用于确定多相流的质量流量比的方法和涡流测量仪的制作方法
用于确定多相流的质量流量比的方法和涡流测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种按权利要求1前序部分的用于确定质量流量比的方法和一种按 权利要求19的前序部分的涡流测量仪。
【背景技术】
[0002] 由现有技术已知在不同测量仪的管路中，在高温区域中测量流质的介质，大多是 气流或蒸汽流的流率。流动体可以至少暂时作为流质的介质的两相或多相的流动体存在。 它们在此包含第一相和第二相，其中，第一相大多包含气体，例如水蒸汽，以及第二相包含 冷凝物，例如水。这种类型的流动体可以通过测量设备，例如文丘里喷嘴、挡板或锥形压差 计测量。在此，首先测量在至少暂时两相或多相的流动体中的气体的体积流量f并且其在 此直接与质量流量 和密度倒数相关，其中，质量流量指的是介质在一个时间单元内穿过 限定的横截面的传输量：
[0004] 此外，由现有技术已知若干涡流测量仪，其以卡门涡街的原理为基础以及迄今为 止都被用于单相流动体。不过这些测量仪也可以用于两相流或多相流。
[0005] DE10 2009 001 525A1 以及DE10 2009 001 526A1 描述了这种用于监控和测 量在管路中流动的、暂时是两相或多相的介质的涡流测量仪。在此，DE10 2009 001 526 A1公开了一种带有管路的测量仪，至少一根测量管可以安装到该管路中。此外还公开了阻 流体和涡旋传感器，涡旋传感器对出现的压力波动作出反应以及将这些压力波动转化为电 信号。
[0006] DE10 2009 001 525A1描述了一种用于监控或测量之前提到的介质的方法，其 中，在流动的介质中产生卡门涡旋。涡旋以涡旋脱落频率&(也称为涡旋频率）从阻流体脱 落，涡旋脱落频率与流动的介质的瞬时流速相关。通过涡旋产生的压力波动被涡旋传感器 检测到。从涡旋脱落频率fv可以确定气态的第一相的体积流量。此外，从传感器信号S中 选择带有狭窄的频带的有效信号分量M。在此，相对带宽小于瞬时涡旋脱落频率fv的50%。 借助有效信号分量，可以在振幅变化的标准偏差和/或有效信号分量的峭度和/或涡旋传 感器的灵敏度的基础上计算出液态的第二相的体积流量。
[0007] 在用涡流测量仪测量流率时，在对至少暂时两相流或多相流进行测量期间得到与 液相的质量流量份额相关的测量误差，其最大可能是涡流测量仪的测量不确定度的多倍以 及因此占多个百分比。这个测量误差随着液相的质量流量份额的上升而变大，
[0009] 其中，Em是测量误差，(是所测得的质量流量以及是气相的质量流量。
【发明内容】
[0010] 从这个现有技术出发，本发明所要解决的技术问题是减少由气相的液相的质量流 量份额引起的测量误差，以及能够实现对气相的体积流量和由此推导出的测量参数，尤其 是气相的质量流量的精确测量。
[0011] 该技术问题通过一种带有独立权利要求1特征的用于确定质量流量比X的流率测 量方法解决。
[0012] 另一所要解决的技术问题在于提供一种涡流测量仪，其能够实现对在至少暂时两 相流或多相流中的气相的流量率进行简单且在此快速的测量，该技术问题通过一种带有独 立权利要求19的特征的涡流测量仪解决。
[0013] 优选的实施方式由从属权利要求描述。
[0014] 根据本发明的方法描述了一种用于在涡流测量仪中确定在测量管中流动的由多 个气相和液相构成的介质的质量流量比（X)的方法，其中，除了气相外，一个相至少暂时可 以是液态的，其中，涡流测量仪带有用于产生和涡旋脱落频率fv关联的传感器信号S的传 感器。在此，气相具有第一密度（Pe)，其典型地不同于液相的第二密度（Pj。在第一步骤 中进行的是，至少在涡旋传感器的区域内借助阻流体在流动的介质中产生卡门涡街，其中， 涡旋以一种与流动的介质的瞬时流速相关的涡旋脱落频率（fv)从阻流体脱落。在第二步 骤中进行的是，借助涡旋传感器来检测由卡门涡旋在流动的介质中引起的周期性的压力波 动，以产生和压力波动对应的传感器信号S。此外，在第三步骤中从传感器信号S中选择出 有效信号分量M，其具有尤其是狭窄的、包含涡旋脱落频率的频带，尤其是带有小于瞬时涡 旋脱落频率的50%的相对带宽，其中，瞬时涡旋脱落频率优选对应于频率带宽的中心频率。 据此，有效信号分量（M)可以用来确定流动的介质的质量流量比（X)，其中，质量流量比（x) 定义为气相的第一质量流量&6与介质流动的总质量流量的比，尤其是按照如下计算规则：
