинаковые цифровые обозначения используются для одних и тех же элементов на всех чертежах. Следует иметь ввиду, что чертежи необязательно выполнены в масштабе.
На чертежах:
Фиг.1 изображает вибрационный расходомер в соответствии с изобретением;
Фиг.2 - вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения;
Фиг.3 - диаграмму зависимости эффекта разделения от частоты для очень низких рабочих частот до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме;
Фиг.4 - соответствующую диаграмму зависимости фазового угла (φ) разделения от частоты для очень низких рабочих частот до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме;
Фиг.5 - диаграмму зависимости разделительного отношения от отношения плотностей для вибрационного расходомера с очень низкой частотой или с очень высокой частотой расходомера в соответствии с изобретением;
Фиг.6 - участок вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением;
Фиг.7 - простая схема без связей, которая иллюстрирует источник ошибок в многофазном потоке в вибрационных расходомерах;
Фиг.8 - движение относительно легкой частицы радиуса а внутри трубы вибрационного расходомера, заполненного более плотным протекающим флюидом;
Фиг.9 - полное относительное движение частиц и флюида на отдельной четверти колебания трубки, включая изменение в местоположении центра гравитационного притяжения (CG);
Фиг.10 - местоположения CG частиц и жидких компонентов;
Фиг.11 - диаграмму зависимости ошибки плотности при разделении от плотности частиц;
Фиг.12 - трехмерную диаграмму зависимости ошибки плотности для данной вязкости флюида от размера частиц;
Фиг.13 - трехмерную диаграмму зависимости ошибки плотности для данной вязкости флюида от плотности частиц;
Фиг.14 - трехмерную диаграмму зависимости ошибки плотности для данной амплитуды колебаний трубки от частоты колебаний;
Фиг.15 - диаграмму, которая показывает результаты моделирования полной ошибки плотности от моды с очень низкой частотой, моды средней частоты и моды с очень высокой частотой расходомера Кориолиса;
Фиг.16 - вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения;
Фиг.17 - блок-схему последовательности операций для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
Прилагаемые Фиг.1-17 и нижеследующее описание раскрывают 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 очевидно, 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 в соответствии с изобретением. Вибрационный расходомер 5 предназначен для измерения параметров флюида для протекающего флюида, включая измерения и в динамическом, и в стационарном режимах. Вибрационный расходомер 5 в одном варианте реализации содержит расходомер Кориолиса. В другом варианте реализации вибрационный расходомер 5 содержит вибрационный денситометр.
Вибрационный расходомер 5 включает в себя сборку 10 расходомера и электронное измерительное устройство 20. Электронное измерительное устройство 20 соединено со сборкой 10 измерительного устройства посредством кабелей 100 и сконфигурировано так, чтобы обеспечить измерения одного или нескольких 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 очевидно, что настоящее изобретение может быть использовано для любого типа вибрационного расходомера, независимо от числа приводов, измерительных датчиков, трубок, или типа используемой колебательной моды. Следует отметить, что расходомер 5 может представлять собой вибрационный денситометр и/или массовый расходомер Кориолиса.
Сборка 10 расходомера включает в себя пару фланцев 101 и 101', манифольды 102 и 102', привод 104, измерительные датчики 105 и 105' и трубки 103A и 103B. Привод 104 и измерительные датчики 105 и 105' присоединены к трубкам 103A и 103B.
В одном варианте реализации трубки 103A и 103B содержат по существу U-образные трубки, как это показано. Альтернативно в других вариантах реализации трубки могут содержать по существу прямые трубки. Однако другие формы также могут использоваться и они имеются ввиду 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 разделителя 106. Разделитель 106 поддерживает интервал между манифольдами 102 и 102', чтобы предотвратить нежелательные колебания в трубках 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 трубок 103A и 103B, протекает через трубки 103A и 103B и назад, в выходной манифольд 102', где он выходит из измерительной сборки 10 через фланец 101'.
Трубки 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. Трубки 103A и 103B вытянуты наружу от манифольдов 102 и 102' по существу параллельным образом.
Трубки 103A и 103B возбуждаются приводом 104 в противоположных направлениях вокруг соответственных изгибных осей W и W', на которых проявляется первая несинфазная изгибная мода расходомера 5. Однако трубки 103A и 103B могут альтернативно колебаться на второй несинфазной изгибной моде или моде более высокого порядка, если это желательно. Это может быть сделано для проведения калибровки или тестирования, для установления вязкости флюида или для получения значений измерения на различных частотах колебаний. Привод 104 может содержать одно из многих известных устройств, например магнит, установленный на трубке 103A, и противостоящая катушка, установленная на трубке 103B. Через противостоящую катушку проходит переменный ток, заставляя обе трубки колебаться. Соответствующий возбуждающий сигнал подается электронным измерительным устройством 20 на привод 104 через соединительный кабель 110.
Электронное измерительное устройство 20 принимает сигналы датчика по соединительным кабелям 111 и 111', соответственно. Электронное измерительное устройство 20 производит возбуждающий сигнал на соединительном кабеле 110, который посредством привода 104 заставляет колебаться трубки 103A и 103B. Электронное измерительное устройство 20 обрабатывает сигналы левой и правой скорости от измерительных датчиков 105 и 105', чтобы рассчитать массовый расход. Канал связи 26 предоставляет входное и выходное средство, которое позволяет соединять электронное измерительное устройство 20 с оператором или с другими электронными системами. Описание Фиг.1 предоставляется исключительно как пример работы вибрационного расходомера и не является ограничением принципов настоящего изобретения.
При работе в качестве денситометра расходомер 5 может измерить плотность однофазного или многофазного потоков. Измерение плотности многофазного потока проблематично, поскольку на измерение плотности могут влиять компоненты многофазного потока, если они включают в себя вовлеченный газ или вовлеченные твердые вещества. Расходомер 5 измерит плотность смеси, но обычно желательно, чтобы измерение плотности было измерением плотности именно жидкой компоненты(-ов), поскольку любой вовлеченный газ или твердые вещества обычно содержат нежелательные компоненты. Не только пузыри или твердые вещества вызывают изменение в истинной плотности смеси, но разделение и другие эффекты многофазности приводят к дополнительной ошибке измерения плотности смеси.
Плотность в вибрационном расходомере измеряется определением резонансной (то есть собственной) частоты колебаний трубки. Чем больше плотность протекающего флюида, тем больше масса сборки 10 расходомера и ниже собственная частота сборки 10 расходомера в целом. Измерение плотности расходомера 5 не зависит от расхода и может быть выполнено с протекающим или непротекающим флюидом.
mixture
Расходомер 5 может измерять плотность, когда имеются два или несколько компонентов и может измерить плотность смеси (ρ) для протекающего многофазного флюида. Если предполагается, что нет ошибок вследствие разделения, асимметрий, скорости звука или других многофазных эффектов, то плотность, измеренная вибрационным измерителем, будет очень близка к фактической плотности смеси, как показано в уравнении (1) ниже. Если плотности компонентов потока известны, то массовые расходы индивидуальных компонентов могут быть оценены в предположении отсутствия движения пузырей. Слагаемые с (φ) отображают объемные доли компонентов. Отдельные доли должны суммироваться до единицы.
Пользователь, интересующийся измерением только плотности жидкости, получит ошибку, пропорциональную объемной доле, если единственная вовлеченная фаза будет присутствовать. Ошибка плотности для многофазного протекающего флюида может быть представлена как:
3
3
3
Например, если пользователь ожидает плотность жидкости 1000 кг/м, но флюид имеет 10%-ную объемную долю вовлеченного газа, массовый расходомер Кориолиса предшествующего уровня техники (работающий на частоте колебаний предшествующего уровня техники) измерит примерно 900 кг/м, давая ошибку плотности в (-100) кг/м. Даже при том, что измеритель предшествующего уровня техники правильно измерил плотность смеси, включая и жидкую компоненту и газовую компоненту, пользователь интерпретирует это как ошибку на -10% от желаемой плотности жидкости. Расход объема находится затем делением измеренного многофазного массового расхода на измеренную многофазную плотность, и объемный расход смеси оказывается приблизительно на 10% выше, чем расход жидкости. Однако пользователь обычно желает получить массовый расход или объемный расход только жидкой компоненты многофазного протекающего флюида.
Ошибка определения плотности дополнительно получена ошибками вследствие эффектов разделения и эффектов SOS/сжимаемости, которые, оба, происходят вследствие колебаний многофазного протекающего флюида. Колебание одной фазы не даст проявления эффектов разделения и SOS/сжимаемости.
Измерительные ошибки усиливаются в многофазном протекающем флюиде, включая вовлеченный газ. Вовлеченный газ проявляет в большей степени разделение и в большей степени эффекты SOS/сжимаемости, чем вовлеченные твердые вещества. Это происходит из-за большого различия в плотности между газом и флюидом, которое приводит к относительному движению между фазами, и вследствие сжимаемости смеси, которая приводит к нежелательным нерезонансным колебательным откликам. Вовлеченные твердые вещества не подвергаются действию эффектов сжимаемости, но дают ошибки из-за эффектов вязкости и разделения. Эффект разделения для твердых веществ не столь значителен, как для газов, но все же влияет на измерения.
