專利名稱：用于流量計(jì)中幾何熱補(bǔ)償?shù)膬x表電子和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量計(jì)，并且更具體地，涉及用于流量計(jì)中用于幾何熱補(bǔ)償?shù)膬x表電子和方法。

背景技術(shù)：
振動(dòng)管道傳感器，例如Coriolis流量計(jì)和振動(dòng)密度計(jì)，一般由檢測包含流動(dòng)物質(zhì)的振動(dòng)管道的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行工作。與管道中物質(zhì)有關(guān)的性質(zhì)，例如質(zhì)量流量、密度等，可以通過處理從相關(guān)于管道的運(yùn)動(dòng)換能器(motion transducer)中接收的測量信號而確定。振動(dòng)物質(zhì)填充系統(tǒng)(vibrating material-filled system)的振動(dòng)模式一般受包含的管道和包含于管道中的物質(zhì)的組合質(zhì)量、抗撓性(stiffness)和阻尼特性的影響。
典型的Coriolis流量計(jì)包括在管道內(nèi)或其它傳送系統(tǒng)中串聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)流量管道(flow conduit)或流量管(flow tube)和系統(tǒng)中的運(yùn)送物質(zhì)，例如流體、漿體等。各管道可以視為具有一組自然振動(dòng)模式，包括(例如)單純彎曲、扭轉(zhuǎn)、徑向(radial)和耦合(coupled)模式。在典型的Coriolis流量測量應(yīng)用中，當(dāng)物質(zhì)流過管道時(shí)，管道被激發(fā)處于一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)模式中，并且在沿管道間隔的點(diǎn)處測量管道的運(yùn)動(dòng)。一般由激勵(lì)器提供激發(fā)，例如諸如語音圈型驅(qū)動(dòng)器之類的機(jī)電裝置，以周期的方式擾動(dòng)管道。質(zhì)量流量率(mass flow rate)可以通過測量換能器位置處運(yùn)動(dòng)間的時(shí)間延遲或者相位差來確定。一般采用兩個(gè)這樣的換能器(或者敏感元件傳感器(pickoff sensor))以測量流量管道的振動(dòng)響應(yīng)，并且所述換能器一般位于激勵(lì)器的上游和下游的位置。兩個(gè)敏感元件傳感器通過電纜連接而連接到電子儀器，例如獨(dú)立的兩對電線。該儀器接收來自兩個(gè)敏感元件傳感器的信號并處理該信號以得到質(zhì)量流量率測量。
對于流量計(jì)的一組情形而言，(例如對于特定的溫度、裝配、外荷載等而言)，質(zhì)量流量率與敏感元件傳感器之間的時(shí)間延遲(⊿t)線性成比例。該關(guān)系在下面的等式1中給出。
FCF項(xiàng)是比例常數(shù)并且通常指的是流量校準(zhǔn)因子。zero值是經(jīng)驗(yàn)性得到的零流量偏移值。
FCF主要依賴于流量計(jì)的流量管道的抗撓性和幾何(geometry)。幾何包括諸如進(jìn)行兩相或時(shí)間測量的位置之類的特性?？箵闲砸蕾囉诹髁抗艿赖奈镔|(zhì)性質(zhì)以及管道的幾何。對于特殊的流量計(jì)而言，通過以兩個(gè)已知質(zhì)量流量率并在特定校準(zhǔn)溫度處流動(dòng)的校準(zhǔn)流體而執(zhí)行的校準(zhǔn)過程來找到FCF值和zero值。
如果流量計(jì)的抗撓性或者幾何在操作期間改變(在最初的校準(zhǔn)的時(shí)間之后)，那么FCF也將改變。例如，工作溫度增加至校準(zhǔn)溫度之上的水平可能導(dǎo)致流量計(jì)抗撓性的改變。為了確保準(zhǔn)確測量質(zhì)量流量，要求FCF值和zero值保持幾乎不變。這可能很難實(shí)現(xiàn)。備選地，準(zhǔn)確的質(zhì)量流量測量要求采用解決FCF和/或zero值改變的穩(wěn)健的方法。
現(xiàn)有技術(shù)流量計(jì)一般以特定的參考溫度(T0)校準(zhǔn)。然而，在使用中流量計(jì)經(jīng)常在不同于參考溫度的溫度進(jìn)行操作。
在現(xiàn)有技術(shù)中，流量計(jì)以相對簡單的方式來補(bǔ)償溫度的變化。在現(xiàn)有技術(shù)中已知，彈性模量(modulus of elasticity)隨時(shí)間而變。結(jié)果在現(xiàn)有技術(shù)中，質(zhì)量流量和密度等式被增強(qiáng)以解決彈性模量的這個(gè)影響。
包括彈性模量(E)或楊氏模量的溫度補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)有技術(shù)質(zhì)量流量等式的典型形式在下面的等式2中給出。
楊氏模量項(xiàng)(1-φ·ΔT)定義了FCF相應(yīng)于流量計(jì)溫度自參考溫度(T0)的變化而如何改變。
上面函數(shù)的斜率，φ，經(jīng)常被稱為FT，一般是通過特殊的流量計(jì)設(shè)計(jì)或者流量計(jì)家族的實(shí)驗(yàn)而確定的。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常認(rèn)為FT與彈性模量相對于溫度的斜率大體上相同。