[0015] 利用根据本发明的方法能够在当前的多相流的情形下，在测量一个或多个气相的 质量流量和体积流量时，与迄今为止的方法相比明显减少测量误差Em。在此有利的是，质量 流量比对使用者来说不必是已知的，这是因为这个信息由传感器信号S可知。此外可以以 如下方式明确且稳定地评估测量信号，即，可以与信号的振幅值无关地执行评估。
[0016] 此外，根据本发明可以设置的是，通过输入或者通过测量与密度关联的参数，尤其 是在两相介质内的温度或压力可以确定气相的第一密度pe或液相的第二密度pP为此， 可以在外部通过可以与测量仪在操作上连接的数据处理单元来输入或预定两个密度pP pe，这尤其在介质已知的情况下是有利的。替选地，密度可以单独地或借助合适的传感器 在校准期间预先确定，或也在测量期间直接在测量仪中测量。因此也可以检测密度的与时 间相关的波动。此外，与密度关联的测量参数，密度和/或温度也可以借助输入/输出单元 经由现场总线接口（例如4. 20mA，HART，PA，FF)被其他的测量仪读入到数据处理单元中。 [0017] 涡旋脱落频率&优选可以借助处在测量仪内的评估电子器件来确定，如通常在涡 流测量仪中公知的那样。通过涡旋脱落频率fv又可以借助评估电子器件以已知的方式来 确定在管路中流动的两相介质的气相的流速。
[0018] 但评估电子器件此外也可以执行对近壁流的定量的确定，如尤其是在DE10 2009 006 526A1中描述的那样。在此不再详细探讨这种探测或定量的确定。
[0019] 证实有利的是，借助适用于此的滤波器，围绕涡旋脱落频率fv窄带地从传感器 信号S中选出有效信号分量，其中，相对带宽可以小于对应于涡旋脱落频率的中心频率的 50%。但也可以根据对待使用的有效信号分量的要求的不同而调整带宽。借助选择性地滤 波可以仅考虑到在围绕涡旋脱落频率&的范围内的频率范围，因此带有不同于涡旋脱落频 率fv的频率的干扰部分被滤出。
[0020] 根据本发明，总体上使用与时间相关的有效信号分量M本身，以及由此确定了上 面提到的参数。有效信号分量M由在特定的时间点之后被扫描的、涉及振幅的信号构成以 及本身可以通过下列关系近似地观察到：
[0021] M(t) = A〇(t) ? sin (? (t)), (3)
[0022] 其中，&是与时间相关的振幅以及《是正弦振荡的与时间相关的相位，其在此近 似代表涡旋振荡的相位。尤其是考虑到正弦信号在每一个信号值上的时间上的波动，为此， 可以在另一步骤中确定有效信号分量（M)在一定时间间隔上的至少一个波动值，其中，有 效信号分量（M)在该时间间隔内优选包括大于一个周期的流动体压力波动。通过使用有效 信号分量的波动值的优点在于，这些时间上的波动提供比纯粹使用传感器信号的振幅或有 效信号分量更为稳定的关于流动体状态的信息，这是因为整个可供使用的信号都被用于评 估，并且不仅是最大值或替选地RMS值，如在振幅测量方法中那样。替选地，传感器信号S 也可以直接用完整的带宽评估。但在此得到若干缺陷，这是因为在信号中可以包含可能附 加的干扰分量，这些干扰分量会决定性地影响波动值的评估以及可能导致错误地确定质量 流量比。
[0023] 在一种涡旋流率测量系统中，基本上从涡旋脱落频率fv来测量体积流量，。涡旋 脱落频率可以用来计算流速，流速非常近似地直接与介质的体积流量f成正比。在本发明 的一种改进方案中，由体积流量也可以确定和输出纯气相的质量流量々。