Измерительные ошибки в данном случае обусловлены работой расходомера 5 на определенных колебательных частотах, частотах, которые производят известное разделение, и эффекты сжимаемости. Было установлено, что работа расходомера 5 на этих выделенных колебаниях позволяет правильно осуществить измерения плотности, массового расхода и других переменных.
p
f
Было установлено, что на очень низких частотах колебаний, разделение инородного материала, или газа, или твердых веществ, фактически отсутствует, и разделительное отношение составляет приблизительно 1:1, то есть вовлеченный газ или частицы твердых веществ перемещаются на то же самое расстояние, что и жидкая компонента протекающего флюида. Аналогично на очень низких частотах колебаний вязкость протекающего флюида действует так, как если бы она была приблизительно бесконечной, причем вовлеченные инородные материалы движутся с протекающим флюидом. Кроме того, на очень низких частотах колебаний нет эффектов SOS/сжимаемости. В результате разделительное отношение (A/A) можно предположить как равное единице, сжатие можно предположить как равное нулю (причем скорость звука (c) предполагается как SOS протекающего флюида) и вязкость предполагается как имеющая бесконечное значение (то есть подобно твердому телу).
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 затем удалены.
p
f
Было установлено, что на очень высоких частотах колебаний эффекты разделения могут достигнуть верхнего предела. Этот верхний предел предоставляет недостижимые прежде преимущества. Разделение при этом становится известным и предсказуемым. Например, для вовлеченного газа разделительное отношение приближается приблизительно к 3:1, причем газовые пузыри перемещаются на в три раза большее расстояние по сравнению с перемещением жидкой компонентой протекающего флюида. Для вовлеченных твердых веществ, на очень высоких частотах колебаний, разделительное отношение будет приблизительно равно 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 трубки. На очень высоких частотах колебаний вязкость протекающего флюида действует так, как если бы она была приблизительно нулевой, с вовлеченным инородным веществом, не ограничиваемым вязкостью флюида.
Сжимаемость не будет относиться к вовлеченным твердым веществам. Следовательно, очень высокочастотный вибрационный расходомер 5 может колебаться на частоте, равной или большей, чем верхняя предельная частота для разделения. Любые получающиеся эффекты SOS/сжимаемости могут быть скомпенсированы для использования обычных методик.
Жидкости имеют более высокие звуковые скорости, чем газы, но еще более низкие скорости получаются для их смеси. Добавление к жидкости даже малого количества газа приводит к значительному снижению скорости звука смеси, ниже таковой для любой из фаз. Малое количество газа значительно увеличивает сжимаемость смеси, тогда как плотность смеси остается близкой к таковой для жидкости.
Когда скорость звука флюида высока, как для однофазного флюида, первая акустическая мода для поперечных звуковых волн поперек круглого трубки имеет намного более высокую частоту, чем частота привода. Однако, когда скорость звука падает из-за добавления газа к жидкости, частота акустической моды также падает.
Для низкочастотных измерителей и типичных давлений процесса эффекты от скорости звука присутствует в многофазных потоках, но обычно пренебрежимо малы при заданной точности измерителя. Однако для высокочастотных вибрационных расходомеров, работающих при низких давлениях с флюидами с пузырями, скорость звука может быть достаточно низкой, чтобы вызвать существенные ошибки измерения из-за взаимодействия между приводом и колебательными модами флюида.
Более физическое объяснение эффектов от скорости звука в вибрационных расходомерах состоит в том, что флюид в трубе сжимается относительно внешней стенки трубы при каждом колебании, если сжимаемость смеси достаточно велика, чтобы позволить такое движение. Таким образом, эффекты от скорости звука подобны эффектам разделения в том, что фактическая ошибка обуславливается движением местоположения центра гравитационного притяжения. Различие в том, что эффекты от скорости звука приводят к тому, что более тяжелый флюид выталкивается к внешним стенкам трубы, тогда как разделение приводит к тому, что более тяжелый флюид выталкивается к внутренним стенкам трубы. Поэтому ошибки от скорости звука положительны и ошибки разделения отрицательны.
Следовательно, расходомер 5 может работать или на очень низкой частоте, или на очень высокой частоте. Получающиеся измерения могут быть использованы так, как рассмотрено ниже (см. Фиг.17 и соответствующее обсуждение). Вышеупомянутые предположения или известные значения могут быть использованы, чтобы получить улучшенные измерения плотности и/или массового расхода, среди прочего.
Вибрационный расходомер 5 предназначен для точного и надежного измерения параметров протекающего флюида, когда протекающий флюид содержит множественные фазы. Многофазный протекающий флюид может включать в себя вовлеченный газ в некоторых вариантах реализации, причем вовлеченный газ может содержать поток пузырей. Вовлеченный газ может включать в себя воздушные пузыри или пузыри различных размеров. Вовлеченный газ приводит к проблемам в вибрационных расходомерах предшествующего уровня техники. Вовлеченный газ, особенно при пузырях от умеренных до больших, может перемещаться независимо от протекающего флюида и приводить к ошибкам измерения или неопределенностям. Кроме того, вовлеченный газ может вызвать эффекты неоднозначности при измерениях из-за того, что сжимаемость газа изменяется в зависимости от рабочего давления протекающего флюида.
Многофазный протекающий флюид может включать в себя вовлеченные твердые вещества в некоторых вариантах реализации, 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 неопределенностям.
В некоторых вариантах реализации многофазный поток может включать в себя различающиеся жидкости, такие как несмешивающиеся жидкости, которые не могут быть смешаны между собой. Например, протекающий флюид может включать в себя и воду, и нефть. Там, где компоненты протекающего флюида имеют отличающиеся плотности, компоненты протекающего флюида могут испытать некоторое разделение во время вибрации расходомера. Инородные объекты могут быть менее плотными, чем протекающий флюид. Инородные объекты могут быть более плотными, чем протекающий флюид.
В работе вибрационный расходомер 5 может колебаться на очень низкой частоте и/или очень высокой частоте. Очень низкая частота может содержать первую изгибную моду колебаний. Однако другие колебательные моды также возможны и они имеются ввиду в рамках описания и пунктов формулы. Например, в некоторых вариантах реализации сборка 10 расходомера может возбуждаться вне резонанса на заданной низкой частоте, причем массовый расход (и/или другие параметры потока) измеряются вслед за этим. Заданная низкая частота может поэтому быть меньше, чем резонансная частота. Получающееся измерение массового расхода будет по существу невосприимчиво к эффектам разделения и SOS и может быть определено с помощью измерения фазы на заданной низкой частоте. Заданная низкая частота может быть выбрана так, чтобы соответствовать обратному Стоксову числу (δ), большему чем пороговое значение, выбранное, чтобы по существу устранить ошибки, обусловленные многофазностью. Измерение плотности на частоте вне резонанса не будет возможно вследствие того, что частота была специально выбрана, а не измерена. Недостаток такого рода работы в том, что амплитуда отклика трубки будет малой из-за нерезонансной вибрации. Однако этот недостаток может быть преодолен введением дополнительной мощности привода или усреднением фазовых измерений, способствуя тем самым фильтрации шума.
Протекающий флюид может быть или стационарным или динамическим, как рассмотрено выше. В результате при колебаниях на очень низкой частоте расходомер 5 производит вибрационный отклик с очень низкой частотой.
Альтернативно расходомер 5 может произвести колебательный отклик с очень высокой частотой. Очень высокая частота может содержать первую изгибную моду колебаний. Альтернативно очень высокая частота может содержать вторую, третью, или более высокого порядка, изгибную моду колебаний. Однако другие колебания, например, колебания вне резонанса, также имеются ввиду в рамках описания и приложенных пунктов формулы. В результате вибрационный расходомер 5 с очень высокой частотой вибрации производит колебательный отклик с очень высокой частотой. Колебательный отклик с очень высокой частотой обрабатывается, чтобы определить, например, частоту отклика, амплитуду отклика и фазовую задержку откликов между измерительными датчиками. Очень высокая частота отклика может использоваться для определения одного или нескольких параметров протекающего флюида, включая массовый расход, плотность, вязкость и так далее.
Колебательный отклик с очень низкой частотой или с очень высокой частотой обрабатывается, чтобы определить, по меньшей мере, частоту отклика. Частота отклика может быть использована, чтобы определить один или несколько параметров протекающего флюида, включая массовый расход, плотность, вязкость и так далее. Сущность расходомера 5 с очень низкой частотой и/или с очень высокой частотой рассматривается дополнительно ниже.
Преимущество вибрационного расходомера 5 заключается в том, что расходомер 5 в некоторых вариантах реализации может работать на более высоких частотах, если это желательно. Это может быть сделано там, где не ожидается многофазный поток. Например, если расходомер 5 устанавливается снизу по течению относительно устройства сепаратора, то протекающий флюид может быть допустимо однородным и свободным от вовлеченного инородного материала. В такой ситуации расходомер 5 может работать на более высоких частотах, например на второй, третьей или четвертой изгибной моде и так далее, где изгибные моды более высокого порядка содержат кратные частоты или гармоники резонансной частоты измерителя, например.
В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может работать на множественных колебательных частотах. Множественные колебательные частоты могут включать в себя колебание сборки 10 расходомера на периодически изменяющихся частотах или на различных частотах в разных интервалах времени. Альтернативно сборка 10 расходомера может одновременно колебаться на множественных колебательных частотах.
