ВСТРОЕННЫЕ В ТРУБОПРОВОД ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ ВО ВСТРОЕННЫХ В ТРУБОПРОВОД ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ
MEASUREMENT DEVICES INBUILT INTO PIPELINE AND METHOD FOR COMPENSATION OF MEASUREMENT ERRORS IN MEASUREMENT DEVICES INBUILT IN PIPELINES

Изобретение относится к встроенному в трубопровод измерительному устройству, имеющему измерительный преобразователь вибрационного типа, в частности к кориолисову устройству, измеряющему массовый расход / плотность среды, особенно двух- или более фазной среды, протекающей в трубопроводе, а также к способу получения с помощью такого вибрационного измерительного преобразователя измеренного значения, представляющего физический параметр измеряемой среды, например массовый расход, плотность и/или вязкость. Кроме того, изобретение относится к способу компенсации погрешностей измерения, вызванных двухфазными или многофазными смесями, осуществляемой в таких встроенных в трубопровод измерительных устройствах.
В технологии измерений и автоматизации технологических процессов при измерении физических параметров среды, протекающей в трубопроводе, таких параметров, как, например, массовый расход, плотность и/или вязкость, используются такие встроенные в трубопровод измерительные устройства, особенно кориолисовы устройства, измеряющие массовый расход, которые вызывают реактивные силы в среде, такие как, например, кориолисовы силы, соответствующие массовому расходу, силы инерции, соответствующие плотности, или силы трения, соответствующие вязкости, и т.д., посредством измерительного преобразователя вибрационного типа - далее именуемого вибрационным измерительным преобразователем - вставленного в линию трубопровода, несущего среду, и пропускающего во время функционирования эту среду, и посредством соединенной с ним измерительной и управляющей схемы. На основе этих реактивных сил измерительные устройства затем вырабатывают сигнал измерения, представляющий конкретный массовый расход, конкретную вязкость и/или конкретную плотность среды. Встроенные в трубопровод измерительные устройства этого типа, использующие вибрационный измерительный преобразователь, а также их способ работы известны по своей сути специалистам в данной области техники и описаны подробно, например, в WO - А 03/095950, WO - А 03/095949, WO - А 03/076880, WO - A 02/37063, WO - A 01/33174, WO - A 00/57141, WO - A 99/39164, WO - A 98/07009, WO - A 95/16897, WO - A 88/03261, US 2003/0208325, US - B 6,745,135, US - В 6,691,583, US - В 6,651,513, US - В 6,636,815, US - В 6,513,393, US - В 6,505,519, US - В 6,311,136, US - А 6,006,609, US - A 5,869,770, US - A 5,796,011, US - A 5,616,868, US - A 5,602,346, US - A 5,602,345, US - A 5,531,126, US - A 5,301,557, US - A 5,253,533, US - A 5,218,873, US - A 5,069,074, US - A 4,876,898, US - A 4,733,569, US - A 4,660,421, US - A 4,524,610, US - A 4,491,025, US - A 4,187,721, EP - A 1291639, EP - A 1281938, EP - A 1001254 или ЕР - А 553939.
Для направления среды вибрационные измерительные преобразователи включают в себя, по меньшей мере, одну измерительную трубу с прямолинейным отрезком трубы, содержащимся, например, в поддерживающем каркасе трубчатой формы или в форме параллелепипеда. Для возникновения вышеупомянутых реактивных сил во время функционирования этот отрезок трубы заставляют вибрировать, возбуждая его посредством системы электромеханического возбудителя. Для регистрации вибраций отрезка трубы, в частности его входного и выходного концов, вибрационные измерительные преобразователи дополнительно включают в себя систему электрофизического датчика, реагирующую на перемещение этого отрезка трубы.
В случае кориолисовых устройств, измеряющих массовый расход, измерение массового расхода среды, протекающей в трубопроводе, основано, например, на наличии потока среды через измерительную трубу, вставленную в трубопровод, и совершение ею колебаний во время функционирования устройства, направленных поперечно к оси измерительной трубы, благодаря чему в этой среде возникают силы Кориолиса. Они, в свою очередь, воздействуют таким образом, что входная и выходная концевые области измерительной трубы колеблются со сдвигом по фазе относительно друг друга. Величина этого сдвига по фазе служит мерой массового расхода. С этой целью колебания измерительной трубы регистрируются посредством двух датчиков колебаний вышеупомянутой системы датчиков, разнесенных друг от друга вдоль длины измерительной трубы, и преобразуются в сигналы измерения колебаний, на основании сдвига фаз которых друг относительно друга получают массовый расход.
В уже упомянутом выше US - А 4,187,721 упоминается, кроме того, что посредством таких встроенных в трубопровод измерительных устройств и, более того, на основании частоты, по меньшей мере, одного из сигналов измерения колебаний, поданных из системы датчика, может также быть измерена мгновенная плотность текущей среды. Помимо этого, обычно соответствующим способом также непосредственно измеряется температура среды, например, посредством температурного датчика, расположенного в измерительной трубе. Кроме того, как известно, прямолинейные измерительные трубы при возбуждении крутильных колебаний вокруг оси крутильных колебаний, проходящей по существу параллельно, или совпадающей с продольной осью измерительной трубы, могут вызывать возникновение радиальных поперечных сил в среде при ее протекании через трубу, благодаря чему значительная энергия колебаний отводится из крутильных колебаний и рассеивается в среде. В результате этого происходит значительное демпфирование крутильных колебаний колеблющейся измерительной трубы, так, что для того, чтобы поддерживать крутильные колебания, должна дополнительно добавляться электрическая мощность возбуждения. На основе электрической мощности возбуждения, требующейся для того, чтобы поддерживать крутильные колебания измерительной трубы, вибрационный измерительный преобразователь может быть также использован для того, чтобы определять, по меньшей мере, приблизительно, вязкость среды; в этой связи можно также сравнить US - А 4,524,610, US - А 5,253,533, US - А 6,006,609 или US - В 6,651,513. Следовательно, можно принять, как минимум, в нижеследующем описании, что даже когда об этом прямо не заявляется, современные встроенные в трубопровод измерительные устройства, использующие вибрационный измерительный преобразователь, особенно кориолисовы устройства, измеряющие массовый расход, способны измерять, во всяком случае, также и плотность, вязкость и/или температуру среды, в частности, поскольку они всегда, так или иначе, необходимы при измерении массового расхода для компенсации погрешностей измерения, возникающих из-за флуктуирующей плотности и/или вязкости среды; в этой связи особо можно сравнить уже упомянутые US - В 6,513,393, US - А 6,006,609, US - А 5,602,346, WO - A 02/37063, WO - A 99/39164, или также WO - A 00/36379. Благодаря высокой точности и высокой переналаживаемости встроенные в трубопровод измерительные устройства с вибрационным измерительным преобразователем, особенно кориолисовы расходомеры, широко используется в промышленности для измерения массового расхода и плотности однофазных жидкостей или газов в таких устройствах.
Тем не менее, также известно, что точность таких устройств может значительно снижаться, если с обрабатываемой жидкостью смешена вторая фаза. При применении встроенных в трубопровод измерительных устройств, имеющих вибрационные измерительные чувствительные элементы, стало, однако, очевидным, как также описано, например, в JP - А 10 - 281846, WO - А 03/076880, ЕР - А 1 291 639, US - В 6,505,519 или US - А 4,524,610, что в случае таких неоднородных сред, особенно двух- или более фазных сред, сигналы измерения вибрации, полученные из колебаний измерительной трубы, особенно упомянутый сдвиг фаз, могут быть в значительной степени подвержены флуктуациям и, таким образом, в некоторых случаях, могут быть полностью непригодны для измерения требуемых физических параметров без использования дополнительных средств, и это несмотря на поддержание практически постоянными вязкости и плотности в отдельно взятых фазах среды, а также поддержание постоянным массового расхода и/или надлежащего их учета. Такие неоднородные среды могут быть, например, жидкостями, в которые, что, например, практически неизбежно в технологических процессах дозированного розлива или розлива в бутылки, попадает газ, особенно воздух, имеющийся в трубопроводе, или из которых дегазируется растворенная среда, например двуокись углерода, и приводит к пенообразованию. В качестве других примеров таких неоднородных сред можно назвать эмульсии и влажный, или насыщенный пар. В качестве причины флуктуации, возникающих при измерении неоднородных сред посредством вибрационных измерительных преобразователей, можно в качестве примера привести нижеследующее: одностороннее прилипание или осаждение газовых пузырьков или твердых частиц, погруженных в жидкости, внутри на стене измерительной трубы, и так называемый "пузырьковый эффект", при котором газовые пузырьки, погруженные в жидкость, действуют как текучие тела для жидких объемов, получающих ускорение в направлении, поперечном продольной оси измерительной трубы.
В частности, такие газовые пузырьки могут вызвать значительные погрешности. Чтобы объяснять это явление пузырькового эффекта, Grumski и другие [Grumski, J.Т., и R.A.Bajura, Performance of a Coriolis-Type Mass Flowmeter in the Measurement of Two-phase (air-liquid) Mixtures, Mass Flow Measurements ASME Winter Annual Meeting, New Orleans, LA (1984), (Рабочие характеристики расходомера кориолисова-типа при измерении двухфазных (воздушно-жидкостных смесей), и Hemp и другие [Hemp, J. и Sultan, G., On the Theory and Performance of Coriolis Mass Flowmeter, Proceedings of the International Conference on Mass Flow Measurement, IBC technical Services, London, 1989 (О теории и рабочих характеристиках кориолисова расходомера) предложили "пузырьковую теорию". Эта теория основана на главной идее о том, что, с одной стороны, погрешность плотности, которая при функционировании могла быть обнаружена между данной истинной плотностью и измеренной кажущейся плотностью, пропорциональна индивидуальным концентрациям фаз, и что, с другой стороны, соответствующая погрешность массового расхода может быть строго пропорциональна этой погрешности плотности. Другими словами, согласно этой теории погрешности плотности и массового расхода могут быть непосредственно связаны.
В то время как в WO - А 03/076880 для уменьшения погрешностей измерения, связанных с двух- или более фазными средами, предлагается предварительная подготовка потока, соответственно среды, предшествующая фактическому измерению расхода, например JP - А 10-281846, US - В 6,311,136, а также US - В 6,505,519 описывают коррекцию измерения расхода, особенно измерения массового расхода, на основе сигналов измерения вибрации, эта коррекция основывается на оценке разности между измеренной с высокой точностью фактической плотностью среды и кажущейся плотностью среды, определенной с помощью кориолисовых устройств, измеряющих массовый расход, во время их функционирования. В частности, в US - В 6,505,519 или US - В 6,311,136 также описан способ коррекции погрешностей массового расхода. Он по существу также основан на упомянутой пузырьковой теории, и, таким образом, использует погрешности плотности, обнаруженные между опорным и кажущимся значениями плотности, для компенсации погрешностей массового расхода, вызванных двухфазной или многофазной смесью.