[0024] 为了 能够准确地陈述多相流的质量流量比，需要事先完成对从传感器信号S中选 出来的有效信号分量的静态评估。在此，本发明优选设置的是，在另一步骤中确定在一定时 间间隔内有效信号分量（M)的至少一个波动值，尤其是有效信号分量的振幅变化的标准偏 差（〇)和/或有效信号分量的峭度（Ku)，其中，有效信号分量（M)在该时间间隔内优选包 括大于一个周期的流动体压力波动。
[0025] 为了静态评估可以求出有效信号分量M的振幅变化的标准偏差〇以及传感器信 号S的有效信号分量M的峭度Ku，如也在DE10 2009 001 525A1或DE10 2009 001 526 A1中所描述的那样。当气相的流速处在待确定的本身可以依赖于相应的涡流测量仪的最小 的边界流速之上时，标准偏差〇或峭度Ku可以用来求出多相流的质量流量比（X)。峭度 Ku作为归一化四阶中心矩可以是针对静态分布的倾斜度的程度。此外，为了进一步评估也 可以从测量信号确定如下因素，亦即方差和斜度。
[0026] 本发明的实施方式优选可以设置的是，可以在另一步骤中，在使用有效信号分量M 的情况下确定气相与液相的质量流量比X。给出了各种各样的特征参数，以便描述在此进行 的流率测量。这些特征参数可以组合使用。
[0027] 在此，除了涡旋脱落频率fv外，质量流量份额x也被强调为是特征参数：
[0029] 气相的质量流量4和液相的质量流量<的比也被称为质量流量份额x以及在蒸 汽流中也通常被称为蒸汽质量或蒸汽含量。它表明在特定的时间单元内流过测量管横截面 的两个相的质量的比，其中，me是气相的质量以及是液相的质量。质量流量比x可以由 和压力波动对应的传感器信号和一般的过程条件得出，其中，在本发明的另一实施方式中， 质量流量比x可以是与时间相关的有效信号分量M的函数、密度pppe和祸旋脱落频率fv 的函数：
[0030]x=f(g(M(t))，PG(t),PL(t)，fv(t))〇 (5)
[0031] 特征参数通常与时间相关以及本身也可以与时间相关地在测量仪中检测。
[0032] 为了确定质量流量比x需要函数g(M(t))。函数g(M(t))表示有效信号分量M的 波动参数的大小。尤其可以使用有效信号分量M的峭度Ku或由有效信号分量M求出的振 幅A。(t)的标准偏差作为波动参数。
[0033] g(M(t)) =Ku(M(t))
[0034] (5a)
[0035] g(M(t)) = 〇 (A〇(t))
[0036] 为了更为精确地确定x也可以附加地使用密度Pe(t)、PJt)和涡旋频率fv(t)。
[0037] x可以以合适方式是峭度Ku和弗劳德数，尤其是密度弗劳德数Fr'的函数：
[0039] 本发明例如可以设置的是，质量流量份额x由之前提到的参数Ku和Fr或Fr'的 更高阶的多项式形成，或者也仅借助峭度Ku的更高阶的多项式形成：
[0042] 各个项的系数可以以简单的方式通过Fit函数或其他近似函数近似或确定。
[0043] 密度弗劳德数Fr在此作为惯性与重力的比是例如针对波传播速度的尺度以及按 下列公式给定：
[0045] 在此，U(S是空流速以及D是测量仪的特征长度且尤其对应于测量管的直径。弗 劳德数Fr因此包含气相的空管速度的影响。弗劳德数Fr可以在使用有效信号分量的情 况下有利地确定。为此，可以从涡旋脱落频率&确定带有横截面积AM的管中的空流速
。两个相的密度pe、同样起到作用。
[0046] 在本发明的改进方案中，传感器的灵敏度c可以替选地用作为尺度，以便能够从 传感器信号S中得到质量流量比X。在此，在正弦信号中，可以从交零处的斜率和传感器信 号S的频率来估计灵敏度c。为此，取代传感器信号地优选使用有效信号分量M:
[0048] 即使当正弦信号饱和且看起来更像矩形信号时，从传感器的灵敏度c也可以推导 出振幅A'。推导出的振幅A'可以以如下方式估计：
[0050] 因此可以确定更多的参数，或者与传统的评估相比，通过测量信号的振幅值检验 迄今为止的计算。通过利用灵敏度c，振幅可以脱离计算形式主义以及因此不必用于当前所 示的体积流量确定。体积流量1>因此可以与信号饱和度无关地求出。