Множественные измерения массового расхода, полученные на различных резонансных или нерезонансных частотах, могут быть сравнены, чтобы определить, существует ли многофазный поток и определить величину ошибки из-за многофазности. Например, если измерения массового расхода, полученные на частотах 10, 20 и 30 Гц, по существу идентичны, но измерение массового расхода вне резонанса, полученное на частоте 40 Гц, значительно отклоняется от предыдущих измерений, то может быть определено, что ошибки из-за многофазности произошли где-то на частоте колебаний выше 30 Гц и может быть произведено указание на многофазность.
Приводная частота представляет собой частоту, на которой колеблются один или несколько трубок 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 высшего порядка, или нерезонансные частоты выше или ниже резонансной частоты. Поэтому приводная частота может отличаться от частоты колебательного отклика 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 понижение жесткости трубки приведет к более низкой резонансной частоте трубки и снижению частоты расходомера. Жесткость трубки может быть изменена различным образом, как рассматривается ниже.
Варианты расходомера 5 с очень низкой частотой или с очень высокой частотой могут быть достигнуты с помощью соответствующих параметров конструкции. Основное соображение при создании вибрационного расходомера 5 заключается в том, что эффективная жесткость изгибной моды измерителя может быть изменена, чтобы модифицировать рабочую частоту и/или резонансную (или собственную) частоту. Изменение жесткости измерителя может быть достигнуто любым образом, и не важно, как именно достигается изменение жесткости измерителя. Однако некоторые возможные пути рассматриваются ниже.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - длина трубки. Длина расходомера по существу коррелирует с жесткостью измерителя, причем увеличение длины измерителя приводит к некоторому снижению жесткости измерителя и рабочей частоте. Соответственно, длина расходомера может быть выбрана так, чтобы достигнуть, по меньшей мере, некоторого изменения жесткости измерителя.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - характеристическое отношение трубки. В данном случае характеристическое отношение расходомера определено как высота расходомера (H) разделенная на длину расходомера (L), и характеристическое отношение = (H/L) (см. Фиг.2). 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. Как следствие, характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть увеличено, чтобы уменьшить жесткость измерителя, и может быть уменьшено, чтобы увеличить жесткость измерителя.
Некоторые изготовители расходомеров используют противоположное обозначение, содержащее характеристическое отношение длины к высоте (L/H). Расходомер с прямой трубой в соответствии с таким обозначением имеет характеристическое отношение длины к высоте, которое будет приближаться к бесконечности, делая это обозначение характеристического отношения относительно бесполезным.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - материал трубки. Материал трубки может быть выбран так, чтобы увеличить или уменьшить жесткость измерителя.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - толщина трубки. Толщина трубки может быть изменена, чтобы модифицировать жесткость измерителя. Однако, практически, существенные сокращения толщины трубки могут привести к снижению пределов по давлению и в неудовлетворительной долговечности или прочности.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - форма трубки. Форма трубки может быть модифицирована любым желаемым образом, включая использование трубок, по существу круглых, эллиптических, прямоугольных, неправильной формы или других подходящих форм.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - геометрия трубки. Геометрия трубки может быть выбрана любым желаемым образом, включая использование соответствующих прямых и кривых секций, например. Например, U-образная трубка имеет меньшую жесткость, чем прямая трубка расходомера той же длины.
Фактор, влияющий на частоту измерителя, - масса трубки. Резонансная частота сборки 10 расходомера падает, если масса трубки увеличивается, при неизменных всех других факторах. Масса трубки может быть увеличена или уменьшена любым образом. Например, масса трубки может быть увеличена посредством добавления противовесов или других масс, например. Добавление массы в отдельной точке или местоположении уменьшит рабочую частоту, не увеличивая жесткость трубки.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - узловой дроссель трубки и местоположения узлов колебаний. Сборка 10 расходомера может включать в себя один или нескольких узловых дросселей, которые управляют положением узла колебаний и изгибной осью и поэтому влияют на колебательный отклик. Обычный узловой дроссель в показанном варианте реализации содержит разделитель 106 в комбинации с манифольдами 102 и 102'. Альтернативно в других вариантах реализации узловой дроссель может содержать один или нескольких стягивающих скоб, которые жестко располагаются между двумя трубками в определенной точке по существу вблизи фланцев 101 и 101' (то есть по существу на двух концах расходомера 5). Другие узловые положения показаны на Фиг.6. Один или несколько узловых дросселей включены, чтобы зафиксировать узлы колебаний искривленных трубок 103A и 103B, создавая желаемые изгибные оси. Один или несколько узловых дросселей могут быть помещены (или удалены), чтобы увеличить длину трубок, которые испытывают вибрацию, или могут быть расположены так, чтобы уменьшить длину колеблющегося участка трубок 103A и 103B. На Фиг.6 скрученность секций 102 и 102' также уменьшает жесткость изгибной моды и, таким образом, снижает частоту.
На Фиг.2 показан вибрационный расходомер 5 в соответствии с вариантом реализации изобретения. Трубки 103A и 103B могут находиться в пределах кожуха 203, как показано. Кожух 203 может защитить трубки 103A и 103B и может дополнительно служить для удержания протечки в случае отказа или повреждения трубки. Вибрационный расходомер 5 включает в себя высоту H и длину L. Из чертежа можно видеть, что высота H в этом варианте реализации значительно больше длины L измерителя. Характеристическое отношение высоты к длине (H/L) представляет собой отношение этих двух линейных параметров. Характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть увеличено, чтобы снизить частоту, или альтернативно может быть уменьшено, чтобы увеличить частоту. Характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть изменено до любого необходимого значения, включая значение, много большее или меньшее единицы, например.
В одном варианте реализации полная линейная длина L представляет собой по существу расстояние между фланцами 101 и 101' расходомера 5, тогда как полная линейная высота H представляет собой по существу расстояние между средней линией входного/выходного манифольдов 102 и 102' и самой удаленной средней линией (то есть центр максимума наклоненного участка). Поэтому характеристическое отношение представляет собой приблизительное количественное определение полной формы и размера расходомера 5. Большое характеристическое отношение (H/L) в соответствии с этим определением означает, что расходомер имеет большую высоту H по сравнению с его длиной L.
Следует понимать, что характеристическое отношение может быть альтернативно определено как отношение длины к высоте (L/H). В соответствии с этим альтернативным определением, расходомер данного типа будет иметь очень низкое характеристическое отношение.
p
f
На Фиг.3 показана диаграмма эффекта разделения в зависимости от частоты для очень низких рабочих частот до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме. Диаграмма показывает эффект разделения в зависимости от частоты в пределах амплитуд колебаний. Расходомер, работающий на частоте, меньшей чем приблизительно 5-10 Гц, будет функционировать желаемым образом потому, что разделительное отношение останется приблизительно 1:1, то есть разделение почти не произойдет. Для очень низкой частоты вибрации 5 Гц или меньше, можно видеть, что величина разделения в отклике (A/A) останется в самой темной области по левой оси диаграммы, в пределах разделительного отношения 1:1, как указано масштабной шкалой по правой стороне диаграммы. Можно также видеть, что эффект разделения уменьшается для больших амплитуд колебаний. В результате вовлеченные газовые пузыри переместятся с протекающим флюидом, не приводя к ошибкам в измерениях массового расхода или измерениях плотности смеси. Эффекты скорости звука также будет незначительны для такой низкой частоты, поскольку эффекты SOS/сжимаемости обычно не становятся заметными, пока частота вибрации не превышает приблизительно 200 Гц.
На Фиг.4 показана соответствующая диаграмма фазового угла (φ) разделения в зависимости от частоты для очень низкой рабочей частоты до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме. Из этого диаграмма можно видеть, что фазовый угол (φ) разделения остается малым, когда частота колебаний не превышает 5 Гц.
p
f
p
f
Независимо от амплитуды колебания флюида, размера частиц, плотности флюида, плотности частиц и вязкости флюида, относительное движение частиц и флюида не существует для очень низкой частоты колебаний. Амплитудное отношение (то есть разделительное отношение (A/A)) приближается к отношению 1:1 и фазовый угол (φ) разделения приближается к нулю. Поэтому нет необходимости в расчете разделительного отношения (A/A) или фазового угла (φ) разделения. Кроме того, результат не зависит от обрабатываемого флюида и устройства трубки. Измеритель производит точные и надежные измерения, поскольку нет относительного движения между многофазными компонентами. Это справедливо для шламов, флюидов с пузырями, эмульсий или любого другого композитного флюида с составляющими с различающимися плотностями.
Вибрационный расходомер, такой как описан выше, мог бы также возбуждаться на его второй, третьей или четвертой изгибной модах, без ограничения. Как рассмотрено выше, разделение ухудшается с увеличением частоты. Поэтому все более отрицательная ошибка будет появляться в измерениях плотности и массового расхода, если рабочая частота будет увеличиваться. Следовательно, вибрационный расходомер может работать вне резонанса.