В частности, для этого предложены предварительно обучаемые, а в некоторых случаях даже адаптивные классификаторы сигналов измерения колебаний. Эти классификаторы могут, например, быть выполнены как Kohonen-отображение или нейронная сеть, и коррекция производится либо на основе нескольких параметров, в частности массового расхода и плотности, измеряемых во время функционирования, а также характеристик, полученных на их основе, либо также с использованием интервала сигналов измерения колебаний, охватывающего один или более периодов колебаний. Использование такого классификатора дает, например, то преимущество, что по сравнению с традиционными кориолисовыми устройствами измерения массового расхода / плотности в вибрационный измерительный преобразователь не нужно вносить никаких изменений в том, что касается его механической конструкции, системы возбудителя или возбуждающей ее управляющей схемы, или нужно внести лишь очень незначительные изменения, которые специально приспособлены к конкретному варианту применения. Однако существенный недостаток таких классификаторов включает в себя, среди прочего, то, что по сравнению с традиционными кориолисовыми устройствами, измеряющими массовый расход, здесь требуются значительные изменения в области получения измеренного значения, прежде всего в том, что касается используемых аналого-цифрового преобразователя и микропроцессоров. А именно, как описано в US - В 6,505,519, для такой оценки сигнала, например, при дискретизации сигналов измерения колебаний, которые могут иметь частоту колебаний, составляющую приблизительно 80 Гц, для того чтобы получить достаточную точность, требуется частота выборки, составляющая приблизительно 55 кГц или более. Если сформулировать это иначе, сигналы измерения колебаний должны быть выборками с частотой выборки, намного превышающей 600:1. Помимо этого микропрограммное обеспечение, хранящееся и выполняемое в схеме цифровых измерений, также соответственно является сложным. Другой недостаток таких классификаторов заключается в том, что они должны быть «обучены» и соответственно проверены для условий измерения, фактически существующих во время функционирования вибрационного измерительного преобразователя, будь то в отношении подробностей установки, среды, подлежащей измерению, и ее обычно переменных свойств, или других факторов, влияющих на точность измерения. Из-за высокой сложности взаимодействия всех этих факторов, «обучение» и его проверка могут, в конечном счете, происходить только на месте установки и индивидуально для каждого вибрационного измерительного преобразователя, что, в свою очередь, означает значительные трудозатраты, необходимые для запуска вибрационного измерительного преобразователя. Наконец, было обнаружено, что такие алгоритмы классификатора, с одной стороны, из-за их высокой сложности, с другой стороны, из-за того, что обычно соответствующая физико-математическая модель с технически подходящими или ясными параметрами в явном виде отсутствует, имеют очень низкую прозрачность и, следовательно, часто они труднообъяснимы. При этой ситуации ясно, что со стороны заказчика могут иметь место значительные возражения, причем такие проблемы, в частности, возникают в случае, когда классификатор, кроме того, является самоадаптируемым, например нейронной сетью.
В качестве дополнительной возможности для того, чтобы обойти проблему неоднородных сред, предложено, например, уже в US - А 4,524,610, устанавливать вибрационный измерительный преобразователь таким образом, чтобы прямолинейная измерительная труба проходила по существу вертикально, чтобы предотвратить, в максимально возможной степени, осаждение таких возмущающих, особенно газообразных, неоднородностей. Здесь, однако, мы имеем дело с очень специальным решением, которое далеко не всегда может быть осуществлено в технологии измерения производственного процесса. С одной стороны, в этом случае может, в частности, случиться так, что трубопровод, в который должен быть вставлен вибрационный измерительный преобразователь, возможно придется приспособить к вибрационному измерительному преобразователю, а не наоборот, что может означать повышенные затраты на осуществление локального измерения. С другой стороны, как уже упоминалось, измерительные трубы могли бы иметь криволинейную форму, в этом случае проблема не всегда может быть решена удовлетворительно посредством какой бы то ни было адаптации ориентации установки. Кроме того, в этом случае было обнаружено, что так или иначе при помощи вертикально установленной, прямолинейной измерительной трубы вышеупомянутые искажения сигнала измерения не обязательно предотвращаются несомненным образом.
Кроме того, было обнаружено, что несмотря на компенсацию погрешностей массового расхода, на основе опорного и кажущегося значений плотности, в частности примененной с учетом упомянутого пузырькового эффекта, в любых случаях погрешности массового расхода не могли бы быть устранены полностью. В частности, было обнаружено, что эта теория может объяснить только отрицательные погрешности плотности и массового расхода, тогда как она не может объяснить положительные погрешности, наблюдавшиеся в нескольких экспериментах.
Следовательно, задача изобретения заключается в том, чтобы предложить соответствующее встроенное в трубопровод измерительное устройство, в частности кориолисово устройство измерения массового расхода, которое подходит для очень точного измерения физической измеряемой величины, особенно массового расхода, плотности и/или вязкости, даже в случае неоднородной, особенно двух- или более фазной среды, и, что на самом деле особенно желательно, с погрешностью измерения, меньшей чем 10% по отношению к фактическому значению измеренной величины. Дополнительная задача заключается в том, чтобы предложить соответствующий способ получения соответствующего измеренного значения.
Для достижения этой задачи согласно изобретению предлагается способ измерения физической измеряемой величины, в частности массового расхода смеси, протекающей в трубопроводе, с помощью встроенного в трубопровод измерительного устройства, кориолисова устройства измерения массового расхода, включающего в себя измерительный преобразователь вибрационного типа и электронную аппаратуру измерительного устройства, электрически связанную с измерительным преобразователем, причем смесь состоит из, по меньшей мере, одного основного компонента смеси и, по меньшей мере, одного неосновного компонента смеси. Способ содержит этапы, на которых: обеспечивают протекание смеси, подлежащей измерению, через, по меньшей мере, одну измерительную трубу измерительного преобразователя, при этом измерительная труба сообщается с трубопроводом, подают ток возбуждения в систему возбудителя, механически связанную с измерительной трубой, пропускающей смесь, для того, чтобы заставить измерительную трубу совершать механические колебания, и привести измерительную трубу в колебание с, по меньшей мере, одной мгновенной резонансной частотой первой собственной моды свободных колебаний, и создать силы Кориолиса внутри смеси, протекающей через вибрирующую измерительную трубу, и детектируют вибрации измерительной трубы и вырабатывают, по меньшей мере, один сигнал измерения колебаний, представляющий колебания вибрирующей измерительной трубы.
Согласно одному аспекту изобретения способ дополнительно содержит этап, на котором оценивают на основе тока возбуждения и упомянутого, по меньшей мере, одного сигнала измерения колебаний кориолисов коэффициент связи. Этот кориолисов коэффициент связи соответствует мгновенной связи между упомянутой первой собственной модой свободных колебаний, возбуждаемой в текущий момент системой возбудителя, и второй собственной модой свободных колебаний упомянутой измерительной трубы. Во второй собственной моде измерительная труба имеет собственную форму, соответствующую моде вибрации, вызванной силами Кориолиса, индуцированными в смеси. Из-за изменения концентрации основного и/или упомянутого неосновного компонента смеси кориолисов коэффициент связи изменяется во времени.
Согласно дополнительному аспекту изобретения способ дополнительно содержит этап, на котором используют упомянутый, по меньшей мере, один сигнал измерения колебаний и/или ток возбуждения вместе с упомянутым кориолисовым коэффициентом связи для получения измеренного значения, представляющего физическую измеряемую величину.
Кроме того, изобретение касается встроенного в трубопровод измерительного устройства, в частности кориолисова устройства измерения массового расхода/плотности и/или устройства измерения вязкости, для измерения, по меньшей мере, одной физической измеряемой величины х, в частности массового расхода, плотности и/или вязкости, двухфазной или многофазной смеси, протекающей в трубопроводе, при этом встроенное в трубопровод измерительное устройство содержит измерительный преобразователь вибрационного типа и электронную аппаратуру измерительного устройства, электрически связанную с измерительным преобразователем вибрационного типа. Измерительный преобразователь вибрационного типа включает в себя: по меньшей мере, одну измерительную трубу, вставленную в линию трубопровода, причем упомянутая, по меньшей мере, одна измерительная труба служит для того, чтобы пропускать смесь, подлежащую измерению, при этом упомянутая, по меньшей мере, одна измерительная труба сообщается с соединенным с ней трубопроводом; систему возбудителя, действующую на измерительную трубу для того, чтобы вызвать вибрацию, по меньшей мере, одной измерительной трубы, систему датчика для детектирования вибраций, по меньшей мере, одной измерительной трубы и для выдачи, по меньшей мере, одного сигнала измерения колебаний, представляющего колебания измерительной трубы, а упомянутая электронная аппаратура измерительного устройства подает, по меньшей мере, время от времени ток возбуждения, приводящий в действие систему возбудителя, при этом встроенное в трубопровод измерительное устройство приспособлено для того, чтобы осуществлять способ согласно изобретению.
В первом варианте реализации изобретения способ дополнительно содержит, по меньшей мере, один из этапов, на которых определяют частоту свободных колебаний текучего резонатора, образованного объемом смеси в пределах вибрирующей измерительной трубы, и определяют добротность для колебаний упомянутого текучего резонатора. Согласно аспекту упомянутого варианта реализации изобретения способ дополнительно содержит этап, на котором генерируют значение добротности, представляющее упомянутую добротность для фактических колебаний упомянутого текучего резонатора.
Согласно одному аспекту упомянутого варианта реализации изобретения частота свободных колебаний упомянутого текучего резонатора выводится из значения скорости звука, представляющего фактическую скорость звука в смеси.
Согласно другому аспекту упомянутого варианта реализации изобретения этап, на котором генерируют значение добротности, выполняется итерационно вместе с этапом, на котором генерируют значение концентрации, представляющее фактически концентрацию, по меньшей мере, одного компонента из числа упомянутых основного и неосновного компонентов в смеси.
Во втором варианте реализации изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых определяют скорость звука в смеси, подлежащей измерению, и генерируют значение скорости звука, представляющее фактическую скорость звука в смеси, и используют упомянутое значение скорости звука для оценки кориолисова коэффициента связи.
В третьем варианте реализации изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых определяют истинное объемное содержание газа в смеси, подлежащей измерению, и генерируют значение концентрации, фактически представляющее концентрацию, по меньшей мере, одного компонента из числа упомянутых основного и неосновного компонентов в смеси, и используют упомянутое значение концентрации для оценки кориолисова коэффициента связи.
В четвертом варианте реализации изобретения этап, на котором оценивают упомянутый кориолисов коэффициент связи, содержит, по меньшей мере, один из этапов, на которых определяют мгновенную частоту возбуждения вибрирующей измерительной трубы, пропускающей смесь, определяют мгновенную добротность вибрирующей измерительной трубы, пропускающей смесь, подлежащую измерению, определяют статическое давление смеси, определяют кажущуюся плотность смеси и определяют кажущийся массовый расход смеси.
Согласно одному аспекту упомянутого варианта реализации изобретения добротность вибрирующей измерительной трубы, пропускающей смесь, подлежащую измерению, выводится из упомянутого тока возбуждения.
В пятом варианте реализации изобретения физическая измеряемая величина представляет собой массовый расход упомянутого, по меньшей мере, одного основного компонента смеси.