[0051] 为了能够减少在多相流中的气相的所测得的体积流量&的测量误差Em需要修正 值心。为了确定合适的修正值&=f(x，Fr)可以首先将方程式（2)变为：
[0053] 根据本发明可以纯粹根据质量流量份额x和弗劳德数Fr，尤其是密度弗劳德数来 描述测量误差Em，从而测量误差Em与线路中的压力p无关。
[0054] 现在，本发明的实施方式优选可以设置的是，在另一步骤中根据质量流量比x确 定修正值心以及据此在下一步骤中借助该修正值K来修正气相的体积流量&。
[0055] 此外，为了确定修正值心还可以设置的是，从质量流量比x的二级多项式得到修 正值Kc。
[0056] Kg=bg+bi?x+b2 ?x2〇 (12)
[0057] 系数IvbdPh又能简单地借助已知的近似法确定。在改进方案中，修正值Ke也 可以与弗劳德数Fr相关，为此可以为函数添加其他项。为此可以将其他与弗劳德数Fr相 关的多项式的项（优选二级项）补充到修正函数中。
[0058] 气相的体积流量IV可以借助心以简单的方式作如下修正：
[0060] 从这个气相的经修正的体积流量尸，也可以确定相应针对气相的经修正的质量 流量A:
[0062] 因此可以用所测得的蒸汽质量x确定总质量流量& = +A.以及因此也确定液 相的质量流量/tt/.。
[0065] 用这种修正方法可以有利地在很大的测量范围内将总质量流量的测量不确定度 下降到±2%，由此，与未经修正的流率测量仪相比可以实现特别精确地测量流量率。
[0066] 最后，本发明可以设置的是，为了通知测量仪使用者，输出质量流量比x或气相的 经修正的体积流量^、或质量流量治、和?^的已求出的值。替选地可以输出所有的值。 输出可以借助处在测量仪上的显示器或单独的显示单元实现。测量值通过与输出单元联接 的电信号线路或数据线路也被提供给另外的数据处理单元，例如计算机或过程导引系统， 用以进一步评估。测量数据因此能在线上快速且简单地显示。
[0067] 此外，本发明还涉及一种用于确定多相流的质量流量比的涡流测量仪，其中，涡流 测量仪包括：
[0068]-用于在流动的介质中产生卡门涡旋的阻流体；
[0069] _尤其是置放在阻流体下游或内部的、用于检测由卡门涡旋在流动的介质内引起 的周期性的压力波动的以及用于产生与压力波动对应的传感器信号（S)的涡旋传感器；以 及
[0070]-与涡旋传感器电连接的数据处理单元，数据处理单元设置用于在传感器信号 (S)的基础上生成至少一个代表质量流量比（X)的输出值。
[0071] 有利的是，在这种设备中可以从测量仪中的传感器信号S本身确定质量流量份额 x以及所有其他在上文中提到的所需的针对修正值的参数。反之，这在其他测量仪中则必须 通过附加的测量装置实现。测量仪可以有利地检测、处理必需的测量参数并且将它们快速 且不复杂地向使用者显示，或作为测量值通过输出单元提供。
[0072] 测量仪为了执行上面描述的测量信号评估而具有评估电子器件，其除了数据处理 单元外也可以包括与传感器连接的测量电路或用于检测和计算测量信号的单独的测量和 调节单元。数据处理单元为了读出所计算出的测量数据也可以与单独的计算机或过程引导 系统连接。监控流率所需的数据为此可以被快速地检测和进一步处理。如若出现误差，那 么使用者可以顺畅地干预。
[0073] 如若用于质量流量比x的值或弗劳德数超过预先确定的边界或者不应再落入测 量范围中，那么根据本发明可以集成一种集成在测量仪中的警报系统，其中，除了声音警告 外，光学警告也可以在测量仪的显示器上输出。 示例性的边界值或阈值例如可以是80%的 蒸汽质量。此外，警报信号也可以通过输出单元告知给所联接的现场总线以及因此告知给 通过现场总线连接的过程导引系统。因此，当不遵守测量仪的测量范围时，可以有利地警告 使用者，以便避免设施中的损伤。