Этот факт может быть полезным для диагностики. Измеритель может быть сконфигурирован для определения того, влияют ли на измерения эффекты SOS или разделения и на каких частотах эффекты становятся незначительными. Например, расходомер может возбуждаться одновременно на резонансных и нерезонансных частотах 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 Гц. Для данного протекающего флюида, измерения на 10, 20, и 30 Гц могут все быть эквивалентными, указывая, что эффекты SOS/разделения не влияют на измерения ниже приблизительно 40 Гц. Если больше газа вовлечено или увеличиваются размеры пузырей, то может быть, что только измерения на 10 и 20 Гц являются эквивалентными, означая, что разделение хуже, чем в приведенном выше примере, и требуется измерение на более низкой частоте. Эта диагностическая возможность может быть использована для определения наличия множественных фаз или может быть использована, чтобы дать пользователю информацию о точности измерений на каждой частоте.
Изначальное применение вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации может быть для измерения сверху по течению (предсепаратор) нефти и природного газа. Такой многофазный измеритель устранил бы потребность в сепараторе, чрезвычайно дорогом устройстве. Вибрационный расходомер, который работает с точностью +/-5% в этом трудном применении, был бы очень желателен для нефтяных и газовых компаний, для которых необходимо измерение сырой продукции каждой нефтяной скважины. Другое применение возможно при смешивании и/или дозировке цемента, когда цемент содержит частицы грунта и вовлеченный газ, что составляет три фазы в смеси. Без относительного движения всех имеющихся фаз на низкой частоте измеритель может работать так, как если бы была одна гомогенная фаза, и давать правильные измерения массового расхода смеси и плотности, независимо от числа компонентов или фаз.
Хотя возможно возбудить измеритель вне резонанса на низкой или высокой частоте, реализуемость вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации, возбуждаемого в резонансе, может в некотором отношении зависеть от того, какой длины трубки должны быть, чтобы достигнуть желаемой очень низкой частоты. Как пример, для Кориолисова расходомера модели Micro Motion E200, который обычно вибрирует на частоте 70Гц для измерения воды, трубки вытягиваются приблизительно на 18 дюймов за стягивающую скобу. В качестве оценки, рассмотрим уравнение для частоты фиксированной свободной консольной балки:
где E - модуль упругости, I - момент инерции для сечения, m - масса на единицу длины и l - длина. Для частоты (f) в семьдесят Гц и длины (L) восемнадцать дюймов, константа пропорциональности может быть найдена для (EI/m) компоненты. Как пример, трубка должна быть приблизительно шестьдесят семь дюймов длиной для расходомера Кориолиса модели Micro Motion E200, чтобы достигнуть вибрационной частоты в пять Гц, без изменения значений E, I или m.
Другой подход заключается в комбинации предварительно рассмотренных факторов. Например, одно решение могло бы заключаться в том, чтобы несколько удлинить трубки, несколько уменьшить толщину стенки, добавить небольшую массу около привода или измерительных датчиков и/или работать выше или ниже резонанса. Другой эффективный способ понижения частоты мог бы заключаться в том, чтобы допустить изгиб трубок в линию с магистралью перед стягивающими скобами или даже устранить стягивающие скобы. Это значительно уменьшило бы жесткость возбуждаемой моды из-за дополнительной торсионной компоненты (см. Фиг.5).
Вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для специального применения. Поэтому вибрационный расходомер 5 может иметь очень низкую рабочую частоту, которая достигает заданной очень низкой частоты колебаний и колебательного отклика с очень низкой частотой и очень большой амплитуды колебательного отклика.
Вибрационная частота может быть определена различным образом. Вибрационная частота может быть определена как частотный порог или предел. Вибрационная частота может быть определена как находящаяся ниже заданного порога разделения или предела. Вибрационная частота может быть определена как находящаяся ниже заданного порога или предела SOS/сжимаемости. Вибрационная частота может быть определена как соответствие заданному порогу обратного Стоксова числа или пределу (рассматривается ниже). Например, заданный порог обратного Стоксова числа может быть выбран так, чтобы по существу устранить ошибки из-за многофазности потока.
p
f
Массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры требуют, чтобы протекающий флюид перемещался с трубками 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 (то есть инородного материала) (A) и амплитуды трубки (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 (4) определяются как:
Предполагается, что движение протекающего флюида согласуется с движением трубки. Движение пузыря или частицы рассчитывается следующим образом:
Вышеприведенные уравнения могут быть использованы, чтобы определить движение частицы в колеблющейся окружающей среде вибрационного расходомера в пределах точности приблизительно плюс или минус десять процентов для вибрационной амплитуды и разности фаз в большинстве ситуаций.
f
f
p
f
f
f
p
f
Шесть исходных величин необходимы для разрешения вышеупомянутых уравнений для движения пузыря: частота (f) колебательного отклика, амплитуда (A) колебательного 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) колебательного отклика и амплитуда (A) колебательного отклика могут быть определены из колебательного отклика одного или нескольких трубок (103A, 103B), например, из сигнала колебательного отклика, произведенного измерительными датчиками (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.
На Фиг.5 показана диаграмма разделительного отношения в зависимости от отношения плотностей для вибрационного расходомера 5 с очень низкой или очень высокой частотой вибрации в соответствии с изобретением. Диаграммы дополнительно включает в себя результаты для различных обратных Стоксовых чисел (δ). Обратное Стоксово число (δ) может использоваться, чтобы более кратко характеризовать условия для того, чтобы избежать связанного с частотой разделения и эффектов SOS/сжимаемости.
p
f
Диаграмма показывает пять различных обратных Стоксовых чисел (δ) и получающиеся разделительные отношения. Из диаграммы можно видеть, что вовлеченный газ и вовлеченные твердые вещества реагируют противоположным образом в отношении разделения, причем вовлеченные газы демонстрируют большее движение, чем объемный флюид и твердые частицы, демонстрирующие меньшее движение. Независимо от этого, идеальная ситуация заключается в том, что все фазы внутри трубки перемещаются с точно той же самой амплитудой и фазой (то есть когда A/A=1). Можно также видеть, что когда размер газового пузыря увеличивается, количество разделения увеличивается. Разделение твердых частиц также отходит от идеального случая движения 1:1, когда размер твердых частиц увеличивается.
Обратное Стоксово число (δ) определяется как:
Обратное Стоксово число (δ) учитывает кинематическую вязкость (η) протекающего флюида, частоту (ω) колебаний в радианах 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 или нижнего предела частоты колебаний, чем это возможно только через задание частоты.
p
f
Увеличение обратного Стоксова числа (δ) сдвигает разделительное отношение (A/A) ближе к единице, указывая снижение относительного движения. 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). Если обратное Стоксово число (δ) очень мало, результат приближается к невязкому случаю 3:1 для разделительного отношения, тогда как если этот 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 поддающиеся контролю, условий процесса.
Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации с очень низкой частотой колебаний содержит число выше чем приблизительно 3,5. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации с очень низкой частотой колебаний содержит число выше чем приблизительно 1,0. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации с очень низкой частотой колебаний содержит число выше чем приблизительно 0,5.
Для работы вибрационного расходомера на высокой частоте колебаний относительно эффектов разделения обратное Стоксово число (δ) может быть использовано, чтобы определить, достаточна ли высока очень высокая частота колебаний. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации с очень высокой частотой колебаний содержит число ниже чем приблизительно 0,1. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации с очень высокой частотой колебаний содержит число ниже чем приблизительно 0,01.
В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с очень низкой частотой колебательного отклика, приблизительно до 5Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с очень низкой частотой колебательного отклика приблизительно до 10 Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с очень низкой частотой колебательного отклика приблизительно до 20Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с очень низкой частотой колебательного отклика, приблизительно до 30Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с очень низкой частотой колебательного отклика приблизительно до 40 Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с очень низкой частотой колебательного отклика приблизительно до 49 Гц. Желаемые частоты изгибной моды могут быть достигнуты посредством особенностей конструкции измерителя или альтернативно посредством нерезонансных колебаний на заданной частоте.
В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с амплитудой колебательного отклика выше чем приблизительно 1 мм. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с амплитудой колебательного отклика выше чем приблизительно 2 мм. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с амплитудой колебательного отклика выше чем приблизительно 5 мм. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 может быть сконструирован, чтобы работать с амплитудой колебательного отклика выше чем приблизительно 10 мм.
На Фиг.6 показан участок вибрационного расходомера 5 с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением. Этот чертеж показывает, что расходомер 5 использует большое характеристическое отношение высоты к длине (H/L) в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения. Большое характеристическое отношение высоты к длине (H/L) понижает жесткость расходомера и рабочую частоту расходомера.
Кроме того, чертеж показывает изменение положений колебательных узлов. Пунктирные линии на чертеже показывают типичные стягивающие скобы 120 и 120'. Стягивающие скобы обычно используются, чтобы зафиксировать изгибные узлы и установить изгибную ось. Стягивающие скобы фиксируют трубки относительно друг друга, если используются две трубки, и формируют изгибный колебательный узел. Стягивающие скобы 120 и 120' устанавливают изгибную ось W--W, и только участки трубки выше изгибной оси W--W могут колебаться. Изгибная ось W--W ограничивает частоту колебаний и обычно поддерживает частоту как высокую.