Изобретение основано на удивительном открытии, что вопреки "классической пузырьковой теории" погрешности плотности и массового расхода не связаны непосредственно. Кроме того, исследования показали, что погрешность плотности и погрешность массового расхода, оказывается, вообще независимы. Основная идея изобретения состоит в отслеживании смещения связи между собственными модами вибрирующей трубы, пропускающей смесь, подлежащую измерению, вызываемого изменением концентраций индивидуальных компонентов смеси. Кроме того, на основе аналитической модели для колебательной системы, образованной вибрирующей измерительной трубой и объемом смеси в пределах вибрирующей измерительной трубы, можно во время функционирования встроенного в трубопровод измерительного устройства определять соответствующие коэффициенты связи. В результате моделирования как вибрирующей измерительной трубы, так и объема смеси в пределах вибрирующей измерительной трубы эта изобретенная модель также позволяет предсказывать положительные погрешности, которые классическая "пузырьковая теория" предсказать не способна. Эти результаты находятся в соответствии с экспериментальными результатами. Фактически, модель может предоставить удобные объяснения погрешностей массового расхода и плотности в различных ситуациях, особенно для жидкостно-газовых смесей.
Другое преимущество изобретения состоит в том, что динамические характеристики объема смеси в пределах вибрирующей измерительной трубы берутся с учетом компенсации погрешностей, вызванных двухфазной или многофазной смесью, особенно в случае жидкости с захваченным в нее газом. Поэтому значения коррекции, подлежащие определению, являются хорошо воспроизводимыми в широком диапазоне применения и, кроме того, правила формирования для определения значений коррекции во время операции измерения могут быть сформулированы относительно просто. Кроме того, эти правила формирования могут быть первоначально рассчитаны с относительно малыми трудозатратами. Дополнительное преимущество изобретения следует, кроме того, усматривать в том факте, что в случае встроенного в трубопровод измерительного устройства согласно изобретению по сравнению с традиционным типом, особенно таким, как описано в WO - А 03/095950, WO - А 03/095949 или US - А 4,524,610, небольшие изменения должны быть произведены только в случае получения обычно цифрового измеренного значения, такие изменения по существу ограничиваются микропрограммным обеспечением, в то время как в случае вибрационного измерительного преобразователя, так и при получении и предварительной обработке сигналов измерения колебаний не требуется никаких или требуются только небольшие изменения. Таким образом, например, даже в случае двух или более сред, сигналы измерения колебаний могут быть дискретизированы, как и прежде, с обычным коэффициентом дискретизации, намного меньшим 100:1, в частности приблизительно 10:1.
Изобретение и дополнительные предпочтительные варианты его реализации будут теперь подробно объяснены на основе примеров вариантов его реализации, представленных на фигурах чертежей. Одинаковые части на всех фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями; а когда необходимо в интересах ясности, то уже упомянутые ссылочные позиции на последующих фигурах опущены.
Фиг.1 показывает встроенное в трубопровод измерительное устройство, которое может быть вставлено в трубопровод для измерения массового расхода текучей среды, направляемой по трубопроводу,
Фиг.2 показывает на виде сбоку в перспективе пример варианта реализации для измерительного преобразователя вибрационного типа, подходящего для измерительного устройства, приведенного на фиг.1,
Фиг.3 показывает в разрезе на виде сбоку вибрационный измерительный преобразователь, приведенный на фиг.2,
Фиг.4 показывает вибрационный измерительный преобразователь с фиг.2 в первом поперечном разрезе,
Фиг.5 показывает вибрационный измерительный преобразователь, приведенный на фиг.2, во втором поперечном разрезе,
Фиг.6 показывает схематично в виде структурной схемы вариант реализации электронной аппаратуры измерительного устройства, подходящей для встроенного в трубопровод измерительного устройства, приведенного на фиг.1,
Фиг.7 показывает зависимость погрешности измерения от концентрации газа;
Фиг.8 показывает в схематичном виде кориолисову модель трубы;
Фиг.9 показывает ортонормированные собственные формы возбуждающей моды (сплошная линия) и кориолисовой моды (штриховая линия);
Фиг.10 показывает зависимость скорости звука от концентрации газа и давления;
Фиг.11 показывает Х-компонент поля скоростей в сечении трубы;
Фиг.12 показывает резонатор под воздействием трубы;
Фиг.13 показывает амплитуду трубы х (сплошная линия) и резонатора u (штриховая линия); и
Фиг.14 показывает в схематичном виде встроенное в трубопровод измерительное устройство с компенсацией погрешности согласно изобретению.
х
m
ρ
η
Фиг.1 показывает соответственно встроенное в трубопровод измерительное устройство (1), подходящее для определения физической измеряемой величины, например массового расхода (), плотности (ρ) и/или вязкости (η) среды, протекающей в трубопроводе (не показанном на чертеже), и для отображения этой измеренной величины в мгновенном представлении - измеренном значении Х, особенно значении (x) массового расхода, значении (Х) плотности и значении (Х) вязкости соответственно. Среда в этом примере может быть фактически любой текучей средой, например жидкостно-газовой смесью, аэрозолью, паром, или тому подобным.
Встроенное в трубопровод измерительное устройство, например, в виде кориолисового измерителя массового расхода, плотности и/или вязкости, включает в себя вибрационный измерительный преобразователь (10), через который протекает измеряемая среда, пример варианта реализации измерителя показаны на фиг.2-6, вместе с электронной аппаратурой (500) измерительного устройства, которая схематически проиллюстрирована на фиг.2-6. Кроме того, электронная аппаратура (500) измерительного устройства может в дополнение к этому быть выполнена таким образом, что она может во время функционирования встроенного в трубопровод измерительного устройства обмениваться данными измерения и/или эксплуатационными данными с блоком, обрабатывающим измеренное значение, являющимся старшим, то есть расположенный на более высоком уровне, по отношению к ней, например, с программируемым логическим контроллером (PLC), персональным компьютером и/или рабочей станцией, через систему передачи данных, например систему полевой шины. Кроме того, электронная аппаратура измерительного устройства выполнена таким образом, что она может питаться от внешнего источника энергии, например, также через вышеупомянутую систему полевой шины. Для случая, в котором предусматривается подсоединение вибрационного измерительного устройства к полевой шине или некоторой другой системе связи, эта, главным образом, программируемая электронная аппаратура (500) измерительного устройства оборудована соответствующим интерфейсом связи для передачи данных, например для передачи данных измерения уже упомянутому программируемому логическому контроллеру или старшей системе управления технологическим процессом. Для размещения электронной аппаратуры (500) измерительного устройства дополнительно предусматривается корпус (200) электронной аппаратуры, главным образом корпус, монтируемый снаружи непосредственно на вибрационном измерительном преобразователе (10), но возможен даже корпус, устанавливаемый обособленно от преобразователя.
Как уже было упомянуто, встроенное в трубопровод измерительное устройство включает в себя вибрационный измерительный преобразователь, через который протекает измеряемая среда, и который служит для созданная в протекающей через него среде механических реактивных сил, особенно сил Кориолиса, зависящих от массового расхода, сил инерции, от плотности среды, и/или сил трения, от вязкости среды, от сил, которые воздействуют таким образом, что их можно детектировать датчиком. Полученные из этих реактивных сил, характеризующих среду, например массовый расход, плотность и/или вязкость среды, могут быть измерены способом, известным специалистам в данной области техники. На фиг.3 и 4 схематически проиллюстрирован пример варианта реализации системы электрофизического измерительного преобразователя, являющегося вибрационным измерительным преобразователем (10). Механическое устройство и способ функционирования такой системы измерительного преобразователя известны специалистам в данной области техники и также подробно описаны в US - В 6,691,583, WO - А 03/095949 или WO - А 03/095950.
Для того чтобы направлять среду и создавать упомянутые реактивные силы, вибрационный измерительный преобразователь включает в себя, по меньшей мере, одну измерительную трубу (10), имеющую заранее определяемый диаметр. Эта, по меньшей мере, одна измерительная труба (10) может быть криволинейной трубой или, как показано на фиг.3 и 4, по существу прямолинейной трубой. Так или иначе, во время работы вызывают вибрацию трубы (10), по меньшей мере, время от времени, и тем самым она многократно упруго деформируется. При этом упругая деформация полости измерительной трубы означает, что пространственная форма и/или пространственное положение полости измерительной трубы изменяются в пределах диапазона упругих деформаций измерительной трубы (10) заранее определяемым способом циклически, главным образом периодически; см. в этой связи также US - А 4,801,897, US - А 5,648,616, US-A 5,796,011, US - А 6,006,609, US - В 6,691,583, WO - А 03/095949 и/или WO - A 03/095950. Следует упомянуть, что вместо вибрационного измерительного преобразователя, показанного в примере варианта реализации изобретения, имеющего единственную прямолинейную измерительную трубу, вибрационный измерительный преобразователь, предназначенный для осуществления изобретения, может также быть выбран из множества вибрационных измерительных преобразователей, известных из уровня техники. В частности, подходят, например, вибрационные измерительные преобразователи, имеющие две параллельные прямолинейные измерительные трубы, через которые протекает измеряемая среда, такие как подробно описаны также в US - А 5,602,345.
Как показано на фиг.1, вибрационный измерительный преобразователь дополнительно имеет корпус (100) вибрационного измерительного преобразователя, окружающий измерительную трубу (10), так же как и окружающий возможные другие компоненты вибрационного измерительного преобразователя (см. ниже). Корпус (100) служит для того, чтобы предохранять трубу (10) и другие компоненты от повреждающих воздействий окружающей среды и/или заглушать возможно направленное наружу акустическое излучение вибрационного измерительного преобразователя. Помимо этого корпус (100) вибрационного измерительного преобразователя также служит в качестве монтажного основания для корпуса (200) электронной аппаратуры, вмещающего в себя электронную аппаратуру (500) измерительного устройства. С этой целью корпус (100) вибрационного измерительного преобразователя снабжен подобным горлышку переходным элементом, на котором надлежащим образом закреплен корпус (200) электронной аппаратуры; см. фиг.1. Вместо показанного здесь трубообразного корпуса (100) измерительного преобразователя, проходящего соосно с измерительной трубой, могут, конечно, быть использованы и другие подходящие формы корпуса, такие как, например, коробчатые конструкции.
Измерительная труба (10), которая сообщается обычным образом на входном и выходном концах с трубопроводом, вводя и соответственно выводя измеряемую среду, подвешена с возможностью колебаться в предпочтительно жестком, главным образом жестком на изгиб и кручение, корпусе (100) измерительного преобразователя. Чтобы дать возможность протекать среде, измерительная труба связана с трубопроводом через входной трубчатый элемент (11), открывающийся во входной конец (11#), и выходной трубчатый элемент (12), открывающийся в выходной конец (12#). Измерительная труба (10), входной трубчатый элемент (11) и выходной трубчатый элемент (12) расположены соосно друг другу и вышеупомянутой продольной оси (L) измерительной трубы настолько точно, насколько это возможно, а в предпочтительном варианте реализации изобретения предусматриваются в виде одного элемента, так чтобы для их производства могла служить, например, одна трубчатая заготовка; однако в случае необходимости измерительная труба (10) и трубчатые элементы (11), (12) могут также быть изготовлены с помощью отдельных, впоследствии соединяемых, например сваренных, заготовок. Для изготовления измерительной трубы (10), так же как и входного и выходного трубчатых элементов (11), (12), может быть использован практически любой обычный материал для таких вибрационных измерительных преобразователей, такой как, например, сплавы железа, титана, циркония и/или тантала, синтетические материалы, или керамика. Если вибрационный измерительный преобразователь должен быть собран с трубопроводом разъемным образом, предпочтительно, чтобы на входном трубчатом элементе (11) и выходном трубчатом элементе (12) соответственно были выполнены первый и второй фланцы (13), (14); однако, если необходимо, то входной и выходной трубчатые элементы могут также быть соединены непосредственно с трубопроводом, например, посредством сварки или высокотемпературной пайки. Кроме того, как в схематическом виде показано на фиг.1, для размещения измерительной трубы (10) корпус (100) измерительного преобразователя выполняется прикрепленным к входному и выходному трубчатым элементам (11), (12); в этой связи см. фиг.1 и 2.