然而，彈性模量在操作流量計(jì)的整個(gè)溫度范圍上并不總是線性的。為了解決該非線性，已經(jīng)采用更高階多項(xiàng)式以更好地補(bǔ)償該變化，例如下面的等式3。
更高階的多項(xiàng)式(1-φ1·ΔT-φ2·ΔT2...)項(xiàng)定義了FCF如何隨流量計(jì)溫度的變化而改變。楊氏模量項(xiàng)表示為TFy。(TFy)項(xiàng)能夠包括第一階線性項(xiàng)或者能夠包括多項(xiàng)式。
Coriolis流量計(jì)也能測量在參考的振動(dòng)結(jié)構(gòu)之內(nèi)的處理流體的密度(ρt)。振動(dòng)時(shí)間段的平方與由振動(dòng)系統(tǒng)抗撓性所劃分的振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量線性成比例。對于流量管道的具體情形而言，抗撓性和質(zhì)量是常數(shù)而流體密度(ρt)與時(shí)間段的平方線性成比例。該關(guān)系在下面的等式4中給出。
ρ∫＝C1·K2-C2(4) C1項(xiàng)是比例常數(shù)而項(xiàng)C2是偏移量。系數(shù)C1和C2依賴于流量管道的抗撓性和流量計(jì)內(nèi)流體的質(zhì)量和體積。系數(shù)C1和C2由使用已知密度的兩種流體對流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)而確定。
在現(xiàn)有技術(shù)中，密度計(jì)算也已經(jīng)對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。密度等式的典型形式，包括彈性模量的溫度補(bǔ)償，在下面的等式5中給出。
ρ∫＝C1·K2·(TFy)-C2 (5) 正如之前所討論的，(TFy)項(xiàng)定義了管時(shí)段平方如何隨自參考溫度(T0)的溫度變化而改變。
上面函數(shù)的斜率，φ，在該等式中經(jīng)常被稱為DT，一般通過特定流量計(jì)設(shè)計(jì)(flow meter design)或者流量計(jì)家族(flow meter family)的實(shí)驗(yàn)而確定。應(yīng)該注意，正如在質(zhì)量流量率中，更高階函數(shù)可以用于改善(refine)在密度溫度補(bǔ)償過程上溫度的影響。類似于FT，在現(xiàn)有技術(shù)中，通常認(rèn)為DT與彈性模量相對于溫度的斜率相同。結(jié)果，在現(xiàn)有技術(shù)中，質(zhì)量流量率和密度是以同樣的方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)摹?br> 在大約參考(即校準(zhǔn))溫度處，DT和FT溫度補(bǔ)償程序工作地很能令人接受。然而，它們固有的不準(zhǔn)確/不完整在極端溫度下變得顯而易見和顯著。為此，額外的補(bǔ)償/校準(zhǔn)過程在現(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)常是必要的。例如，對于指定在高溫處使用的流量計(jì)而言，諸如90攝氏度，例如新的校準(zhǔn)過程需要在類似的高參考溫度處執(zhí)行。該額外的校準(zhǔn)過程可以保證流量計(jì)在該新的校準(zhǔn)溫度附近的溫度處在所期望的準(zhǔn)確度之內(nèi)進(jìn)行工作。然而，如果外界溫度急劇下降(或上升)，那么流量計(jì)的準(zhǔn)確度仍會(huì)受到不利的影響。


發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了用于流量計(jì)(flow meter)中幾何熱補(bǔ)償(geometric thermal compensation)的儀表電子(meter electronics)。所述儀表電子包括被配置為接收流量計(jì)的溫度信號(T)和傳感器信號的接口。儀表電子還包括與該接口耦合的處理系統(tǒng)，并且所述處理系統(tǒng)被配置為接收傳感器信號和溫度信號(T)并且使用溫度信號(T)計(jì)算流量計(jì)的一個(gè)或多個(gè)流量管道的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)被用于處理第一和第二傳感器信號。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了用于流量計(jì)中幾何熱補(bǔ)償?shù)姆椒?。該方法包括接收流量?jì)的傳感器信號和溫度信號(T)并且使用溫度信號(T)來計(jì)算流量計(jì)的一個(gè)或多個(gè)流量管道的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)被用于處理第一和第二傳感器信號。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了用于流量計(jì)中幾何熱補(bǔ)償?shù)姆椒āＴ摲椒òń邮樟髁坑?jì)的傳感器信號和溫度信號(T)并且使用溫度信號(T)來計(jì)算流量計(jì)的一個(gè)或多個(gè)流量管道的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。該方法還包括計(jì)算熱補(bǔ)償密度或者熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率中的一個(gè)或全部。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)被用于處理第一和第二傳感器信號。