Чтобы изменить рабочую частоту, местоположение изгибной оси может быть смещено. Следовательно, рабочая частота может быть понижена соответствующим местоположением изгибной оси, например, соответственным расположением колебательных узлов. В некоторых вариантах реализации это может быть достигнуто перемещением стягивающих скоб, как показано на примере стягивающих скоб 122 и 122' на чертеже. Стягивающие скобы 122 и 122' устанавливают изгибную ось W"--W". В других вариантах реализации это может быть достигнуто полным устранением всех стягивающих скоб. В таких вариантах реализации изгибная ось может быть задана фланцами 101 и 101' или может быть достигнута посредством манифольдов 102 и 102'. Следует отметить, что имеется только два возможных способа для понижения частоты посредством модификации геометрии трубки. Другие способы рассматривались и содержатся в рамках описания и приложенных формул.
Следствием многофазности протекающего флюида является то, что точные измерения флюида затрудняются при таких условиях многофазности. Эффекты многофазности могут присутствовать даже при наличии от умеренных до средних режимах 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 плотности или вязкости.
В многофазном потоке вибрация трубки необязательно 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 колебательный 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 трубки. 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 колебательный отклик расходомера. Это также справедливо для твердых частиц, 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 факт разделения 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 необязательно 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 вибрирующей трубке ускорение вибрирующей трубки заставляет пузыри перемещаться. Ускорение трубки определяется частотой и амплитудой колебаний. В случае вовлеченного газа пузыри ускоряются в том же самом направлении, что и ускорение трубки. Пузыри перемещаются быстрее и дальше, чем трубка. Более быстрое движение пузыря (и образующееся смещение флюида) заставляет некоторое количество флюида перемещаться медленнее, чем трубка, вызывая истинное смещение центра гравитационного притяжения смеси флюида от центра вибрирующей трубки. Это составляет основу проблемы разделения. В результате параметры расхода и плотности оказываются заниженными (отрицательные ошибки определения расхода и плотности), когда присутствует вовлеченный воздух.
Шламы представляют собой подобную же проблему. В случае шламов, однако, твердые частицы часто тяжелее жидкого компонента. При ускорении вибрирующей трубки более тяжелые частицы перемещаются меньше, чем жидкость. Но потому что тяжелые частицы перемещаются меньше, центр гравитационного притяжения флюидной смеси еще перемещается несколько назад от центра трубки. Это снова приводит к отрицательным ошибкам определения расхода и плотности.
В случаях газ-жидкость твердое вещество-жидкость и жидкость-жидкость, отличающееся движение вовлеченной фазы, вызвано различием в плотности вовлеченной фазы и жидкого компонента. 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 густоты флюида. Вязкость может рассматриваться как мера внутреннего трения флюида. Все реальные флюиды имеют некоторое сопротивление напряжению, 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 необязательно 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 плотности двух фаз.
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 трубки могут увеличить размер пузыря, сжимая их посредством центробежной силы.
В результате точной конструкции измерителя вибрационный расходомер 5 может работать на очень низких частотах или на очень высоких частотах. Работа на очень низкой частоте приводит к газовому разделению или разделению твердых веществ, поддерживаемому с разделительным отношением приблизительно 1:1, когда инородный материал в многофазном протекающем флюиде перемещается по существу с протекающим флюидом. Кроме того, работа на очень низкой частоте дает параметры потока, подобные для потока, в котором вязкость очень велика.
Это справедливо независимо от того, содержит ли инородный материал газовые, жидкие или твердые компоненты. Это справедливо независимо от того, имеет ли инородный материал умеренно отличающуюся плотность относительно протекающего флюида или же инородный материал имеет сильно отличающуюся плотность. Как следствие, вовлеченный инородный материал по существу не будет влиять на измерения, выполненные вибрационным расходомером 5, и вибрационный расходомер 5 будет давать удовлетворительно точные и надежные измерения. Кроме того, вибрационный расходомер 5 будет по существу не восприимчив 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. Кроме того, при работе вибрационного расходомера 5 на очень низкой частоте эффекты сжимаемости не проявляются, поскольку поперечные акустические моды реализуются на намного более высоких частотах.
p
f
Работа на очень высокой частоте приведет к разделительному отношению для газа, поддерживаемому приблизительно как 3:1. Работа на очень высокой частоте приведет к разделительному отношению для твердых веществ, поддерживаемому приблизительно как 3/(1+(2·ρ/ρ)). Кроме того, работа на очень высокой частоте приведет к параметрам потока, подобным для потока, в котором вязкость эффективно нулевая.
Электронное измерительное устройство 20 производит возбуждающий сигнал для привода 104 и может быть сконфигурирован так, чтобы возбуждать/заставлять колебаться сборку 10 расходомера на очень низкой частоте или на очень высокой частоте. Как и в обычной практике применения вибрационных расходомеров, электронное измерительное устройство 20 при этом производит возбуждающий сигнал заданной частоты и амплитуды, причем заданная частота и амплитуда могут управляться и модифицироваться посредством сигнала обратной связи, снимаемого от измерительных датчиков. Например, возбуждающий сигнал может управляться в соответствии с обратной связью, чтобы достигнуть резонансной (то есть собственной) частоты колебательного отклика, измеряемого измерительными датчиками 105 и 105'.
Электронное измерительное устройство 20 может быть сконфигурировано так, чтобы создавать очень низкую частоту или очень высокую частоту различным образом. Электронное измерительное устройство 20 может быть сконфигурировано в процессе изготовления, например, соответственно программируя устройство памяти электронного измерителя 20. Альтернативно электронное измерительное устройство 20 может быть сконфигурировано с данной частотой во время процесса калибровки, например, когда программирование данной частоты в некоторых вариантах реализации может зависеть от измеренной или определенной жесткости измерителя, как это задается процессом калибровки. В другой альтернативе частота может быть получена или определена во время операции запуска измерителя. Например, частота может быть основана на предварительно сохраненных или введенных пользователем значениях. Это может включать в себя, например, частоту, которая основана на предварительно сохраненной или введенной пользователем информации относительно характера многофазного протекающего флюида.
Разделение ухудшается с увеличением частоты до максимального разделительного отношения приблизительно 3:1 для газов, когда газ в случае худшего сценария переместится на расстояние в три раза большее, чем проходит жидкая компонента при вибрации. Жидкая компонента перемещается прежде всего с трубкой. Для твердой частицы худший случай означает разделительное отношение приблизительно 0:1, когда твердая частица по существу неподвижна при колебании трубки. Это происходит, когда частота высокая и плотность частицы велика.
Разделение, вообще говоря, есть сложная функция многих исходных параметров, что делает очень трудным его компенсацию при измерениях расходомера. Однако было установлено, что эффект разделения незначителен для маленьких газовых пузырей. Аналогично, когда протекающий флюид имеет большую вязкость, разделение возможно не произойдет или может произойти только при очень высоких частотах колебаний. Кроме того, в сценарии с вовлеченным газом, если инородный материал хорошо перемешан с протекающим флюидом, уменьшение размера пузыря и/или равномерное распределение газа может уменьшить разделение или эффективно устранить его в некоторых случаях. Также, высокая вязкость протекающего флюида уменьшает или устраняет разделение и увеличивает точность измерения. Однако параметры протекающего флюида могут быть фактически зафиксированы и размер пузырей и вязкость в этом случае приходится принимать такими, как они есть.
Вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации может быть сконструирован так, чтобы быть по существу невосприимчивым к эффектам многофазности, включая и эффекты SOS/сжимаемости и эффекты разделения. Конечно, если объем вовлеченного инородного материала становится достаточно большим, то даже вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации может не справиться с некоторыми эффектами, но расходомер с очень низкой частотой вибрации все же и в этом случае будет иметь намного большую точность и надежность, чем вибрационные расходомеры со средней или высокой частотой вибрации в технике предшествующего уровня.
На Фиг.7 показана простая свободная от связей схема, которая иллюстрирует источник ошибок при многофазном потоке в вибрационных расходомерах. Рассмотрим две порции флюида равной плотности и размера, обменивающимися местами вследствие турбулентности, вызванной перемешиванием флюида во время колебания трубок, как показано на левой стороне чертежа.
Поскольку плотности флюидных частиц равны в сценарии единственной фазы для левого трубки, изменения в местоположении центра гравитационного притяжения (CG) не происходит, и собственная частота системы не изменяется. Однако в многофазных смесях, как показано в правой трубке чертежа, две флюидные порции или частицы, которые обмениваются местами при колебаниях, имеют различные плотности, что приводит к изменению местоположения CG для трубы. Например, если пузырь перемещается далее чем труба при каждом колебании, то некоторое количество флюида должно переместиться в противоположном направлении, чтобы заполнить пустоту, оставленную пузырем. Это должно иметь место, если предполагаются постоянные размер и масса пузыря и несжимаемая жидкая фаза.
Если плотность частиц отличается от плотности флюида, то дополнительные силы, такие как добавленная масса и гидродинамические силы, вызывают движение частиц относительно флюида при каждом колебании. Эти силы действуют в том же направлении на каждую частицу, вызывая неслучайные смещения, которые скоординированы при каждом цикле колебания. Следовательно, изменение в местоположении CG трубы происходит в соответствии с частотой привода.
p
p
f
f
На Фиг.8 показано движение относительно легкой частицы радиуса а внутри трубы вибрационного расходомера, заполненного более плотным протекающим флюидом. Частица проходит полное расстояние A относительно неподвижной инерциальной рамки, с каждой четвертью колебания трубы от средней линии до максимума. Это относительное движение определяется как A-A, поскольку труба продвигается вперед на A в течение каждой четверти колебания.