По меньшей мере, для измерения массового расхода (т) возбуждают первую полезную моду колебаний измерительной трубы (10), возникающей как мода поперечных колебаний. Труба (10) совершает, по меньшей мере, частично, такие колебания, главным образом изгибные колебания, в поперечном направлении к воображаемой продольной оси (L) измерительной трубы, особенно такие, при которых она изгибается в поперечном направлении наружу, по существу колеблясь с собственной частотой свободных изгибных колебаний, в соответствии с первой формой свободных собственных колебаний. Для случая, при котором в присоединенном трубопроводе течет среда и, следовательно, массовый расход (m) отличен от нуля, измерительная труба (10), совершая колебания первой полезной моды, возбуждает в протекающей через нее среде силы Кориолиса. Они, в свою очередь, взаимодействуют с измерительной трубой (10) и приводят таким образом, как это известно специалистам в данной области техники, к дополнительной, обнаруживаемой датчиком деформации измерительной трубы (10) по существу в соответствии со второй формой свободных собственных колебаний, копланарно наложенной на первую форму собственных колебаний. Мгновенная форма деформации измерительной трубы (10), в таком случае, особенно в том, что касается ее амплитуды, также зависит от мгновенного массового расхода (m). Как обычно, в случае таких вибрационных измерительных преобразователей в качестве второй формы свободных колебаний, так называемой кориолисовой моды, могут, например, служить антисимметричные формы изгибных колебаний с двумя или четырьмя пучностями. Поскольку собственные частоты свободных колебаний таких мод поперечных колебаний измерительных труб, как известно, зависят в определенной мере также от плотности (ρ) среды, то в дополнение к массовому расходу (m) посредством этого встроенного в трубопровод измерительного устройства может быть измерена, как минимум, также плотность (ρ). В дополнение к поперечным колебаниям, по меньшей мере, одна измерительная труба (10), по меньшей мере, время от времени также возбуждается в крутильной моде колебаний, для создания в текущей среде зависящих от вязкости сдвигающих сил. В этой крутильной моде колебаний измерительная труба совершает крутильные колебания вокруг оси крутильных колебаний, проходящей по существу параллельно продольной оси (L) измерительной трубы или совпадающей с ней. По существу, это возбуждение таково, что измерительная труба (10) скручивается вокруг своей продольной оси (L) по форме свободного крутильного колебания; в этой связи см., например, также US - А 4,524,610, US - А 5,253,533, US - А 6,006,609 или ЕР - А 1 158 289. Возбуждение упомянутых крутильных колебаний может в таком случае происходить либо поочередно с первой полезной модой колебаний и отделено от нее во второй полезной моде колебаний, либо, по меньшей мере, в случае взаимно различимых частот колебаний, также одновременно с поперечными колебаниями в первой полезной моде колебаний. Иначе говоря, вибрационный измерительный преобразователь работает, по меньшей мере, время от времени в двойном режиме, в котором, по меньшей мере, одну измерительную трубу (10) заставляют вибрировать попеременно, по меньшей мере, в двух модах колебаний, по существу независимых друг от друга, а именно в моде поперечных колебаний и в моде крутильных колебаний.
Согласно одному варианту реализации изобретения для создания в текущей среде сил Кориолиса, зависящих от массового расхода, измерительная труба (10) возбуждается, по меньшей мере, время от времени с частотой поперечных колебаний, которая соответствует настолько точно насколько возможно самой низкой собственной частоте свободных изгибных колебаний измерительной трубы (10), так что совершающая колебания в поперечном направлении измерительная труба (10), без жидкости протекающей через нее, выгибается наружу по существу симметрично относительно средней оси, перпендикулярной к продольной оси (L) измерительной трубы, и при этом имеет единственную пучность колебаний. Эта самая низкая собственная частота изгибных колебаний может, например, в случае трубы из нержавеющей стали, служащей в качестве измерительной трубы (10), имеющей номинальный диаметр 20 мм, толщину стенки приблизительно 1,2 мм и длину приблизительно 350 мм, с обычными принадлежностями, составлять приблизительно от 850 Гц до 900 Гц.
excT
В дополнительном варианте реализации изобретения измерительная труба (10) возбуждается, особенно одновременно с поперечными колебаниями в полезной моде, с частотой крутильных колебаний (f), которая соответствует настолько точно, насколько возможно, собственной частоте свободных крутильных колебаний измерительной трубы. Самая низкая собственная частота крутильных колебаний может, например, в случае прямолинейной измерительной трубы лежать приблизительно в диапазоне двойной самой низкой собственной частоты изгибных колебаний.
Как уже было упомянуто, колебания измерительной трубы (11) демпфируются, с одной стороны, за счет передачи энергии колебаний главным образом среде. Однако, с другой стороны, энергия колебаний может также быть в значительной степени отведена из вибрирующей измерительной трубы за счет возбуждения колебаний компонентов, механически с ней связанных, таких компонентов, как, например, корпус (100) измерительного преобразователя или соединенный с трубой трубопровод. С целью подавления или предотвращения возможной утечки энергии колебаний в окружающую среду, в вибрационном измерительном преобразователе предусмотрено, по этой причине, противоколебательное звено (20), прикрепленное к входному и выходному концам измерительной трубы (10). Предпочтительно, чтобы противоколебательное звено (20), как в схематичном виде показано на фиг.2, было выполнено как один элемент. Если необходимо, то противоколебательное звено (20) может быть составлено из множества частей, как показано, например, также в US - А 5,969,265, ЕР - А 317340 или WO - А 00/14485, или оно может быть выполнено из двух отдельных частей противоколебательного звена, установленных на входном и выходном концах измерительной трубы (10). Противоколебательное звено (20) служит, помимо прочего, для того, чтобы динамически уравновешивать вибрационный измерительный преобразователь для, по меньшей мере, одного заданного значения плотности среды, например значения плотности, ожидающегося наиболее часто, или также критического значения плотности, в такой мере, чтобы поперечные силы и/или изгибающие моменты, возможно возникающие в вибрирующей измерительной трубе (10), были в значительной степени скомпенсированы; в этой связи см. также US - В 6,691,583. Помимо этого противоколебательное звено (20) служит для вышеописанного случая, при котором также возбуждают во время функционирования крутильные колебания измерительной трубы (10), для того чтобы дополнительно создавать противодействующие крутящие моменты, в значительной степени компенсирующие такие крутящие моменты, как те, что порождаются единственной измерительной трубой (10), в предпочтительном варианте скручиваемой вокруг ее продольной оси (L), таким образом, сохраняя окружающую среду вибрационного измерительного преобразователя, но особенно соединенный с ним трубопровод, в значительной степени свободными от динамических крутящих моментов. Противоколебательное звено (20) может, как в схематическом виде показано на фиг.2 и 3, быть воплощено в виде трубы и может быть присоединено, например, к входному концу (11#) и выходному концу (12#) измерительной трубы (10) таким образом, что оно, как показано на фиг.3, располагается по существу соосно измерительной трубе (10). Противоколебательное звено (20) может быть изготовлено фактически из любого материала, также используемого для измерительной трубы (10), соответственно, например, из нержавеющей стали, сплавов титана, и т.д.
Противоколебательное звено (20), которое, особенно по сравнению с измерительной трубой (10), имеет несколько меньшую упругость при кручение и/или изгибе, "заставляют" во время функционирования колебаться аналогичным образом, и более того, по существу с той же самой частотой, что и измерительную трубу (10), но не совпадая с ней по фазе, и главным образом с противоположной фазой. С этой целью противоколебательное звено (20) "заставляют" колебаться с, по меньшей мере, одной из его собственных частот крутильных колебаний, настроенных настолько точно, насколько возможно на те частоты крутильных колебаний, с которыми во время функционирования преимущественно "заставляют" колебаться измерительную трубу. Помимо этого, противоколебательное звено (20) настроено также, по меньшей мере, одной из его собственных частот изгибных колебаний на, по меньшей мере, одну частоту изгибных колебаний, с которой "заставляют" колебаться измерительную трубу (10), особенно в полезной моде, и противоколебательное звено (20) возбуждается во время функционирования вибрационного измерительного преобразователя также в виде поперечных колебаний, особенно изгибных колебаний, которые развиваются по существу копланарно с поперечными колебаниями измерительной трубы (10), особенно изгибными колебаниями полезной моды.
В варианте реализации изобретения, показанном в схематичном виде на фиг.3, противоколебательное звено (20) имеет для этой цели канавки (201), (202), которые делают возможным точное регулирование его собственных частот крутильных колебаний, особенно понижение собственных частот крутильных колебаний за счет понижения крутильной жесткости противоколебательного звена (20). Хотя канавки (201), (202) показаны на фиг.2 или фиг.3 по существу равномерно распределенными в направлении продольной оси (L), они могут, если необходимо, также быть расположены, как минимум, неравномерно распределенными в направлении продольной оси (L). Помимо этого распределение масс противоколебательного звена может подобно тому, что показано в схематическом виде на фиг.3, также быть скорректировано посредством соответствующих тел (101), (102) балансировки масс, прикрепленных к измерительной трубе (10). Эти тела (101), (102) балансировки масс могут быть, например, металлическими кольцами, натянутыми на измерительную трубу (10), или малыми металлическими пластинами, прикрепленными к ней.
ехс
exc
exc
exc
exc
exc
exc
exc
Для возбуждения механических колебаний измерительной трубы (10) вибрационный измерительный преобразователь дополнительно включает в себя систему (40) возбудителя, главным образом электродинамическую систему, связанную с измерительной трубой. Система (40) возбудителя служит для того, чтобы преобразовывать электрическую мощность Р возбудителя, подаваемую от электронной аппаратуры измерительного устройства, например имеющей регулируемый ток i возбуждения и/или регулируемое напряжение, в, например, имеющий форму импульса или гармоники момент М возбудителя и/или силу F возбудителя, действующие на измерительную трубу (10) и упруго деформирующие ее. Для достижения максимально возможной эффективности и максимально возможного отношения сигнала / шум мощность P возбудителя настраивается настолько точно, насколько возможно, так, чтобы поддерживались преимущественно колебания измерительной трубы (10) в полезной моде, и, более того, настолько точно, насколько возможно, на мгновенную собственную частоту измерительной трубы, содержащей среду, протекающую через нее. Сила F возбудителя, равно как и момент М возбудителя, могут в этом случае, как в схематическом виде показано на фиг.4, каждый прикладываться двунаправлено или однонаправлено и могут регулироваться способом, известным специалистам в данной области техники, например, с помощью схемы регулирования тока и/или напряжения, в том, что касается их амплитуды, и например, с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в том, что касается их частоты. Система (40) возбудителя может включать в себя, как обычно в случае таких вибрационных измерительных чувствительных элементов, например, систему катушки с сердечником, имеющую цилиндрическую катушку возбудителя, прикрепленную к противоколебательному звену (20) или к внутренней части корпуса (100) измерительного преобразователя. При функционировании катушка возбудителя имеет соответствующий протекающий по ней ток i возбуждения. Дополнительно в систему (40) возбудителя включен якорь из постоянного магнита, проходящий, по меньшей мере, частично в катушку возбудителя и прикрепленный к измерительной трубе (10). Кроме того, система (40) возбудителя может также быть реализована посредством множества катушек с сердечником или также посредством электромагнитов, таких как, например, показаны в US-А 4,524,610 или WO - А 03/095950.