在儀表電子的一方面，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括線性表達(dá)。
在儀表電子的另一方面，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括多項(xiàng)式表達(dá)。
在儀表電子的又一方面，儀表電子還包括被配置為儲(chǔ)存幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)的儲(chǔ)存系統(tǒng)。
在儀表電子的又一方面，儀表電子還包括被配置為儲(chǔ)存密度和質(zhì)量流量率的儲(chǔ)存系統(tǒng)。
在儀表電子的又一方面，處理系統(tǒng)被配置為使用溫度信號(T)來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量管道的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。
在儀表電子的又一方面，幾何熱補(bǔ)償因子包括參考溫度(T0)和溫度信號(T)之間的溫度差(ΔT)。
在儀表電子的又一方面，處理系統(tǒng)被配置為由傳感器信號和幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量特性。
在儀表電子的又一方面，處理系統(tǒng)被配置為計(jì)算熱補(bǔ)償密度。
在儀表電子的又一方面，處理系統(tǒng)被配置為根據(jù)等式計(jì)算熱補(bǔ)償密度，而(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
在儀表電子的又一方面，(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
在儀表電子的又一方面，處理系統(tǒng)被配置為計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率。
在儀表電子的又一方面，處理系統(tǒng)被配置為根據(jù)等式來計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率，而(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
在儀表電子的又一方面，(TFy)項(xiàng)包括括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
在本方法的一方面，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括線性表達(dá)。
在本方法的另一方面，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括多項(xiàng)式表達(dá)。
在本方法的又一方面，計(jì)算還包括使用溫度信號(T)和熱膨脹線性系數(shù)(α)或多項(xiàng)式來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量管道的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。
在本方法的又一方面，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括參考溫度(T0)和溫度信號(T)之間的溫度差(ΔT)。
在本方法的又一方面，該方法還包括由傳感器信號和幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量特性。
在本方法的又一方面，該方法還包括計(jì)算熱補(bǔ)償密度。
在本方法的又一方面，該方法還包括根據(jù)等式計(jì)算熱補(bǔ)償密度，而(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
在本方法的又一方面，(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
在本方法的又一方面，該方法還包括計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率。
在本方法的又一方面，該方法還包括根據(jù)等式計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率，而(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
在本方法的又一方面，(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。



圖1示例了包括流量計(jì)組件和儀表電子的Coriolis流量計(jì)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流量計(jì)的儀表電子。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例對流量計(jì)進(jìn)行操作的方法的流程圖。