Когда пузырь перемещается слишком далеко вперед во флюиде во время колебания, некоторое количество флюида должно заполнить освобожденный объем. Это приводит к изменению местоположения CG. Изменение местоположения CG может быть рассчитано с помощью параметров измерителя и флюида, чтобы определить, например, ожидаемую ошибку измерения плотности для вибрационного расходомера с многофазным потоком. Та же самая операция может быть проделана для массового расхода, хотя в этом случае должно быть учтено разделение, как функция длины по трубке. Некоторые предположения делаются при следующем выводе ошибки определения плотности вследствие разделения. Движение частицы в колеблющейся флюидной среде вполне определяется амплитудным отношением и фазовым углом, однако возможно только вывести аналитическое выражение для ошибки определения плотности вследствие разделения в расходомере, используя подход CG, когда фазовый угол между частицей и флюидом предполагается как нулевой. Предположение о нулевом фазовом угле хорошо выполняется для случая бесконечно вязкого флюида или невязкого флюида, например, когда трубка колеблется на очень низкой, или очень высокой частоте, соответственно. Для других сценариев фазовый угол обычно оказывается меньше чем двадцать градусов и можно рассчитывать на хорошее первое приближение ошибки плотности для диапазона измерителя и найденных для вибрационного расходомера параметров флюида. Также предполагаются постоянные объем трубы, размер частицы и масса частицы во время колебаний. Эти предположения хорошо выполняются для любого инородного материала типа включения, независимо от плотности включения.
На Фиг.9 показано полное относительное движение между частицей и флюидом на отдельной четверти колебания трубки, включая изменение местоположения CG. Перемещение CG вследствие разделенного движения частиц в колеблющейся трубке может быть рассчитано. Перемещение CG вызывает ошибку измерения, которая зависит от плотностей компонентов и того, в какой степени частицы разделяются. Траектория движения частицы относительно флюида очерчивает трехмерный цилиндр с полусферами радиуса а на обоих концах.
Полный объем частицы и флюида, находящийся под влиянием движения частицы относительно флюида на четверти колебания, определяется следующим образом.
Перемещенный объем жидкости = (A<sub>p</sub>-A<sub>f</sub>) (πa<sup>2</sup>)
(12)
Перемещенный объем частицы = 4/3πa<sup>3</sup>
(13)
Вышеупомянутые выражения умножаются на соответствующие плотности, чтобы найти массу каждого перемещаемого компонента. Формулировка в виде массы допускает произвольный флюид и плотности частицы.
Перемещенная масса жидкости = ρ<sub>f</sub> (A<sub>p</sub>-A<sub>f</sub>) (πa<sup>2</sup>)
(14)
Перемещенная масса частицы = ρ<sub>р</sub> 4/3 πa<sup>3</sup>
(15)
С использованием Фиг.9 рассчитывается местоположение CG каждой частицы и жидких компонентов до и после колебания.
1
Фиг.10 предоставляет местоположения CG частиц и жидких компонентов, обозначенные от пунктирной линии на Фиг.9 для CG каждого компонента, помеченного от (1) до (4). Следует отметить отрицательный знак, включенный в расчет первой массы m (1). Это требуется потому, что эта масса должна быть вычтена из флюидного цилиндра (2), который является цилиндром, заполненным флюидом.
Полная масса движущегося композита определяется как:
Значение CG перемещенного флюида, до того как частицы перемещаются от ноля до максимума, определяется следующим образом:
Значение CG перемещенного флюида, после того как частицы перемещаются от ноля до максимума, определяется следующим образом:
Полное расстояние перемещения CG в относительной системе отсчета может быть найдено вычитанием уравнения (17) из уравнения (18).
Выражение может быть упрощено, чтобы более ясно показать важные параметры.
f
p
p
f
f
p
f
p
f
p
Если отношение плотностей равно точно единице (ρ/ρ=1), как в случае однофазного флюида, то может не быть изменения местоположения CG. Если пузыри пренебрежимо малы, то A=A, и не может быть изменения местоположения CG. В пределе малого отношения плотностей (ρ/ρ<<1), как в случае тяжелых твердых частиц во флюиде с незначительной плотностью, изменение в местоположении CG снижается до -A, поскольку A приближается к нулю, как требуется моделью. В этом случае, частица настолько тяжела, что она остается неподвижной в инерциальной системе отсчета, тогда как флюид перемещается вокруг него. Наконец, для случая невесомой частицы в жидкости отношение плотностей приближается к бесконечности (ρ/ρ→∞) и изменение местоположения CG зависит только от размера частицы, ΔQ=-4a/3.
Композитная масса М, определенная уравнением (16), испытывает изменение в CGE (ΔQ), определяемое уравнением (19) при каждом колебании. Это знание перемещения CG не приводит сразу же к выражению для ошибки измерения плотности. Вместо этого фиктивная масса, которая стационарна в инерциальной системе отсчета в течение каждого колебания трубки, определяется так, чтобы произвести то же самое полное перемещение CG. В этом случае можно предположить, что эта неподвижная масса флюида отсутствует из измерения плотности, поскольку его движение полностью отделено от перемещения трубы. В результате собственная частота системы увеличивается и в случае вибрационного денситометра образуется отрицательная ошибка плотности.
f
f
f
Для стационарного наблюдателя в инерциальной системе отсчета однофазный флюид массы (m) в трубе вибрационного расходомера имеет импульс (p), определяемый массой флюида, умноженной на синусоидальную скорость трубы, давая (p=mAωcos(ωt)). Для наблюдателя, двигающегося вместе с трубой, однофазный флюид не имеет импульса, поскольку скорость CG жидкости в точности равна нулю (ΔQ=0). Однако, когда присутствуют множественные фазы, можно показать, что перемещение CG смеси отлично от нуля относительно системы отсчета, перемещающейся с трубой (ΔQ≠0). Это приводит к отличному от нуля импульсу в относительной системе отсчета. Может быть продемонстрировано, что этот импульс, вызванный разделением, приводит к ошибкам измерения плотности.
Импульс, произведенный известной массой и перемещением CG (М, ΔQ), вначале рассчитывается из известного перемещения частицы. Фиктивная неподвижная масса находится затем, которая производит тот же самый результирующий импульс на каждом колебании. Импульс для композитной массы представляет собой просто полную массу, перемноженную на скорость CG композита. Для случая разделенных флюида и частицы CG массы М перемещается на величину ΔQ на каждую четверть колебания. Поскольку перемещение предполагается синусоидальным с угловой частотой (ω) и нулевой фазой, импульс (p) может быть определен в виде гармонического смещения CG.
На Фиг.9 отображена одна возможная конфигурация перемещающихся масс по расстояниям, которые дают импульс, определяемый уравнением (21). Однако имеется бесконечное количество других возможных конфигураций некоторых масс, перемещающихся на некоторые расстояния, которые могут создать тот же самый результирующий импульс в относительной системе отсчета. Желательна конфигурация, которая производит эквивалентный импульс и которая составлена из массы, остающейся неподвижной в инерциальной системе отсчета. Эта масса не измеряется вибрационным расходомером, поскольку она полностью отделена от перемещения трубы.
f
f
f
f
Уравнение (22) определяет полную эффективную массу флюида (М'), которая должна быть неподвижной в инерциальной системе отсчета, чтобы произвести эквивалентный импульс, задаваемый уравнением (21). Выражение с (-A) появляется потому, что эффективная неподвижная масса необходима для инерциальной системы координат. Приведенные выше расчеты CG были представлены для относительной системы отсчета с координатой (q). Однако значение (q) необходимо там, где CG массы неподвижен в инерциальной системе отсчета. Поскольку (x=q+A), для неподвижной массы найдено, что (x=0) и (q=-A). Это описывает тот факт, что масса, перемещающаяся на расстояние (-A) в (q) системе координат, является фактически неподвижной относительно инерциальной системы координат. Предположение эквивалентного импульса требует, чтобы неподвижная масса (М') была определена следующим образом.