[0074] 为了经修正地确定体积流量或求出修正函数，可以在测量仪本身内测量所有所需 的参数，亦即弗劳德数、尤其是密度弗劳德数Fr和质量流量份额X。与现有技术相比，这是 特别有利的，这是因为在其他测量系统，例如文丘里喷嘴、挡板或锥形压差计中，质量流量 份额x必须通过另一测量系统确定。测量由此可以舒适且快速地集成到现有的测量设施中 或者可以灵活地用于快速测量两相流或多相流的流量。
【附图说明】
[0075] 其他的实施方式以及一些与这些和其他的实施方式结合起来的优点通过下面详 细的描述被清楚且更好地理解。在此有帮助的是参考说明书中的图。基本上相同或极为类 似的物体可以用相同的附图标记标注。
[0076]在此：
[0077] 图1示出根据本发明的方法的流程图；
[0078] 图2示出气相的所测得的质量流量的误差与质量流量比x的关系图；
[0079] 图3示出测量值的数量与修正函数的余数的关系图；以及
[0080] 图4示出质量流量比x的测量不确定度与密度弗劳德数Fr的关系图。
【具体实施方式】
[0081] 在图1中示出了在涡流测量仪中的测量和待实行的计算的流程。涡流测量仪基本 上由测量管形成，介质在测量管中流动。这种流质的介质可以是液态或气态的，但或者是两 相的，带有气态的第一相和液态的第二相。两个相混合物的示例是空气和水，或蒸汽和水， 或油蒸汽和油。其他的相成分或多于两个相也是可能的。
[0082] 阻流体作为流动障碍物伸进管区段，在阻流体上可以构造出卡门涡街。涡流测量 仪此外还具有测量管区段，其延伸到流动体中。测量管区段此外具有传感器，传感器作为机 电转换器工作，其中，通常使用压电或电容转换器。
[0083] 在步骤A1中，待测量的介质流过测量管，其中，在流动障碍物，亦即阻流体上生成 卡门涡街以及产生与流速相关的压力波动，压力波动在步骤A2中被布置在阻流体中的或 紧随其后布置的传感器检测。在此，由卡门涡旋引起的周期性的压力波动被转化成电测量 信号以及传送给评估电子器件。评估电子器件布置在测量仪内部以及具有数据处理单元， 数据处理单元将测量信号优选数字地转换成传感器信号S。在步骤A3中，从传感器信号S 中选出有效信号分量M。在该情况下，先是选出围绕涡旋脱落频率fv的窄带的频率范围作 为有效信号分量M。这个有效信号分量既包含涡旋脱落周期的信息也包含用于计算质量流 量比的信息。在步骤A4中为评估电子器件另外提供介质的压力和温度。这要么通过由使用 者直接将值输入到仪器中发生，要么通过涡流测量仪中的附加的传感器装置来测量参数， 亦即压力和温度，或者通过现场总线接口读入（4-20mA电流输入端，HART，PA，FF)参数，亦 即压力和温度。
[0084] 如上文描述的那样，现在对测量信号进行评估；步骤序列B的步骤B1至B4平行地 或按预先确定的顺序执行。有效信号分量M按照涡旋脱落频率fv分析以及后者被确定（步 骤B1)且使用在进一步的评估中。对于本领域技术人员来说，从有效信号分量M中确定涡 旋脱落频率fv是公知的。
[0085] 有效信号分量M在一段时间内被接收，从而可以记录时间上的波动。有效信号分 量于是在一定时间间隔内经受静态评估，其中，除了标准偏差〇外，在步骤B4中也计算峭 度Ku。此外还可以借助布置在测量管区段中的其他的传感器来测量或输入测量参数，例如 温度T(步骤B2)或可选地还有压力p(步骤B3)。
[0086] 由测量信号M和温度T以及必要时压力p可以在进一步的相互关联中在步骤B5 中确定物理参数，例如介质的密度P，气相的密度Pe以及液相的密度Pu两种相的密度 可以根据要求要么在内部在测量仪内测量，要么在外部借助合适的传感器测量。但倘若穿 流的介质和其密度是已知的话，密度也可以从外部输入或在评估电子器件中预先确定。
[0087] 在下一个步骤C2中，借助步骤B1中确定的涡旋脱落频率&来计算弗劳德数Fr， 尤其是密度弗劳德数Fr'，如也由方程式（8)可知。特别重要的是确定密度弗劳德数Fr'， 其通过测量仪的特定值与各测量状况相匹配。