具體實(shí)施例方式 圖1-3和下面的說明描述了特定的示例以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何進(jìn)行并使用本發(fā)明的最佳模式。為了教導(dǎo)發(fā)明原理，一些常規(guī)方面已經(jīng)被簡化或忽略。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到落入本發(fā)明范圍的來自這些示例的變型。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到下面所描述的特性可以以多種方式結(jié)合以形成本發(fā)明的多個(gè)變型。因此，本發(fā)明不受限于下面所描述的特定示例，而本發(fā)明只由權(quán)利要求及其等同物所限定。
圖1示例了包括流量計(jì)組件10和儀表電子20的Coriolis流量計(jì)5。儀表電子20經(jīng)由引線100而被連接到儀表組件10以提供密度、質(zhì)量流量率、體積流率、總質(zhì)量流量、溫度和路徑26上的其它信息。本發(fā)明可以通過任何類型的Coriolis流量計(jì)5來使用而與驅(qū)動(dòng)器、敏感元件傳感器、流量管道的數(shù)量或者振動(dòng)的操作模式無關(guān)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)是顯而易見的。描述了Coriolis流量計(jì)5結(jié)構(gòu)，盡管對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以作為不具有由Coriolis流量計(jì)5所提供的額外測量能力的振動(dòng)管密度計(jì)來實(shí)現(xiàn)是顯而易見的。
流量計(jì)組件10包括一對輪緣101和101’、歧管150和150、驅(qū)動(dòng)器(driver)180、敏感元件傳感器170L和170R以及流量管道130和130’。驅(qū)動(dòng)器180和敏感元件傳感器170L和170R被連接到流量管道130和130’。
當(dāng)流量計(jì)組件10被插入載送被測物質(zhì)的管路系統(tǒng)(未示出)時(shí)，物質(zhì)通過輪緣101進(jìn)入流量計(jì)組件10，經(jīng)過進(jìn)氣歧管150(在進(jìn)氣歧管中，物質(zhì)的總量被指引進(jìn)入流量管道130和130’)，流過流量管道130和130’并且返回進(jìn)入排氣歧管150’(在排氣歧管中，物質(zhì)通過輪緣101’而離開儀表組件10)。
流量管道130和130’被選擇并且被合適地裝配至進(jìn)氣歧管150和排氣歧管150’以具有分別繞彎曲軸W--W和W’--W’的大體相同的質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及彈性模量。
流量管道130和130’由驅(qū)動(dòng)器180以繞它們各自的彎曲軸W和W’相反的方向驅(qū)動(dòng)并且以流量計(jì)5的所謂第一未彎曲模式驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器180可以包括許多熟知的設(shè)置中的一個(gè)，諸如裝配到流量管道130的磁鐵以及安裝到流量管道130’的反作用線圈。交流電傳輸通過反作用線圈以使管道都振蕩。合適的驅(qū)動(dòng)信號由儀表電子20經(jīng)由引線186施加至驅(qū)動(dòng)器180。
儀表電子20分別接收在引線165L和165R上的傳感器信號。儀表電子20在引線185上產(chǎn)生使驅(qū)動(dòng)器180振蕩流量管道130和130的驅(qū)動(dòng)信號。儀表電子20接收來自包括外界溫度測量的電阻溫度裝置(RTD)190的溫度信號。在引線195上，從RTD190處接收溫度信號。儀表電子20處理來自敏感元件傳感器170L和170R的左和右速度信號以計(jì)算質(zhì)量流量率。路徑26提供使儀表電子20接口操作者的輸入和輸出器件。僅作為流量計(jì)5的操作示例來提供圖1的說明并且該說明不意限制本發(fā)明的教導(dǎo)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的流量計(jì)5的儀表電子20。儀表電子20包括接口23和處理系統(tǒng)24并且還可以包括儲(chǔ)存系統(tǒng)25。
接口23被配置為接收來自流量計(jì)組件10的信號并且將它們傳遞給處理系統(tǒng)24。接口23被配置為接收例如來自第一和第二敏感元件傳感器170L和170R的第一和第二傳感器信號。接口23還被配置為接收并且儲(chǔ)存來自RTD190的溫度信號32。溫度信號32包括流量管道130和130’的外界溫度的測量。
處理系統(tǒng)24接收并且儲(chǔ)存第一和第二傳感器信號31和溫度信號32。處理系統(tǒng)24還包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)33。熱膨脹的線性系數(shù)(α)33表示由于溫度或者更合適地由于溫度變化的幾何尺寸的變化。因此，熱膨脹的線性系數(shù)(α)33可以包括溫度的線性函數(shù)或者可以包括溫度的多項(xiàng)式函數(shù)。對本發(fā)明而言，溫度的變化可以是溫度(T)自參考或校準(zhǔn)溫度(T0)的變化，即值T-T0。
熱膨脹的線性系數(shù)(α)33包括流量管比值(specific value)。熱膨脹的線性系數(shù)(α)33是根據(jù)至少流量計(jì)組件10的流量管130和130’的物質(zhì)來選擇的。另外，熱膨脹的線性系數(shù)(α)33可以根據(jù)流量計(jì)組件10的其它性質(zhì)(例如管幾何、壁厚等)來選擇。