1
2
1
2
1
2
Для обнаружения колебаний измерительной трубы (10) вибрационный измерительный преобразователь дополнительно включает в себя систему (50) датчика, которая вырабатывает в качестве представления колебаний измерительной трубы (10) первый, главным образом, аналоговый сигнал s измерения колебаний, вырабатываемый с помощью первого датчика (51) колебаний, реагирующего на такие вибрации. Датчик (51) колебаний может быть сформирован посредством якоря из постоянного магнита, который прикреплен к измерительной трубе (10) и взаимодействует с катушкой датчика, установленной на противоколебательном звене (20) или корпусе измерительного преобразователя. Для того чтобы служить датчиком (51) колебаний, особо пригодны такие датчики, которые обнаруживают скорость деформаций измерительной трубы (10) на основе электродинамического принципа. Однако могут быть использованы также измеряющие ускорение, электродинамические или даже измеряющие величину перемещения, резистивные или оптические датчики. Конечно, могут быть использованы и другие датчики, известные специалистам в данной области техники как подходящие для обнаружения таких вибраций. Система (60) датчика включает в себя, дополнительно, второй датчик (52) колебаний, в частности датчик, идентичный первому датчику (51) колебаний. Второй датчик (52) дает второй сигнал s измерения колебаний, аналогичным образом представляющий вибрации измерительной трубы (10). Два датчика (51), (52) колебаний в этом варианте реализации изобретения так расположены в вибрационном измерительном преобразователе (10), будучи разнесенными друг относительно друга вдоль измерительной трубы (10), главным образом на равные расстояния от точки, расположенной посередине измерительной трубы (10), что система (50) датчика локально регистрирует вибрации как входного конца, так и выходного конца измерительной трубы (10) и преобразует их в соответствующие сигналы s, s измерения колебаний. Два сигнала s, s измерения колебаний, каждый из которых обычно имеет частоту сигнала, соответствующую мгновенной частоте колебаний измерительной трубы (10), как показано на фиг.2, подаются в электронную аппаратуру (500) измерительного устройства, где они предварительно обрабатываются, главным образом дискретизируются, и затем соответствующим образом оцениваются с помощью соответствующих компонентов.
Согласно варианту реализации изобретения система (40) возбудителя, как фактически показано на фиг.2 и 3, выполнена и расположена в вибрационном измерительном преобразователе таким образом, что действует во время функционирования одновременно, в частности дифференцировано, на измерительную трубу (10) и на противоколебательное звено (20). В случае дальнейшего развития изобретения система (40) возбудителя, как фактически показано на фиг.2, предпочтительно изготовлена и расположена в вибрационном измерительном преобразователе таким образом, что действует во время функционирования одновременно, в частности дифференцировано, на измерительную трубу (10) и на противоколебательное звено (20). В примере варианта реализации изобретения, показанном на фиг.4, система (40) возбудителя имеет для этой цели, по меньшей мере, одну первую катушку (41 а) возбудителя, через которую во время функционирования протекает ток возбуждения или составляющая тока возбуждения. Катушка (41 а) возбудителя прикреплена к рычагу (41 с), соединенному с измерительной трубой (10), и действует дифференцирование на измерительную трубу (10) и противоколебательное звено (20) через этот рычаг и якорь (41b), прикрепленный с внешней стороны к противоколебательному звену (20). Это расположение имеет, среди прочих, то преимущество, что, с одной стороны, противоколебательное звено (20), и таким образом, также корпус (20) измерительного преобразователя имеют малый размер в поперечном сечении и, несмотря на это, катушка (41 а) возбудителя является легкодоступной, особенно во время сборки. Помимо этого дополнительное преимущество этого варианта реализации системы (40) возбудителя заключается в том, что стаканы (41d) катушки, которые могут использоваться особенно при номинальных диаметрах более чем 80 мм, имеют вес, который более нельзя игнорировать. Они закрепляются на противоколебательном звене (20) и, следовательно, не оказывают практически никакого влияния на собственные частоты измерительной трубы (10). Здесь, однако, следует отметить, что в случае, если необходимо, катушка (41 а) возбудителя может также поддерживаться противоколебательным звеном (20), а якорь (41b) в таком случае - измерительной трубой (10).
Соответственно датчики (51), (52) колебаний могут быть изготовлены и расположены в вибрационном измерительном преобразователе таким образом, что вибрации измерительной трубы (10) и противоколебательного звена (20) регистрируются ими дифференцированно. В примере варианта реализации, показанном на фиг.5, система (50) датчика включает в себя катушку (51а) датчика, прикрепленную к измерительной трубе (10), причем вне всех главных осей инерции системы (50) датчика. Катушка (51а) датчика расположена настолько близко, насколько возможно, к якорю (51b), прикрепленному к противоколебательному звену (20), и связана с ним магнитным полем таким образом, что под влиянием вращательного и/или поперечного относительного перемещения между измерительной трубой (10) и противоколебательным звеном (20) при изменении их взаимного положения и/или их относительного удаления в катушке датчика индуцируется изменяющееся напряжение измерения. На основе такого расположения катушки (51а) датчика как вышеупомянутые крутильные колебания, так и возбужденные изгибные колебания могут регистрироваться одновременно, что предпочтительно.
Однако в случае необходимости катушка (51а) датчика для этого может также быть прикреплена к противоколебательному звену (20), а связанный с ней якорь (51b) соответственно в таком случае может быть прикреплен к измерительной трубе (10).
1
1
1
В другом варианте реализации изобретения измерительная труба (10), противоколебательное звено (20) и прикрепленные к ним системы (40), (50) датчика и возбудителя подогнаны друг к другу в отношении распределения их масс таким образом, что получающаяся в результате внутренняя часть вибрационного измерительного преобразователя, подвешенного с помощью входного и выходного трубчатых элементов (11), (12), имеет центр (MS) масс, лежащий, по меньшей мере, внутри измерительной трубы (10), и предпочтительно настолько близко, насколько возможно к продольной оси (L) измерительной трубы. Кроме того, внутренняя часть предпочтительно сконструирована так, что она имеет первую главную ось инерции (T), расположенную на одной линии с входным трубчатым элементом (11) и выходным трубчатым элементом (12) и лежащую, по меньшей мере, частично внутри измерительной трубы (10). Из-за смещения центра (MS) масс внутренней части, но особенно из-за вышеописанного положения первой главной оси инерции (T), две формы колебаний, совершаемые при функционировании измерительной трубы (10) и в значительной степени компенсируемые противоколебательным звеном (20) а именно, крутильные колебания и изгибные колебания измерительной трубы (10), в высокой степени механически «развязаны» по отношению друг к другу; в этой связи см. также WO - А 03/095950. Таким образом, две формы колебаний, соответственно поперечные колебания и/или крутильные колебания, предпочтительно возбуждаются, как минимум, отдельно друг от друга. Как смещение центра (MS) масс, так и смещение также первой главной оси инерции T по направлению к продольной оси измерительной трубы могут, например, быть значительно упрощены при наличии внутренней части соответственно измерительной трубы (10), противоколебательного звена (20) и прикрепленных к ним систем (50), (40) датчика и возбудителя, изготовленных и расположенных относительно друг друга таким образом, что распределение масс внутренней части вдоль продольной оси (L) измерительной трубы является по существу симметричным, однако, по меньшей мере, инвариантным по отношению к воображаемому повороту вокруг продольной оси (L) измерительной трубы на 180° (с2-симметрия). Кроме того, противоколебательное звено (20) - в приведенном примере воплощенное в форме трубы, в частности в значительной степени осесимметричной трубы, - расположено по существу соосно с измерительной трубой (10), посредством чего достижение симметричного распределения массы во внутренней части значительно упрощено, и, следовательно, центр (MS) масс также смещается простым способом к продольной оси (L) измерительной трубы. Помимо этого системы (50), (40) датчика и возбудителя в представленном здесь примере варианта реализации изобретения изготовлены и расположены относительно друг друга на измерительной трубе (10) и, где это уместно, на противоколебательном звене (20) таким образом, что создаваемый ими момент инерции распределяется настолько концентрически, насколько возможно, по отношению к продольной оси (L) измерительной трубы или, по меньшей мере, удерживается настолько малым, насколько возможно. Этого можно, например, достичь посредством расположения общего центра масс систем (50), (40) датчика и возбудителя настолько близко насколько возможно к продольной оси (L) измерительной трубы и/или посредством сохранения полной массы систем (50), (40) датчика и возбудителя настолько малой, насколько возможно.
1
В дополнительном варианте реализации изобретения система (40) возбудителя с целью раздельного возбуждения крутильных и/или изгибных колебаний измерительной трубы (10) выполнена и прикреплена к измерительной трубе (10) и к противоколебательному звену (20) таким образом, что сила, создающая изгибные колебания, действует на измерительную трубу (10) в направлении воображаемой линии действия силы, проходящей вне второй главной оси инерции (Т2), перпендикулярной первой главной оси (T) инерции, или пересекающей вторую главную ось инерции в, самое большее, одной точке. Предпочтительно, внутренняя часть выполнена таким образом, чтобы вторая главная ось (Т2) инерции являлась по существу вышеупомянутой средней осью. В примере варианта реализации изобретения, показанном на фиг.4, система (40) возбудителя имеет с этой целью, по меньшей мере, одну первую катушку (41а) возбудителя, через которую, по меньшей мере, время от времени при функционировании протекает ток возбуждения или составляющая тока возбуждения. Катушка (41а) возбудителя прикреплена к рычагу (41с), соединенному с измерительной трубой (10), и через этот рычаг и якорь (41b), прикрепленный с внешней стороны к противоколебательному звену (20), действует дифференцированно на измерительную трубу (10) и противоколебательное звено (20). Это расположение имеет, помимо прочего, такое преимущество, что, с одной стороны, противоколебательное звено (20) и, следовательно, корпус (100) измерительного преобразователя имеют малый размер в поперечном сечении и, несмотря на это, катушка (41а) возбудителя является легкодоступной, особенно во время сборки. Помимо этого дополнительное преимущество этого варианта реализации системы (40) возбудителя заключается в том, что стаканы (41d) катушки, которые могут использоваться, особенно при номинальных диаметрах более чем 80 мм, имеют вес, которым более нельзя пренебрегать, могут быть аналогичным образом закреплены на противоколебательном звене (20) и, следовательно, не оказывают практически никакого влияния на резонансные частоты измерительной трубы. Однако следует отметить, что, когда необходимо, катушка (41 а) возбудителя может быть установлена на противоколебательном звене (20), и в таком случае якорь (41b) поддерживается измерительной трубой (10).