f
f
f
p
f
Уравнение (24) дает эффективную неподвижную массу вследствие перемещения отдельной частицы определенного радиуса, с соответствующим разделительным отношением и плотностью. Масса зависит от объема частицы, различия плотности и степени разделенного перемещения. Для более общего случая различных размеров и плотностей частиц выражение для неподвижной массы требует суммирования по каждой частице в трубке. Предполагается, что амплитуда смещения каждой частицы может быть различной в зависимости от размера частицы и плотности частицы. Плотность флюида и амплитуда смещения флюида, однако, предполагаются постоянными для каждой частицы. Таким образом, ρ и A не нуждаются в индексировании при последующем суммировании, тогда как любые величины, относящиеся к частице, в этом нуждаются. Рассмотрим смесь, состоящую из пузыря и твердой частицы, взвешенную в заполненной водой трубе, которая колеблется с амплитудой A. Разделительное отношение (A/A) больше единицы для пузыря и меньше единицы для твердой частицы, и таким образом М' будет состоять из двух отдельных членов, отображающих эффективную потерю в массе от отдельного разделенного перемещения каждой частицы. Предполагая, что имеется N частиц, каждая из которых имеет соответствующую плотность, радиус и амплитудный отклик, полная эффективная масса разделенного флюида М' дается уравнением:
p
p
Если предполагаются постоянные плотность и размер частицы, то эквивалентное перемещение ожидается для каждой частицы и индексация более не необходима для a, ρ или A. Это позволяет исключить суммирование в уравнении (25), давая:
Ясно, что N, умноженное на объем каждой частицы, является просто полным объемом частиц внутри трубки. Уравнение (26) теперь делится на полный объем трубы, который является суммой объемов частиц и флюида, давая:
Деление на известный объем дает величину плотности, из которой ранее было получено значение массы. Определение объемной доли частиц α представляет собой просто деление объема частиц на полный объем. Таким образом, эффективная, не дающая вклада часть плотности определяется как объемная доля частиц α, а именно:
Фактическая плотность смеси и разделенная плотность определяются как объемная доля дисперсной фазы α, а именно:
Необходимо вспомнить, что фактическая плотность многофазного флюида в вибрационном расходомере, задаваемая уравнением (29), представляет собой плотность смеси, а не плотность жидкости. Уравнение (30) отображает плотность, которая была бы измерена вибрационным расходомером вследствие разделенного перемещения частиц. Ошибка по сравнению с истинной плотностью смеси вследствие разделения может быть найдена вычитанием уравнения (29) из уравнения (30), что дает:
Альтернативно ошибка плотности может быть выражена в виде процентов, что позволяет лучшее сравнение сильно различающихся флюидных плотностей.
f
р
p
f
Здесь слагаемое (ρ) представляет собой плотность протекающего флюида, слагаемое (ρ) - плотность вовлеченных частиц, слагаемое (A/A) - разделительное отношение и (α) - объемная доля частиц (то есть размер частиц или распределение размеров частиц). Для проверки этих результатов рассмотрим крайние случаи пузыря в невязком флюиде или бесконечно вязкий флюид, для которых разделительные отношения явно известны. Здесь предполагается нулевая плотность частиц, хотя для бесконечно вязкого случая это не необходимо, поскольку разделение полностью исключено для частиц любой плотности. Для невязкого флюида и невесомых частиц разделительное отношение составляет точно три (то есть 3:1) и для бесконечно вязкого флюида разделительное отношение составляет точно единицу. Для каждого из этих условий уравнение (30) сокращается до следующего:
Эти результаты эквивалентны таковым, найденным в предшествующих работах, например, Hemp and Yeung (2003). При максимальной пренебрежимо малой плотности, в два раза большей плотности пустот, плотность флюида находится для случая пузыря в невязкой жидкости, тогда как не предсказывается незначительная плотность для пузыря в бесконечно вязкой жидкости. Поэтому, если смесь с 1%-ной долей газовых пустот присутствует, ошибка плотности ожидается находящейся между 0 и -2%, в зависимости от вязкости, размера пузыря, частоты измерителя и других параметров. Следует отметить, что это эмпирическое правило действительно только для частиц с незначительной массой. Например, если масса частицы больше жидкости, величина ошибки плотности может фактически быть больше, чем удвоенная объемная доля частиц.
f
p
В соответствии с уравнением (31) измеренная плотность флюида с пузырями будет ошибочно низкой, поскольку разделительное отношение больше единицы. Это интуитивно ясно, поскольку пузыри перемещаются дальше через флюид при каждом колебании, заставляя флюид переместиться назад, чтобы заполнить освобождаемый объем. Результатом этого оказывается кажущаяся плотность, которая меньше, чем истинная плотность смеси. Ошибка оказывается все более и более отрицательной для больших пузырей, как это и ожидается, поскольку большие пузыри отделяются дальше и увеличивают значение незадействованной массы. Для случая плотной твердой частицы в жидкости разделительное отношение меньше единицы и разность плотностей, ρ-ρ, отрицательна, приводя к тому, что последний член в уравнении (30) оказывается отрицательным, подобно случаю для пузырей. Это ожидаемо, поскольку твердая частица не перемещается так, как флюид, и также имеется обратный сдвиг CG трубы, причем тяжелый компонент перемещается в среднем меньше, чем сама труба.
3
3
На Фиг.11 показана диаграмма зависимости ошибки плотности при разделении от плотности частицы. Флюид представляет собой воду с вязкостью 1 сП, плотностью 998 кг/м и частотой и амплитудой колебаний 100 Гц и 0,37 мм (0,015 дюйма) соответственно. Как можно видеть из диаграммы, ошибка плотности вследствие разделения всегда отрицательна, независимо от плотности частицы (кроме случая, когда нет разделения, когда ошибка плотности оказывается нулевой). Разделение не происходит, когда частица имеет ту же плотность, что и флюид, или когда вязкие силы настолько высоки, что никакого относительного движения не происходит. Диаграмма на Фиг.11 основана на уравнении (32) для ошибки плотности, выраженной в процентах, предполагая отсутствие фазового угла между частицей и флюидом. Ошибка плотности приближается к теоретическому максимуму -2α для невесомых пузырей, хотя она несколько ограничена эффектами вязкости. Если бы вязкость приближалась к нулевой, то ошибка плотности при плотности частицы 0 кг/м приближалась бы к ожидаемому значению -2%.
Было также исследовано влияние других параметров конструкции измерителя и свойств флюида на ошибку плотности при многофазном потоке. Предполагалось, что нет разности фаз между частицей и флюидом. Для ошибки плотности использовалось приближение, даваемое уравнением (32).
На Фиг.12 показана трехмерная диаграмма зависимости ошибки плотности для вязкости флюида от размера частицы. Ошибка плотности определяется прежде всего разделительным отношением, а не фазовым углом, как показано на чертеже. Как можно ожидать, ошибка плотности минимизируется для малых пузырей в высоковязких флюидах и растет с увеличением размеров пузыря и/или с уменьшением вязкости. Поскольку плотность частицы незначительна, результаты следуют эмпирическому правилу, которое утверждает, что ошибка плотности изменяется между нолем и минус удвоенной доли пустот, в зависимости от параметров, например размера пузыря и вязкости. Для больших частиц в низковязких флюидах может быть достигнут почти невязкий случай ошибки плотности на -2% для 1%-ной газовой объемной доли.
p
f
На Фиг.13 показана трехмерная диаграмма зависимости ошибки плотности для вязкости флюида от плотности частицы. Как можно ожидать, ошибки увеличиваются, если отношение плотностей флюида к частице отклоняется от однофазного отношения 1:1. Наиболее серьезные ошибки плотности получаются при газовых пузырях или очень плотных частицах в относительно невязких флюидах. Для случая частиц с большой плотностью следует отметить, что величина ошибки плотности может превысить в два раза объемную долю частицы. Если плотность частицы увеличивается, амплитудное отношение (A/A) становится малым, означая, что частица только немного перемещается с каждым колебанием с точки зрения лабораторного наблюдателя. Таким образом, все более и более тяжелая частица становится все более и более неподвижной, вызывая большое обратное перемещение CG трубки и соответствующую большую отрицательную ошибку плотности.
На Фиг.14 показана трехмерная диаграмма зависимости ошибки плотности для амплитуды трубки от частоты колебаний. Диаграмма дает ошибку плотности как функцию параметров конструкции измерителя. Ошибка плотности может быть минимизирована при использовании вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации. Дополнительно расходомер может вибрировать с очень малой амплитудой, наряду с очень низкой частотой. Например, при постоянной амплитуде трубы приблизительно 0,5 мм ошибка плотности на 0,35% выше для вибрационного расходомера, колеблющегося на частоте 400 Гц, чем для вибрационного расходомера, колеблющегося на частоте 100 Гц, и на 0,5% выше для измерителя с частотой 1000 Гц при той же самой амплитуде, ошибка плотности составляет только -0,4% для расходомера, колеблющегося на частоте 10 Гц, и ошибка фактически устраняется для частот, меньших 1 Гц.
Очень низкая 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 трубки смещается в единственном направлении. Высокая частота колебаний может содержать колебание сборки 10 расходомера на второй или более высокого порядка изгибных модах. При изгибных модах более высокого порядка на трубке имеются дополнительные узлы колебаний. Участки трубки 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.
p
f
На Фиг.15 показана диаграмма результатов моделирования полной ошибки плотности при моде с очень низкой частотой, среднечастотной моде и моде с очень высокой частотой расходомера Кориолиса. Можно видеть, что при очень маленьких размерах частицы любое разделение незначительно, например, когда разделительное отношение (A/A) составляет приблизительно единицу и ошибка плотности, соответственно, незначительна. В этом сценарии малой частицы доминируют эффекты скорости звука (SOS)/ сжимаемости. В результате моды средней и высокой частоты имеют положительные ошибки и низкочастотная мода не имеет большого количества ошибки вообще.
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 частицы увеличивается, наблюдаемая ошибка будет асимптотически стремиться к результатам 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 (32) может использоваться. Уравнение (32) не зависит от размера пузыря и вязкости протекающего флюида.