熱膨脹的線性系數(shù)(α)33包括幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45的分量。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45被用于執(zhí)行由于流量計(jì)組件10的熱膨脹/熱收縮而引起的幾何補(bǔ)償。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45因此可以根據(jù)流量計(jì)組件10的物質(zhì)和性質(zhì)而形成。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45在下文更詳細(xì)地討論。
處理系統(tǒng)24被配置為計(jì)算來自傳感器信號31的一個(gè)或多個(gè)流量特性和一個(gè)或多個(gè)流量測量。流量測量可以包括質(zhì)量流量率35、密度34等中的一個(gè)或多個(gè)。流量特性可以包括被用于生成流量測量的頻率(f)、相位差(Δθ)、時(shí)間延遲(Δt)等中的一個(gè)或多個(gè)。
在一個(gè)實(shí)施例中，處理系統(tǒng)24被配置為使用溫度信號來計(jì)算流量計(jì)5的一個(gè)或多個(gè)流量管道130和130’中的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45被用于處理傳感器信號31。
在一些實(shí)施例中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45能夠包括例如表示為(1+α·ΔT)項(xiàng)的線性補(bǔ)償因子。(TFe)的線性表示可以包括幾何熱膨脹的線性近似。在一些實(shí)施例中，線性補(bǔ)償因子(TFe)可以提供充分的準(zhǔn)確度。然而，幾何熱膨脹或者收縮不是嚴(yán)格地線性并且在一些實(shí)施例中線性近似可能沒有達(dá)到所期望的準(zhǔn)確度。因此，在一些實(shí)施例中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45可以包括多項(xiàng)式，正如對楊氏模量(E)而言可以實(shí)現(xiàn)一樣(見等式(3))。例如，多項(xiàng)式補(bǔ)償因子可以表達(dá)為(1+α1·ΔT+α2·ΔT2+α3·ΔT3)項(xiàng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，處理系統(tǒng)24被配置為使用溫度信號來計(jì)算在一個(gè)或多個(gè)流量管道130和130’中的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45，并且使用幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45來計(jì)算熱補(bǔ)償密度。在一個(gè)實(shí)施例中，處理系統(tǒng)24被配置為使用溫度信號來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量管道中的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45，并且使用幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率。其它的流量特性也可以用幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45來補(bǔ)償。
儲(chǔ)存系統(tǒng)25能夠儲(chǔ)存所接收的信號和數(shù)據(jù)。例如，儲(chǔ)存系統(tǒng)25能夠儲(chǔ)存所接收的傳感器信號31和所接收的溫度信號32。儲(chǔ)存系統(tǒng)25能夠儲(chǔ)存在計(jì)算中使用的常數(shù)。例如，儲(chǔ)存系統(tǒng)25能夠儲(chǔ)存參考溫度(T0)36，抗撓性值(K)38、第一常數(shù)C139、第二常數(shù)C240以及FCF值37。儲(chǔ)存系統(tǒng)25能夠儲(chǔ)存所計(jì)算的值，包括密度34、質(zhì)量流量率35以及幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45。另外所計(jì)算的值正如所期望的那樣可以儲(chǔ)存在儲(chǔ)存系統(tǒng)25中。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，除了彈性模量的補(bǔ)償之外，熱膨脹和或熱收縮的項(xiàng)也被包括在流量計(jì)的密度和質(zhì)量流量等式中。下面的等式6到14示出了包括幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)45的幾何熱補(bǔ)償?shù)耐茖?dǎo)。等式15和19示出了項(xiàng)是如何被包括在處理流量計(jì)5的傳感器信號中的。
Coriolis流量計(jì)的物理性狀由束理論(beam theory)可以很好地近似。Euler-Bernoulli束(beam)的固有頻率在下面的等式6中給出。