[0088] 计算步骤C3和B6检验峭度Ku或密度弗劳德数Fr'是否分别处在预先确定的测 量范围内。
[0089] 若值在测量范围之外，那么例如当Ku大于3时，返回值"质量流量份额小于最小 值"（步骤H)。这表明质量流量份额x过小。讯息可以作为警告讯息返回，其中，测量仪发 出声学的或光学的警告讯息。为此，值可以在显示单元上，例如直接在测量仪上的显示器上 输出。此外，警报信号也可以通过与输出单元联接的现场总线接口（4-20mA，HART，PA，FF) 输出。
[0090] 对在测量范围之外的弗劳德数而言，在步骤C4中同样输出值"在测量范围外"。在 两种情形下，评估都结束且同样输出了警告。
[0091] 若在两种询问情形下（步骤C3和B6)，值都在预先确定的测量范围内，那么计算继 续进行且步骤J作为下一步实施。
[0092] 此外，在步骤C1中从涡旋脱落频率fv确定体积流量&。在步骤D中于是在使用频 率fv、两个相的密度Pe、弗劳德数Fr，尤其是密度弗劳德数Fr'和峭度Ku的情况下 来计算质量流量份额x，如在方程式（5)至（7)中描述的那样。
[0093] 在步骤J中进行询问质量流量份额x的计算得出的值是否小于最小值。倘若是， 那么同样引导到步骤H(参看上面），否则就在步骤G2中返回质量流量份额x的值以及在步 骤E1中求出用于求出修正值Ke的函数。
[0094]在步骤E1和E2中可以分别从质量流量份额x和密度弗劳德数Fr'，如在方程式 (12)中所示的那样，或从峭度Ku和密度弗劳德数Fr'计算出针对气态的体积流量匕的修 正值。所使用的修正函数可以根据对测量误差的相应的要求选出或也可以组合使用。
[0095] 最后可以在步骤F中根据方程式（13)用修正值Ke来修正气态的体积流量&以及 据此作为经修正的气态的体积流量输出（步骤G1)。
[0096] 此外，可以由经修正的气态的体积流量匕计算出各单个相的质量流量< 和九以 及总质量流量以及将它们输出（图中未示出）。
[0097] 步骤顺序在此不一定是一个接一个地执行，而是也可以平行地实施。
[0098] 在图2中示出了针对弗劳德数Fr为1至1. 9的测量值。在这个范围内，弗劳德数 的影响很小，从而使得这些测量值可以一起在一个图中示出。为此记录了在针对Fr= 1.4 的修正函数附近的变化曲线。此外示出一条95%的置信带VB和一条预测带PB。置信带VB 在此透露的是，修正函数借助已存在的测量值的哪一条变化曲线是可信的。预测带PB限定 出边界，将来的测量值以95%的概率散布在该边界内。对本领域技术人员来说，这些带的确 定由现有技术公知。在此，在测量时已经注意到的是，不存在对在测量仪内流动的介质的压 力的任何系统性影响，因此压力在这些计算中可以仅被可选地测量。
[0099] 为了保持总体上减小误差的尺度，经修正的体积流量户J的误差FEm可以通过简 单的误差计算估计以及与之前测得的误差Em进行比较。在图3中示出了修正函数的余数r，其表示所测得的误差Em与用修正函数计算得出的误差偏差。
[0101] 余数r的值处在±1.5%的范围内以及具有约0.6%的相对标准偏差〇。
[0102] 质量流量份额x的标准测量不确定度在此在图4中示出。在此，质量流量份额x关 于弗劳德数Fr来描绘，其中，优选为质量流量份额x使用0.75-1的测量范围（虚线）。标 准测量不确定度在此可以看到是针对不同质量流量份额值的实线。测量误差Em朝着下边 界0. 75轻易地提高最多0. 5 %个点。[0103] 也可以按DIN13005:1999来观察总的测量不确定度，其中，针对计算得出的修正 值，总测量不确定度可以根据高斯误差传播定律计算出。总的测量不确定度通常在二西格 玛水平上给出；这种数据意味着的是，所执行的测量中的95%处在这个所给出的测量不确 走度内。
[0104] 为此，气相的经修正的质量流量
[0106] 利用质量流量份额x计算出总质量流量21^
[0108] 由此得出总质量流量的测量不确定度：