2
2
Согласно дополнительному варианту реализации изобретения система (40) возбудителя имеет, по меньшей мере, одну вторую катушку (42а) возбудителя, расположенную вдоль диаметра измерительной трубы (10) и связанную с измерительной трубой (10) и противоколебательным звеном (20) таким же образом, как катушка (41а) возбудителя. Согласно другому предпочтительному варианту реализации изобретения система возбудителя имеет две дополнительные катушки (43а), (44а) возбудителя, таким образом, в общей сложности четыре катушки, расположенные, по меньшей мере, симметрично относительно второй главной оси инерции (Т). Все катушки установлены в вибрационном измерительном преобразователе вышеописанным способом. Сила, действующая на измерительную трубу (10) вне второй главной оси инерции (Т), может быть создана посредством таких двух или четырех систем катушек простым способом, например, когда одна из катушек возбудителя, например катушка (41а) возбудителя, имеет иную индуктивность, чем соответствующие другие катушки, или когда через одну из катушек возбудителя, например катушку (41а) возбудителя во время функционирования протекает составляющая тока возбуждения, которая отлична от соответствующей составляющей тока возбуждения соответственно других катушек возбудителя.
2
Согласно другому варианту реализации изобретения система (50) датчика включает в себя, как в схематическом виде показано на фиг.5, катушку (51а) датчика, расположенную вне второй главной оси инерции (T) и прикрепленную к измерительной трубе (10). Катушка (51а) датчика расположена настолько близко, насколько возможно, к якорю (51b), прикрепленному к противоколебательному звену (20), и связана с ним магнитным полем таким образом, что под влиянием вращательного и/или поперечного относительных перемещений между измерительной трубой (10) и противоколебательным звеном (20) при изменении их взаимного положения и/или их относительного удаления в катушке датчика индуцируется изменяющееся напряжение измерения. Благодаря такому расположению катушки (51а) датчика согласно изобретению вышеописанные крутильные колебания и изгибные колебания, возбуждаемые там, где это целесообразно, могут регистрироваться одновременно, что предпочтительно. Если необходимо, то катушка (51а) датчика для этого может, в качестве альтернативы, также быть прикреплена к противоколебательному звену (20), и соответственно связанный с ней якорь (51b) может быть прикреплен к измерительной трубе (10).
Дополнительно отметим, что система (40) возбудителя и система (50) датчика могут иметь, как это известно специалистам в данной области техники, по существу одинаковую механическую конструкцию; следовательно, вышеописанные варианты реализации механической конструкции системы (40) возбудителя могут по существу быть перенесены на механическую конструкцию системы (50) датчика, и наоборот.
exc
exc
exc
excL
excL
exc
excT
excT
exc
excL
excT
exc
exc
Чтобы вызвать вибрацию измерительной трубы (10), в систему (40) возбудителя, как уже упомянуто, подается аналогичным образом колеблющийся ток i возбуждения, главным образом многочастотный ток с регулируемой амплитудой и регулируемой частотой f возбудителя, так что при функционировании этот ток протекает через катушки (26), (36), и соответствующим образом создаются магнитные поля, требующиеся для того, чтобы перемещать якоря (27), (37). Ток i возбуждения может быть, например, гармоническим многочастотным или даже иметь прямоугольную форму. Частота f возбудителя поперечных колебаний "поперечной" токовой составляющей i тока i возбуждения, требующаяся для поддержания поперечных колебаний измерительной трубы (10), может предпочтительно быть выбрана и отрегулирована в случае вибрационного измерительного преобразователя, показанного в примере варианта реализации изобретения, таким образом, что колеблющаяся в поперечном направлении измерительная труба (10) колеблется по существу в основной моде изгибных колебаний, имеющей единственную пучность колебаний. Аналогично этому частота f крутильных колебаний "крутильной" токовой составляющей i тока i возбуждения, требующаяся для поддержания крутильных колебаний измерительной трубы (10), может предпочтительно быть выбрана и отрегулирована в случае вибрационного измерительного преобразователя, показанного в примере варианта реализации изобретения, таким образом, что совершающая крутильные колебания измерительная труба (10) колеблется по существу в основной моде крутильных колебаний, имеющей единственную пучность колебаний. Две упомянутые составляющие i и i в зависимости от выбранного типа функционирования могут подаваться в систему (40) возбудителя прерывисто, т.е. мгновенно каждая из них действует как ток i возбуждения; или могут подаваться одновременно, т.е. дополняя друг друга, чтобы сформировать действующий ток возбуждения i.
excL
excT
Для вышеописанного случая, при котором частота поперечных колебаний f и частота f крутильных колебаний, с которыми "заставляют" колебаться измерительную трубу (10) во время функционирования, отрегулированы различающимися друг от друга, разделение индивидуальных мод колебаний может происходить в сигналах возбудителя, а также в сигналах датчика посредством вибрационного измерительного преобразователя простым и предпочтительным способом даже в случае одновременно возбуждаемых крутильных и изгибных колебаний, например, на основе фильтрации сигналов или частотного анализа. В ином случае рекомендуется чередование возбуждения поперечных и крутильных колебаний.
exc
excL
Для создания и регулирования тока (i) возбуждения или компонентов (i),
excT
FML
(i) этого тока электронная аппаратура измерительного устройства включает в себя соответствующую задающую схему (53), которая управляется сигналом (y) регулирования частоты поперечных колебаний, представляющим требуемую частоту
excL
AML
exc
(f) возбудителя поперечных колебаний, и сигналом (y) регулирования амплитуды поперечных колебаний, представляющим требуемую амплитуду "поперечных" колебаний тока (i) возбуждения, и/или "поперечной" составляющей
excL
FMT
excT
АМТ
exc
excT
exc
excL
excT
(i) тока, а также, по меньшей мере, время от времени, сигналом (y) регулирования частоты крутильных колебаний, представляющим частоту (f) возбудителя крутильных колебаний, и сигналом (у) регулирования амплитуды крутильных колебаний, представляющим требуемую амплитуду "крутильных" колебаний тока (i) возбуждения, и/или "крутильной" составляющей (i) тока. Задающая схема (53) может быть реализована, например, посредством генератора, управляемого напряжением, или выходного преобразователя напряжение - ток; однако вместо аналогового генератора для задания мгновенных значений тока (i) возбуждения или составляющих (i), (i) тока возбуждения может использоваться также цифровой генератор с числовым управлением.
AML
AMT
AML
AMT
1
2
B
T
AML
AMT
exc
Схема (51) управления амплитудой, интегрированная в электронную аппаратуру (500) измерительного устройства, может служить для генерирования сигнала (y) регулирования амплитуды поперечных колебаний, и/или сигнала (y) регулирования амплитуды крутильных колебаний. Схема (51) управления амплитудой реализует сигналы (Y), (Y) регулирования амплитуды на основе мгновенных значений амплитуды, по меньшей мере, одного из двух сигналов (s), (s) измерения колебаний, измеренных с мгновенной частотой поперечных колебаний и/или мгновенной частотой крутильных колебаний, а также на основе соответствующих постоянных или переменных опорных значений амплитуды для поперечных и крутильных колебаний соответственно (W), (W); также, если это целесообразно, то для генерирования сигнала (y) регулирования амплитуды поперечных колебаний и/или сигнала (y) регулирования амплитуды крутильных колебаний можно опираться на мгновенные значения амплитуды тока (i) возбуждения; см. фиг.6. Конструкция и способ функционирования таких схем управления амплитудой также известны специалистам в данной области техники. Примерами такой схемы управления амплитудой являются измерительные трансмиттеры серии "PROMASS 80", которые могут быть получены от заявителя по данной заявке, например, в связи с вибрационными измерительными преобразователями серии "PROMASS I". Их схема управления амплитудой имеет предпочтительную конструкцию. Поперечными колебаниями измерительной трубы (10) управляют так, что они имеют постоянную амплитуду, и, таким образом, амплитуда также не зависит от плотности (ρ).
FML
FMT
1
2
exc
exc
Схема (52) управления частотой и задающая схема (53) могут быть сконструированы, например, как системы фазовой автоматической подстройки частоты, методы использования которых известны специалистам в данной области техники, для регулировки сигнала (y) регулирования частоты поперечных колебаний и/или сигнала (y) регулирования частоты крутильных колебаний непрерывно для мгновенных значений собственных частот измерительной трубы (10) на основе разности фаз, измеренной между, по меньшей мере, одним из сигналов (s), (s) измерения колебаний и током (i) возбуждения, подлежащим регулированию, соответственно мгновенно измеренным током (i) возбуждения. Конструкция и использование таких систем фазовой автоматической подстройки частоты для управления измерительными трубами на одной из их механических собственных частот подробно описаны, например, в US - А 4,801,897. Конечно, могут быть использованы и другие схемы управления частотой, известные специалистам в данной области техники, такие как предложенные в US - А 4,524,610 или US - А 4,801,897. Кроме того, уже упомянутые измерительные трансмиттеры серии "PROMASS 80" могут быть использованы в качестве таких схем управления частотой для вибрационных измерительных преобразователей. О других схемах, подходящих для использования в качестве задающих схем, можно узнать, например, из US - А 5,869,770 или US-А 6,505,519.
1
2
AML
AMT
FML
FMT
Согласно дополнительному варианту реализации изобретения схема (51) управления амплитудой и схема (52) управления частотой, как в схематичном виде показано на фиг.6, реализованы с помощью процессора цифровой обработки сигналов (DSP-процессора), предусмотренного в электронной аппаратуре (500) измерительного устройства и с помощью программного кода, соответствующим образом воплощенного в такой аппаратуре. Программные коды могут храниться долговременно или даже постоянно, например в энергонезависимом запоминающем устройстве - электрически стираемом программируемом постоянном запоминающем устройстве (EEPROM) памяти микрокомпьютера (55), управляющего процессором обработки сигналов и/или контролирующего этот процессор, и загружаются после запуска DSP-процессора обработки сигналов в энергозависимое запоминающее устройство для данных ОЗУ (RAM) электронной аппаратуры (500) измерительного устройства, например в ОЗУ, интегрированное в DSP-процессор обработки сигналов. Процессорами обработки сигналов, подходящими для таких вариантов применения, являются, например, процессоры типа TMS320VC33, поставляемые фирмой "Texas Instruments Inc.". Очевидно, что сигналы (s), (s) измерения колебаний должны быть преобразованы посредством соответствующих аналого-цифровых (A/D) преобразователей в соответствующие цифровые сигналы для обработки в DSP-процессоре обработки сигналов; в этой связи см. ЕР - А 866,319. В случае необходимости сигналы регулирования, выводимые из процессора обработки сигналов, такие как, например, сигналы (Y), (Y) регулирования амплитуды или сигналы (y), (y) регулирования частоты могут быть соответствующим образом преобразованы из цифровой в аналоговую форму.
1
2
х
1
2
exc
Как показано на фиг.6, сигналы (s), (s) измерения колебаний сначала, если это целесообразно, соответствующим образом подготовленные, дополнительно посылают в схему измерения, входящую в состав электронной аппаратуры измерительного устройства, для формирования, по меньшей мере, одного измеренного значения (Х) на основе, по меньшей мере, одного из сигналов (s), (s) измерения колебаний и/или на основе тока (i) возбуждения.