(E)項(xiàng)是束的彈性模量，(I)項(xiàng)是束的慣性面積矩，(M/1)項(xiàng)是每單位長度束(管)和它包含的任何流體的質(zhì)量，(1)項(xiàng)是束的長度，而(βnl)2項(xiàng)是依賴于束的邊界條件的常數(shù)。
每單位長度的質(zhì)量(M/1)，以密度(ρ)和截面面積(A)來表示，在下面的等式7中給出。
M/l＝(ρt·At+ρf·A∫)(7) 下標(biāo)指出流量管道或流量管(t)以及流體(f)。
彈性模量(E)可以隨溫度變化。下面的等式8是彈性模量作為溫度函數(shù)的表達(dá)式。雖然示出是線性的，但是可以由更高階多項(xiàng)式表示。
E(T)＝E0·(TFy) (8) (E0)項(xiàng)是在參考溫度(T0)處的彈性模量。正如之前所討論的，(TFy)項(xiàng)是楊氏模量，可以作為線性近似(1-φ·(T-T0))或者作為多項(xiàng)式(1-φ·ΔT-φs·ΔT2-φ3·ΔT3-φ4·ΔT4)來表示。
管的尺寸由于熱膨脹可以隨溫度而變。下面的等式9是管長度(1)作為溫度的函數(shù)的表達(dá)式。雖然示出是線性的，但類似于彈性模量，它也可以由更高階多項(xiàng)式表示。
l(T)＝l0·(TFe)(9) 10項(xiàng)是在參考溫度T0處的長度而(TFe)項(xiàng)是幾何熱膨脹因子。此外，(TFe)項(xiàng)包含包括(T-T0或者ΔT)項(xiàng)和(α)項(xiàng)的幾何熱膨脹因子。α項(xiàng)可以包含根據(jù)本發(fā)明而引入的熱膨脹的線性系數(shù)。α項(xiàng)被引入以提供幾何膨脹/收縮的熱補(bǔ)償。
該關(guān)系可以應(yīng)用于其它尺寸，例如內(nèi)徑和外徑。內(nèi)徑和外徑被用于計(jì)算管截面面積At(T)、流體截面面積Af(T)以及慣性面積矩I(T)，在下面的等式10-12中示出。
d0項(xiàng)是管的外徑而di項(xiàng)是內(nèi)徑。
管的質(zhì)量不隨溫度而變化，因此它的密度必然隨任何體膨脹而減少。作為溫度的函數(shù)的管密度(ρt)在下面的等式13中給出。
ρt0項(xiàng)是在參考溫度(T0)處流量管道的密度。
管時(shí)段(K)反比于固有頻率(ωn)，正如在下面等式14中給出一樣。
使用等式6-14，流體密度(ρt)可以根據(jù)管時(shí)段(K)、溫度(T)、模量隨溫度的變化(φ)以及幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來表示，如下面的等式15中給出的一樣。
C1和C2項(xiàng)是獨(dú)立于溫度并且與在參考溫度處流量管的幾何以及物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。(TFy)和(TFe)項(xiàng)包括包含溫度(T)與參考溫度(T0)之間差別的(ΔT)項(xiàng)。此外，(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
由于Coriolis力而產(chǎn)生的在流體運(yùn)送束(fluid conveying beam)上兩點(diǎn)之間的相角差(Δθ)以下面等式16給定的形式出現(xiàn)。
x項(xiàng)表示沿束的長度的位置并且可以以長度(1)給出，(

)項(xiàng)是質(zhì)量流量率，而其它變量正如之前定義的一樣。
時(shí)間延遲(Δt)正如下面等式17給出的一樣，與相差(Δθ)有關(guān)。
從等式6和16，時(shí)間延遲(Δt)可以用質(zhì)量流量率

和常數(shù)(C)來表示，正如下面等式18給出的一樣。
C項(xiàng)是基于測量時(shí)間延遲(Δt)的兩個(gè)點(diǎn)的常數(shù)。
質(zhì)量流量率(

)可以用時(shí)間延遲(Δt)、溫度(T)、模量隨溫度的變化(φ)以及幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來表示，正如下面等式19給出的一樣。
FCF項(xiàng)包括與溫度無關(guān)并且與在參考溫度(T0)處流量管的幾何以及物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的基本恒定的值。(ΔT)值是溫度(T)和參考溫度(T0)之間的差。
假如所有其它變量被適當(dāng)?shù)乇碚鞑⑶覝囟葴y量是準(zhǔn)確的，那么由于沒有適當(dāng)?shù)乜紤]幾何熱膨脹/收縮而引入的質(zhì)量流量誤差不會(huì)很大。然而，與此相反，如果不考慮幾何熱變化，那么密度誤差則會(huì)是可感知的。當(dāng)外界溫度移動(dòng)遠(yuǎn)離參考溫度時(shí)，質(zhì)量流量率和密度的不準(zhǔn)確會(huì)變得更明顯。
計(jì)算質(zhì)量流量和密度的新方法通過考慮熱膨脹/熱收縮而改進(jìn)了Coriolis流量計(jì)和振動(dòng)密度計(jì)的準(zhǔn)確度。當(dāng)流量流體的密度與水的密度不同并且溫度不在校準(zhǔn)溫度(T0)附近時(shí)，密度測量準(zhǔn)確的益處是很重要的。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的對流量計(jì)5進(jìn)行操作的方法的流程圖300。在步驟301中，接收傳感器信號31。在一些實(shí)施例中，第一和第二傳感器信號31從流量計(jì)中接收。
在步驟302中，儀表電子從流量計(jì)組件10中接收溫度信號。溫度包括基本(substantially)外界的溫度。