На Фиг.16 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 нескольких трубок 103A, 103B и геометрии расходомера 5, как рассмотрено ранее. Эффективной длиной в некоторых вариантах реализации можно управлять посредством геометрии трубки. Кроме того, частота привода может быть дополнительно изменена одной или несколькими балансными массами, которые могут быть в этом случае прикреплены к одной или нескольким трубкам 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.
Следует понимать, что альтернативно и вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации и вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации могут использоваться вместе, чтобы достигнуть рассматриваемых здесь результатов. Например, два расходомера могут измерять протекающий флюид на различных частотах, и получающиеся измерительные сигналы могут быть обработаны в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Обработка может быть выполнена в электронном измерительном устройстве или в расходомере или может быть выполнена в отдельном устройстве.
Следует понимать, что вибрационный расходомер 5, сконфигурированный как вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации или как вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации может работать на множественных частотах вибрации. Например, вибрационный расходомер может работать на множестве частот, чтобы произвести множество колебательных откликов, причем множество колебательных откликов сравнивается, чтобы определить приблизительное начало многофазных эффектов.
На Фиг.17 показана блок-схема 1700 последовательности операций способа для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида в соответствии с изобретением. На этапе 1701 вибрационный расходомер работает на одной или нескольких очень низких рабочих частотах и одной или нескольких очень высоких рабочих частотах. Вибрационный расходомер может работать по существу как последовательно вибрирующий на множественных частотах в некоторых вариантах реализации. Альтернативно вибрационный расходомер может работать по существу как одновременно вибрирующий на одной или нескольких очень низких частотах и на одной или нескольких очень высоких частотах.
Одна или несколько очень низких частот и одна или несколько очень высоких частот могут быть определены исходя из ожидаемого протекающего флюида, например. Альтернативно одна или несколько очень низких частот и одна или несколько очень высоких частот могут зависеть, по меньшей мере, некоторым образом и от других ограничений, например, давления флюида или доступного физического пространства для измерительного устройства, например. Другие ограничения также имеются ввиду в рамках описания и пунктов приложенной формулы.
Например, вовлеченный газ в ожидаемом протекающем флюиде может вызвать ошибки в измерении. В зависимости от размера пузыря и вязкости протекающего флюида, содержания газа или пузырей в протекающем флюиде, при данном вибрационном уровне могут возникнуть большие ошибки измерения, чем эквивалентные вовлеченные твердые вещества многофазного потока. Вовлеченные твердые вещества обычно не проявляют эффектов сжимаемости и имеют тенденцию разделяться в меньшей степени, чем пузыри. Следовательно, вовлеченный газ многофазного протекающего флюида может требовать более высокой частоты или частот, чем вовлеченные твердые вещества многофазного протекающего флюида, в зависимости от условий.
Ожидаемый поток жидкости может определять выбор частоты, исходя из размеров ожидаемых частиц или пузырей в потоке, или ожидаемого диапазона размеров. Например, вибрационный расходомер может быть предназначен в некоторых вариантах реализации, для выполнения надежных измерений флюида при двухфазном потоке, включающем в себя от малых до средних пузырей/частиц. Вибрационный расходомер может быть предназначен в некоторых вариантах реализации для надежных измерений вовлеченного газа для потоков с пузырями, но не закупоривающих потоков. Альтернативно при тщательной конструкции вибрационный расходомер может быть предназначен для точного и надежного измерения даже закупоривающих потоков. Кроме того, вибрационный расходомер может быть предназначен для точного и надежного измерения многофазных протекающих флюидов, включающих в себя и пузыри и твердые вещества, например, бетона или других цементных смесей, например.
Определение может дополнительно учитывать операционные ограничения вибрационного расходомера. Операционные ограничения могут включать в себя давление протекающего флюида. Операционные ограничения могут быть независимыми от вязкости протекающего флюида или могут включать его в себя. Операционные ограничения могут включать в себя тип или типы ожидаемого инородного материала. Операционные ограничения могут включать в себя размер или размеры ожидаемого инородного материала. Операционные ограничения могут включать в себя доступное физическое пространство для вибрационного расходомера.
На этапе 1702 принимаются один или несколько колебательных откликов с очень низкой частотой и один или несколько колебательных откликов с очень высокой частотой. Колебательные отклики принимаются в ответ на очень низкие и очень высокие частоты привода, используемые для вибрации сборки 10 расходомера.
mix
mix
f
p
f
f
p
mix
На этапе 1703 один или несколько параметров протекающего флюида определяются из одного или нескольких колебательных откликов с очень низкой частотой и одного или нескольких колебательных откликов с очень высокой частотой. Один или несколько параметров протекающего флюида могут включать в себя массовый расход (dm/dt) смеси и плотность (ρ) смеси, которые являются очень точными и не существенно затрагиваемыми эффектами многофазного потока. Один или несколько параметров протекающего флюида могут дополнительно включать в себя массовый расход (dm/dt) флюида и массовый расход (dm/dt) вовлеченных частиц/газа, которые являются точными и не существенно затрагиваемыми эффектами многофазного потока. Один или несколько параметров протекающего флюида могут дополнительно включать в себя компоненту плотности (ρ) флюида, которая является точной и не существенно затрагиваемой эффектами многофазного потока. Один или несколько параметров протекающего флюида могут дополнительно включать в себя долю флюида (ϕ), долю частиц (ϕ) и скорость звука (c) смеси. Другие дополнительные параметры протекающего флюида имеются ввиду в рамках описания и пунктах приложенной формулы.
p
f
p
f
p
f
Определение может включать в себя использование известного или предположенного значения для разделительного отношения (A/A). На очень низких частотах разделительное отношение (A/A), или для вовлеченного газа, или для вовлеченных твердых веществ, предположительно может быть приблизительно 1:1. На очень высоких частотах разделительное отношение для вовлеченного газа предположительно может быть приблизительно 3:1, тогда как разделительное отношение для вовлеченных твердых веществ предположительно может быть приблизительно равно 3/(1+(2·ρ/ρ).
На очень низких частотах вязкость протекающего флюида предположительно может быть приблизительно бесконечной. На очень высоких частотах вязкость протекающего флюида предположительно может быть приблизительно нулевой.
p
f
mix
mix
mix
В качестве примера несколько уравнений могут быть использованы для обработки получающихся колебательных откликов с очень высокой и очень низкой частотами. Нижеприведенное уравнение (35) может быть применено для любой частоты вибрации, высокой или низкой. На очень низких частотах, однако, разделительное отношение (A/A) будет единицей, как рассмотрено ранее. В результате выражение в правой части уравнения (35) оказывается эффективно нулевым и измеренная вибрационным расходомером плотность представляет собой фактическую плотность (ρ) смеси. В результате очень низкой частоты известно, что эта измеренная плотность (ρ) смеси точна и надежна. Кроме того, на очень низкой вибрационной частоте измеренный массовый расход (dm/dt) смеси, как также известно, является точным и надежным, как рассмотрено ранее.
Уравнение (35) может быть также применено для одной или нескольких очень высоких частот, как в примерах, показанных в уравнениях (45)-(46) ниже. В каждом случае разделительное отношение останется по существу постоянным и независимым от размера пузыря, например, на одной или более очень высоких частотах (хотя выражение для SOS увеличивается с увеличением частоты (ω)).
mix
mix
f
f
p
p
p
p
f
f
p
mix
1
2
В одном примере вибрационный расходомер используется, чтобы определить один или несколько параметров протекающего флюида для нефти из скважины, когда в нефти содержится газ. В случае худшего сценария, плотности и доли нефти и газа не известны или предполагаются, хотя давление и температура протекающего флюида обычно измеряются или известны. Вибрационный расходомер колеблется, используя, по меньшей мере, одну очень низкую частоту и, по меньшей мере, одну очень высокую частоту. Желаемые параметры протекающего флюида обычно включают в себя, по меньшей мере, массовый расход (dm/dt) смеси и плотность (ρ) смеси. Кроме того, (флюидный) нефтяной компонент массового расхода (dm/dt) и плотность (ρ), вероятно, будут желательны. Это может требовать определения нефтяной/жидкой доли многофазного потока. Массовый расход (dm/dt) и плотность (ρ) газового компонента (когда газовые пузыри представляют собой вовлеченные частицы (p)) могут быть желательны или нет. Плотность (ρ) газа (частицы/пузыря) может быть рассчитана из закона идеального газа P= ρRT. Однако плотность (ρ) флюида все же необходима. Дополнительные колебания, происходящие на очень высоких частотах, дадут дополнительные уравнения, позволяя определить эквивалентное число неизвестных. Поэтому, там где желательны выражения для (ϕ), (ϕ) и (c), необходимы два дополнительных очень высокочастотных колебания, которые предоставят результаты, показанные в уравнениях (45) и (46). Две очень высокие частоты (ω) и (ω) могут содержать любые подходящие частоты.
mix
f
p
Использование двух или больше версий уравнения (35), то есть производя результаты, показанные в уравнениях (45) и (46), позволяет исключить обычное SOS выражение (c). Получающиеся два уравнения могут быть решены, чтобы определить неизвестные (ϕ) и (ϕ). Затем дополнительные параметры протекающего флюида могут быть получены, используя уравнения (41)-(44). Другие уравнения имеются ввиду в рамках описания и пунктов приложенной формулы.