х
1
2
1
2
Согласно варианту реализации изобретения схема измерения сконструирована, по меньшей мере, частично, как вычислитель расхода, и эта измерительная схема служит для определения измеренного значения (Х), в качестве измеренного значения массового расхода и представляющего настолько точно, насколько возможно, измеряемый массовый расход, способом, который по своей сути известен специалистам в данной области техники, на основе разности фаз, обнаруженной между сигналами (s), (s) измерения колебаний, генерируемыми в случае совершения колебаний измерительной трубой (10), по меньшей мере, частично, в поперечном направлении. Схема измерения может быть любой, главным образом, цифровой измерительной схемой, уже используемой в традиционных кориолисовых устройствах, измеряющих массовых расход, для определения массового расхода на основе сигналов (s), (s) измерения колебаний; в этой связи см. WO - А 02/37063, WO - А 99/39164, US - А 5,648,616, US - A 5,069,074. Конечно, могут быть использованы и другие измерительные схемы, известные специалистам в данной области техники, подходящие для кориолисовых устройств, измеряющих массовый расход, то есть измерительные схемы, которые измеряют и соответствующим образом определяют значения разности фаз и/или времени между сигналами измерения колебаний описанного вида.
1
2
х
Кроме того, схема (21) измерения может также служить для того, чтобы использовать частоту колебаний, по меньшей мере, одной измерительной трубы (10), измеренную, например, на основе, по меньшей мере, одного из сигналов (s), (s) измерения колебаний, для генерирования измеренного значения (Х), используемого в качестве измеренного значения плотности, представляющего мгновенное значение измеряемой плотности (ρ) для среды или фазы среды.
exc
х
Поскольку во время функционирования прямолинейную измерительную трубу (10), как описано выше, "заставляют" совершать поперечные и крутильные колебания одновременно или попеременно, то схема измерения может также использоваться для того, чтобы определить (на основе тока (i) возбуждения, который, как известно, может служить также в качестве меры кажущейся вязкости или также произведения плотности на вязкость) измеренное значение (Х), используемого в качестве измеренного значения вязкости и представляющего мгновенное значение вязкости среды; в этой связи см. также US - А 4,524,610 или WO - А 95 16 897.
х
m
ρ
η
х
В этой связи очевидно, как минимум, для специалистов в данной области техники, что встроенное в трубопровод измерительное устройство может определять раздельные измеренные значения (Х), т.е. значение (X) массового расхода, значение (Х) плотности и значение (Х) вязкости соответственно для различных измеренных величин х, как в общем измерительном цикле и, следовательно, с равными частотами обновления, так и с различными частотами обновления. Например, очень точное измерение обычно значительно изменяющегося массового расхода требует обычно очень высокой частоты обновления, в то время как сравнительно меньше изменяющаяся вязкость (η) среды может, где это целесообразно, обновляться с более длительными интервалами во времени. Кроме того, можно, как минимум, принять, что определенные в текущий момент времени значения (Х) измеренных значений могут быть временно сохранены в электронной аппаратуре измерительного устройства и, следовательно, могут быть доступными для последующих использований. Преимуществом является то, что схема измерения может, кроме того, также быть воплощена посредством DSP-процессора обработки сигналов.
1
2
х
х
m
ρ
х
х
х
Как было уже упомянуто вначале, встроенные в трубопровод измерительные устройства с вибрационным измерительным преобразователем, особенно кориолисовы расходомеры, широко используются в промышленности для измерения массового расхода и плотности однофазных жидкостей, газов по причине высокой точности и переналаживаемости таких устройств. Однако известно, что неоднородности и/или образование в текучей среде первой и второй фаз, например газовых пузырьков и/или твердых частиц, погруженных в жидкость, могут привести к тому результату, что измеренное значение, определенное традиционным способом, предполагающим однофазную и/или однородную среду, не будет соответствовать с достаточной точностью фактическому значению величины (х), которую требуется измерить, например массового расхода (m), то есть измеренное значение должно быть надлежащим образом скорректировано. Это предварительно определенное, условно представляющее физическую величину или, по меньшей мере, ей соответствующее значение физической величины (х), которую требуется измерить, причем это значение, как уже пояснялось, может, например, представлять собой разность (Δφ) фаз, измеренную между сигналами (s), (s) измерения колебаний, или измеренную частоту колебаний измерительной трубы (11), называется далее начальным измеренным значением или кажущимся значением (Х'). На основе этого начального измеренного значения (Х'), то есть кажущегося значения (X') массового расхода или кажущегося значения (Х') плотности, электронная аппаратура (21) оценки, в свою очередь, в конечном счете, оценивает измеренное значение (Х), достаточно точно представляющее физическую измеряемую величину (х), является ли эта физическая измеряемая величина (х) массовым расходом, плотностью или вязкостью. Рассматривая очень всесторонний и хорошо задокументированный и детализированный уровень техники, можно признать, что определение начального измеренного или кажущегося значения (Х'), которое для практических целей соответствует измеренному значению, генерируемому традиционным способом, не представляет никаких трудностей для специалистов в данной области техники, так что для дальнейшего объяснения изобретения можно принять начальное измеренное значение (Х') как данное.
1
2
В отношении упомянутых неоднородностей в среде со ссылкой на уровень техники уже обсуждалось, что эти неоднородности могут немедленно проявлять себя как в разности фаз, измеренной между двумя сигналами (s), (s) колебаний, так и в амплитуде колебаний или частоте колебаний каждого из этих двух сигналов измерения колебаний соответственно тока возбуждения; следовательно, практически во всех обычным образом измеренных, прямо или косвенно, рабочих параметрах измерительных устройств описанного вида. Это истинно, особенно в случае рабочих параметров, определенных с помощью измерительной трубы, совершающей поперечные колебания, как указано в WO - А 03/076880 или US - В 6,311,136, US - В 6,505,519; однако это также не всегда можно исключить для рабочих параметров, измеренных с помощью измерительной трубы, совершающей крутильные колебания, - в этой связи см. US - А 4,524,610.
Дальнейшие исследования, однако, привели к удивительному открытию, что помимо хорошо известного пузырькового эффекта должны быть другие значительные эффекты, которые влияют на точность измерения встроенных в трубопровод измерительных устройств с вибрационным измерительным преобразователем. Следовательно, погрешности плотности и массового расхода не могут быть прямо связаны, как предполагается в классической пузырьковой теории.
Фиг.7 показывает типичный характер кривой для кориолисова расходомера. Чтобы объяснять положительные погрешности измерения в массовом расходе вместе с отрицательными погрешностями измерения в плотности, которые имеют место при низких истинных объемных содержаниях газа и которые не могут быть объяснены с позиций классической пузырьковой теории, была создана новая модель движущегося резонатора. Исходной точкой для разработки концепции движущегося резонатора является кориолисов принцип работы при идеальных условиях. Затем мы рассматриваем акустические свойства жидкостно-газовых смесей и приводим приближенную модель резонатора. Наконец, этот резонатор интегрируется в измеритель невозмущенного потока, что делает возможным вычисление погрешностей плотности и массового расхода. Для повышения точности модели резонатора в это вычисление может быть включена или интегрирована компенсация погрешности, основанная на "пузырьковой теории".
Прежде всего, посредством соответствующей модели трубы будет объяснено правило работы кориолисова расходомера при идеальных условиях. Имеющиеся в продаже устройства обладают большим разнообразием форм трубы. Здесь без какой бы то ни было потери общности изложения рассматривается только единственная прямолинейная труба, показанная на фиг.8. Как правило, труба с защемляющими неподвижными опорами на обоих ее концах вибрирует в своей первой собственной моде с постоянной амплитудой. Колебания возбуждаются задающим элементом, помещенным в центре, чтобы компенсировать рассеиваемую энергию. Оценивая соответствующую резонансную частоту, можно определить плотность жидкости, см. также уравнение (8). При наличии потока движущаяся текучая среда на входе и выходе трубы создает силы Кориолиса, имеющие противоположные направления из-за противоположного знака их локального поворота. Вторая собственная мода сдвигается ниже ее резонансной частоты. Так первая, симметричная мода возбуждения и вторая, антисимметричная кориолисова мода налагаются с рассогласованием по фазе 90°. Очевидно, что труба кажется искаженной. Сдвиг во времени между двумя гармоническими сигналами датчиков, измеренными на входе и выходе трубы, прямо пропорционален массовому расходу, см. также уравнение (15). Вся эта информация может быть получена путем анализа основного уравнения кориолисовых расходомеров на основе уравнения Бернулли линии прогибов балки
t
t
t
t
силы демпфирования и задающего элемента не учитываются, х - смещение в вертикальном направлении, z - горизонтальная координата, E - модуль Юнга, I - осевой момент инерции сечения. Aи А определяют площади сечения, a ρ и ρ - плотности трубы и жидкости соответственно. Первый член уравнения представляет слой изгибающей силы на трубе, второй член дает слои обыкновенных сил инерции трубы и текучей среды и третий член с левой стороны дает силу Кориолиса, где v - скорость текучей среды. Как было упомянуто выше, труба длиной 1 закреплена на обоих концах
В первую очередь, мы пренебрегаем силой Кориолиса и решаем уравнения (1), (2) и (3) разделением переменных. Подробный вывод может быть найден в Rieder, A., Modellgestützte Auslegung und Realisierung eines Coriolis-Massedurchfluβmessers mit einem geraden Meβrohr, Fortschr.-Ber. VDI Reihe 8 Nr. 731, VDI Verlag, Düsseldorf, 1998 и Raszillier, H., and Durst, F., Coriolis Effect in Mass Flow Metering, Arch. Appl.Mech., 61, pp.192 214,1991. Для упрощения вывода вводится пространственное преобразование
.
D
C
D
C
В решении нас интересуют только первые две моды, которые мы называем модой возбуждения и кориолисовой модой, обозначаемые с нижними индексами D и С соответственно. Соответствующие собственные значения γ и γ принимают значения 2,365 и 3,926. Соответствующие нормированные собственные формы a и a  представляют собой:
D
C
На фиг.9 показаны симметричная мода возбуждения и антисимметричная кориолисова мода. Частота (f) возбуждения и кориолисова частота (f) получены следующим образом:
D
D
Для пустой и заполненной водой стальной трубы с внутренним радиусом 0,05 м, толщиной стенки 0,004 м и длиной 1,5 м рабочая частота (f) составляет 286,7 Гц и 218,6 Гц соответственно. При преобразовании уравнения (7) получаем, что плотность (ρ) зависит от измеренной частоты (f) возбуждения:
Для определения массового расхода определяем разложенную аппроксимацию гармонического решения:
А
с комплексными модальными амплитудами  и собственными формами а. Затем вставляем в уравнение (9) с уравнениями (4), (5) и (6) в левую сторону уравнения (1), умножаем его на уравнение (6) и интегрируем по длине трубе:
В результате этого модального разложения получаем:
где
c
CD
C
D
A
A
являются: податливость (k), кориолисов коэффициент связи (c) и массовый расход () соответственно. Как было упомянуто выше, кориолисова мода () возбуждается модой () возбуждения через массовый расход. Наконец, массовый расход связан со сдвигом (Δt) во времени между двумя гармоническими сигналами датчика соотношением:
Модальные амплитуды могут быть выведены из сигналов датчиков путем построения суммы и разности после синхронного детектирования.