在步驟303中，正如之前所討論的，儀表電子計(jì)算幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。幾何熱補(bǔ)償因子能夠補(bǔ)償流量管道幾何中的熱膨脹或者收縮的流量特性。熱膨脹或收縮能夠包括(例如)截面尺寸的變化和/或流量管道的長度的變化。
在步驟304中，使用幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量特性。正如之前所討論的，可以計(jì)算流量流體的補(bǔ)償密度值。正如之前所討論的，可以計(jì)算流量流體的補(bǔ)償質(zhì)量流量率值。
熱補(bǔ)償提供增加的準(zhǔn)確度。熱補(bǔ)償基本上在流量計(jì)的所有工作溫度范圍上提供改進(jìn)的準(zhǔn)確度。
熱補(bǔ)償提供質(zhì)量流量測量的更準(zhǔn)確的補(bǔ)償。熱補(bǔ)償提供更準(zhǔn)確的密度補(bǔ)償。當(dāng)溫度在測試之間變化時(shí)，熱補(bǔ)償改進(jìn)了測試結(jié)果的分析。
權(quán)利要求
1.一種用于流量計(jì)(5)中幾何熱補(bǔ)償?shù)膬x表電子(20)，所述儀表電子(20)包括接口(23)，所述接口(23)被配置為接收所述流量計(jì)(5)的傳感器信號和溫度信號(T)，而所述儀表電子(20)的特征在于
處理系統(tǒng)(24)，所述處理系統(tǒng)(24)與所述接口(23)耦合且被配置為接收所述傳感器信號和所述溫度信號，并且使用所述溫度信號(T)來計(jì)算所述流量計(jì)(5)的一個(gè)或多個(gè)流量管道(130，130’)的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)，其中，所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)被用于處理第一和第二傳感器信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括線性表達(dá)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括多項(xiàng)式表達(dá)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述儀表電子(20)還包括被配置為儲(chǔ)存所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)的儲(chǔ)存系統(tǒng)(25)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述儀表電子(20)還包括被配置為儲(chǔ)存密度和質(zhì)量流量率的儲(chǔ)存系統(tǒng)(25)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述處理系統(tǒng)(24)被配置為使用所述溫度信號(T)和熱膨脹的線性系數(shù)(α)來計(jì)算所述一個(gè)或多個(gè)流量管道(130，130’)的所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括參考溫度(T0)和所述溫度信號(T)之間的溫度差(ΔT)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述處理系統(tǒng)(24)被配置為從所述傳感器信號和所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述處理系統(tǒng)(24)被配置為計(jì)算熱補(bǔ)償密度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述處理系統(tǒng)(24)被配置為根據(jù)等式來計(jì)算熱補(bǔ)償密度，而所述(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的儀表電子(20)，其中，所述(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述處理系統(tǒng)(24)被配置為計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀表電子(20)，其中，所述處理系統(tǒng)(24)被配置為根據(jù)等式來計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率，而所述(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的儀表電子(20)，其中，所述(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
15.一種用于流量計(jì)中幾何熱補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ龇椒òń邮账隽髁坑?jì)的傳感器信號和溫度信號(T)，所述方法的特征在于
使用所述溫度信號(T)來計(jì)算所述流量計(jì)的一個(gè)或多個(gè)流量管道的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)，其中所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)被用于處理第一和第二傳感器信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括線性表達(dá)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括多項(xiàng)式表達(dá)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述計(jì)算還包括使用所述溫度信號(T)和熱膨脹的線性系數(shù)(α)來計(jì)算所述一個(gè)或多個(gè)流量管道的所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括參考溫度(T0)和所述溫度信號(T)之間的溫度差(ΔT)。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括從所述傳感器信號和所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)來計(jì)算一個(gè)或多個(gè)流量特性。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括計(jì)算熱補(bǔ)償密度。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括根據(jù)等式來計(jì)算熱補(bǔ)償密度，而所述(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括根據(jù)等式來計(jì)算熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率，而所述(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述(TFy)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
27.一種用于流量計(jì)中幾何熱補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ龇椒òń邮账隽髁坑?jì)的傳感器信號和溫度信號(T)，所述方法的特征在于
使用所述溫度信號(T)來計(jì)算所述流量計(jì)的一個(gè)或多個(gè)流量管道的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)；以及
計(jì)算熱補(bǔ)償密度或熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率中的一個(gè)或全部，其中所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)被用于處理第一和第二傳感器信號。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括線性表達(dá)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括多項(xiàng)式表達(dá)。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述計(jì)算還包括使用所述溫度信號(T)和熱膨脹的線性系數(shù)(α)來計(jì)算所述一個(gè)或多個(gè)流量管道的所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)包括參考溫度(T0)和所述溫度信號(T)之間的溫度差(ΔT)。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，計(jì)算所述熱補(bǔ)償密度還包括根據(jù)等式來計(jì)算所述熱補(bǔ)償密度，而所述(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，計(jì)算所述熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率還包括根據(jù)等式來計(jì)算所述熱補(bǔ)償質(zhì)量流量率，而所述(TFe)項(xiàng)包括熱膨脹的線性系數(shù)(α)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述(TFy)項(xiàng)包括彈性模量熱補(bǔ)償項(xiàng)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明提供了用于流量計(jì)(5)中幾何熱補(bǔ)償?shù)膬x表電子(20)。儀表電子(20)包括被配置為接收流量計(jì)(5)的傳感器信號和溫度信號(T)的接口(23)。儀表電子(20)還包括與接口(23)耦合的處理系統(tǒng)(24)，所述處理系統(tǒng)還被配置為接收傳感器信號和溫度信號(T)并且使用溫度信號(T)來計(jì)算流量計(jì)(5)的一個(gè)或多個(gè)流量管道(130，130’)的幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)。幾何熱補(bǔ)償因子(TFe)用于處理第一和第二傳感器信號。
文檔編號G01F15/02GK101523165SQ200680055940
公開日2009年9月2日 申請日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者A·R·普呂森, J·A·S·馬滕斯迪克, R·B·加內(nèi)特 申請人:微動(dòng)公司