Чтобы понять механизм погрешности в многофазных условиях, далее рассматриваем общие акустические свойства жидкостно-газовой смеси. Поэтому пренебрегаем локальным существованием отдельных газовых пузырьков. Для малого количества газа пузырьки обычно малы по сравнению с диаметром трубы, и они распределяются однородно. На этом уровне приближения присутствие пузырьков проявляет себя только в изменении скорости (с) звука и плотности (ρ), одинаковой по всему объему
g
1
1
5
Символами c, c и с обозначены скорости звука в газе, жидкости и смеси. Кроме того r, r и g представляют собой плотность жидкости, плотность смеси и адиабатическую константу соответственно. Учтенными параметрами являются объемная концентрация (а) газа, также называемая истинным объемным содержанием газа, и статическое давление (р). На фиг.10 показана зависимость скорости звука от концентрации газа для различных значений давления, когда жидкая фаза представляет собой воду, а газовая фаза представляет собой воздух. Согласно уравнению (16) скорость звука в смеси уменьшается в сильной степени даже при малой концентрации газа. Если, например, вводится 1.5% воздуха при давлении 10 Па, то скорость звука в воде уменьшается со 1460 м/с до 95 м/с. Это можно объяснить тем, что малое количество газа при низкой концентрации значительно уменьшает жесткость смеси. Пониженная скорость звука, в свою очередь, уменьшает резонансную частоту смеси в трубе, что обсуждается ниже.
Зная свойства смеси, теперь можно описать акустический режим жидкости в поперечно колеблющейся трубе. После этого вывода особенный интерес представляет самая низкая доминирующая собственная мода в круглом поперечном сечении трубы. Таким образом оцениваем волновое уравнение в этой области
ν
где ϕ представляет собой потенциал скорости, а с - скорость звука. Акустическое давление (р) и вектор () скорости могут быть рассчитаны по формулам:
Вдоль трубы физические величины сохраняются постоянными, таким образом, осевая координата может быть опущена. Поскольку речь идет о трубе круглого поперечного сечения с радиусом (R), то уравнение (18) выражают в цилиндрических координатах (r, Θ):
Для трубы в состоянии покоя радиальная скорость вдоль стенки трубы обращается в нуль. Соответствующее граничное условие имеет вид:
1
Аналогично тому, что сделано с уравнениями (1), (2), и (3), можно разделением переменных решить уравнения (21) и (22). При этих обстоятельствах решение основано на функции Бесселя первого рода. Собственные значения представляют пересечения нуля этой функции, и первое собственное значение вычислено как λ=1,842. Соответствующая собственная частота может быть рассчитана по формуле:
В продолжение примера, описанного выше для трубопровода с радиусом R=0,05 м, резонансная частота может упасть с 8557 Гц для чистой воды до 555 Гц для смеси. Соответствующее поле скоростей первой собственной формы, основанное на функции Бесселя, показано на фиг.11. Максимальная скорость х-компонента имеет место в центральной области.
1
1
0
1
0
Другой параметр, следующий по важности за резонансной частотой (f), представляет собой слой (m) модальной массы первой собственной моды. Поскольку это доминантная мода, затем моделируем только связанный с ней резонатор. Все массы высших мод собраны в неактивный слой (m) модальных масс, который "липнет" к стенке трубы. Решение может быть получено с использованием ортогональности собственных форм. С соответствующими массовыми долями r=0,837 и r=0,163 и площадью поперечного сечения трубы - А, соблюдаются следующие уравнения:
l
l
Путем замены ρ=ρ (1-α) на ρ=ρ (1-3α) в уравнении (24) в модель включен "пузырьковый эффект".
1
1
0
1
1
Резонансная частота (f) равно как слои модальных масс резонатора (m) и неактивной массы (m) определяют свойства модели движущегося резонатора, показанной на фиг.12. Дополнительно может быть измерена и включена в модель добротность (Q) системы. Это, по существу, система принудительного возбуждения одной степени [L.Meirovitch, Elements of Vibration Analysis, McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1986 год], где m - масса, k - жесткость пружины, a d - коэффициент демпфирования. Когда имеется массовый расход, этот резонатор фактически перемещается по трубе. Труба представляет колеблющуюся границу (х) области текучей среды, которая возбуждает колебания в смесь. В результате взаимодействия на движение стенки трубы отвечает слой (f) реактивной силы. Интерес представляет передаточная функция (Н), описывающая динамическую зависимость между х и f. Составляя дифференциальные уравнения движения и применяя преобразование Лапласа, получаем:
где
Далее, мы принимаем, что резонатор перемещается через колеблющуюся трубу со скоростью (ν). Следовательно, осевая координата (z) связана с временнóй областью зависимостью:
0
1
Кривые на фиг.13 основаны на уравнениях, приведенных выше, и они относятся к моде возбуждения. Кривая, показанная сплошной линией, представляет собой траекторию неактивной массы (m), "липнущей" к трубе, а кривая, показанная штриховой линией, представляет собой массу (m) резонатора, движущуюся по трубопроводу. Можно увидеть, что по пути через трубу имеют место разность амплитуд и сдвиг фазы. Объединяя уравнение (4), (5), (6), (9), (25) и (28), можно вычислить реактивную силу f. Чтобы получить силовой слой в пространстве, временнáя область преобразуется назад в пространственную область при использовании зависимости, обратной уравнению (28). В результате получается уравнение (29)
D
где L обозначает оператор Лапласа. Каждый модальный компонент (f, C) силового слоя (f) является комплексной и асимметрической функцией. Для вычисления погрешности эти силы разлагаются на свои действительные и мнимые части, а также на симметричные и антисимметричные составляющие.
Аналогично уравнению (10) выполняем модальное разложение:
В качестве первого результата получаем уравнение (33) для определения в ходе итерационной вычислительной процедуры фактической частоты () возбуждения системы:
Зная эту частоту () возбуждения, получаем возмущенную или кажущуюся плотность , показанную в уравнении (33), и соответствующую фактическую добротность :
1
Измеряя этот коэффициент, можно адаптировать добротность (Q) резонатора. С уравнением (33) погрешность плотности между истинной плотностью (ρ) и кажущейся плотностью () в двухфазных условиях задается формулой:
Оценивая уравнение (32), дополнительно получаем кориолисов коэффициент связи в условиях смеси:
Если принять, что демпфирование системы не слишком низко () и отношение частоты возбуждения к кориолисовой частоте остается постоянным , то погрешность массового расхода может наконец быть рассчитана по формуле:
CD
Кориолисов коэффициент (c) связи, который используется здесь как опорное значение для связи мод в случае однородных однофазных сред, может быть предварительно откалиброван при соответствующем однофазном условии. Теперь на основе вышеприведенного вывода можно вычислить погрешности измерения, как для плотности, как показано в уравнении (35), так и массового расхода, как показано в уравнении (37), в случае, когда концентрация газа в жидкости является ненулевой.
1
2
1
5
Модель движущегося резонатора, включающая в себя "пузырьковый эффект", может быть воплощена в численном виде в системе компьютерной алгебры, например, непосредственно в вышеупомянутом микрокомпьютере (55). Параметры и константы, которые могут быть использованы для модели, перечислены в таблице 1. Соответствующие результаты для двух различных объемных концентраций газа, α=1.5% и α=15%, а также как для двух различных значений давления, p=1×10 Па и
2
5
р=5×10 Па показаны в таблице 2.
D
l
1
Как показано на фиг.14, модель движущегося резонатора, описанная выше, может быть использована для компенсации погрешностей измерения кориолисовых измерительных устройств. Для этого могла бы быть использована следующая схема компенсации погрешностей, например: вводимыми величинами являются отдельно измеренная скорость (с) звука в смеси и измеренные величины кориолисова расходомера, такие как фактическая частота  возбуждения, добротность  системы, кажущаяся плотность  и кажущийся массовый расход (m). Добротность  системы является функцией тока (I) возбуждения. Зная скорость звука (с) в смеси, с уравнением (23) можно определить частоту (f) резонатора. Используя уравнение (33) и уравнение (34), в ходе итерационной процедуры подбираются неизвестные параметры: объемная концентрация (α) газа и добротность (Q) резонатора. Таким образом разности между измеренными и расчетными значениями добротности  системы и фактической частоты () возбуждения минимизированы. Наконец, путем использования уравнения (35) и уравнения (37) могут быть определены истинный массовый расход (m) и истинная плотность (ρ) смеси. В результате алгоритм компенсации погрешностей дает фактический массовый расход (), фактическую плотность (ρ) смеси и объемную концентрацию (а) газа.
1
1
Альтернативная схема компенсации погрешностей может заключаться в следующем: измеряя скорость (с) звука и давление (р) в смеси, можно с помощью уравнения (16) рассчитать объемную концентрацию (а) газа. В качестве альтернативы этот этап может также быть выполнен с использованием интерполированной справочной таблицы, которая состоит из измеренных или расчетных троек (с, р, а). Зная скорость звука (с) в смеси, с уравнением (23) можно определить частоту (f) резонатора. Используя уравнение (34), определяется неизвестный параметр - добротность (Q) резонатора. Таким образом, в ходе итеративной процедуры разность между измеренной и расчетной добротностью () системы минимизирована. Наконец, путем использования уравнения (35) и уравнения (37) могут быть определены истинный массовый расход () и истинная плотность (ρ) смеси. В результате алгоритм компенсации погрешностей дает фактический массовый расход (), фактическую плотность (ρ) смеси и объемную концентрацию (а) газа.
Таблица 1 - набор параметров
Таблица 1
Параметры
Значения
Длина трубы: 1
1,5 м
Внутренний радиус трубы: R
0,05 м
Толщина трубы: h
0,004 м
Модуль Юнга трубы: E<sub>t</sub>
210×10<sup>9 </sup>H/м<sup>2</sup>
Плотность трубы: ρ<sub>t</sub>
8000 кг/м<sup>3</sup>
Плотность жидкости: ρ<sub>1</sub>
1000 кг/м<sup>3</sup>
Скорость звука в жидкости: с<sub>1</sub>
1460 м/с
Скорость звука в газе: c<sub>g</sub>
340 м/с
Адиабатическая газовая постоянная: γ
4/3
Добротность резонатора: Q<sub>1</sub>
10
Скорость текучей среды: v
1 м/с
Концентрация газа: α
α<sub>1</sub>=1,5%; α<sub>2</sub>=15%
Давление: р
P<sub>1</sub>=1×10<sup>5</sup> Па; р<sub>2</sub>=5×10<sup>5</sup> Па
Таблица 2 - Расчетные результаты
Таблица 2
Параметры
(0,0, р)
(α<sub>1</sub>, p<sub>1</sub>)
(α<sub>1</sub>, p<sub>2</sub>)
(α<sub>2</sub>, p<sub>1</sub>)
(α<sub>2</sub>, p<sub>2</sub>)
Скорость звука в смеси: с
1460,0 м/с
94,7 м/с
209,7 м/с
32,3 м/с
72,0 м/с
Резонансная частота смеси: f<sub>1</sub>
8556,6 Гц
555,3 Гц
1228,8 Гц
189,4 Гц
522,0 Гц
Частота возбуждения системы: <img file="00000037.tif" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
218,6 Гц
214,4 Гц
219,4 Гц
307,8 Гц
235,6 Гц
Добротность системы: <img file="00000055.tif" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
∞
391,8
4880,0
16,6
309,7
Погрешность плотности: Е<sub>ρ</sub>
0,0%
11,1%
-0,4%
-121,6%
-21,5%
Погрешность массового расхода: E<sub>m</sub>
0,0%
27,8%
2,4%
-70,8%
-4,2%