[0110] 在此得出的是，总的测量不确定度在质量流量份额X= 0.9时约为2%。这个总的 测量不确定度随着质量流量份额的下降而上升到2. 7%。上升的原因在于质量流量份额x 在这个范围内的更高的测量不确定度。
[0111] 本发明并不局限于参考附图所阐释的那些实施例。尤其也可以使用替选的静态评 估可行方案。除此之外也存在其他对于本领域技术人员来说常见的用于评估上面提到的测 量信号分量以及用于从测量信号中确定涡旋脱落频率的方法。
[0112] 附图标记列表：
【主权项】
1. 一种用于借助涡流测量仪来确定在测量管中流动的至少暂时两相或多相的介质的 质量流量比（X)的方法，所述介质带有以第一质量流量率&6流动的气态的第一相和以第二 质量流量率流动的液态的第二相，所述涡流测量仪具有伸入流动的介质的阻流体和尤 其置放在所述阻流体下游或内部的涡旋传感器，其中，气相具有第一密度（P e)，其不同于 液相的第二密度（p J，所述方法包括： 至少在所述涡旋传感器的区域中借助所述阻流体在流动的介质中产生卡门涡旋，其 中，所述涡旋以与所述流动的介质的瞬时流速相关的涡旋脱落频率（fv)从所述阻流体脱 落； 借助所述涡旋传感器来检测由卡门涡旋在所述流动的介质中引起的周期性的压力波 动，以产生和压力波动对应的传感器信号（S); 从所述传感器信号S中选出有效信号分量（M)，其具有尤其是狭窄的、包含涡旋脱落频 率的频带，尤其带有小于瞬时涡旋脱落频率的50%的相对带宽，其中优选，所述瞬时涡旋脱 落频率对应于频率带宽的中心频率； 使用所述有效信号分量（M)来确定所述流动的介质的质量流量比（X)，其中，所述质量 流量比（X)尤其按计算规则-限定为第一质量流量?^与介质流动的总质量流 量的比。2. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出在一定时间间隔、尤其是延伸经过流动体的压力波动的多个周期的时间间隔内所 述有效信号分量（M)的至少一个波动值，尤其是所述有效信号分量的振幅变化的标准偏差 (σ )和/或所述有效信号分量的峭度（Ku)。3. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述有效信号分量（M)的至少一个波动值来求出质量流量比（X)。4. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出所述涡旋传感器的灵敏度，亦即所述有效信号分量（M)的振幅与所检测到的第一 密度Pe的压力波动和质量流量比（X)的瞬时相关性。5. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述涡旋传感器的灵敏度来求出质量流量比（X)。6. 按前述权利要求任一项所述的方法，其包括： 借助所述传感器信号（S)，尤其是在所述有效信号分量（M)的基础上，求出涡旋脱落频 率（fv)。7. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述涡旋脱落频率（fv)来求出质量流量比（X)。8. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出弗劳德数、尤其是密度弗劳德数（Fr ;Fr'），其中，所述弗劳德数Fr是在测量管中 流动的两相或多相的介质的与测量管的直径（D)、气态的第一相的空管速度（ues)以及重力 加速度（g)相关的特征参数，尤其是按计算规则：相关的特征参数。9. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 求出密度弗劳德数（Fr'），其对应于按计算规则用密 度的比进行修正后的弗劳德数。10. 按权利要求8至9中任一项所述的方法，其还包括： 使用弗劳德数（Fr ;Fr'）来求出质量流量比（X)。11. 按前述权利要求任一项所述的方法，其包括： 求出、尤其是通过输入和/或测量求出两个相的每一个的密度（P P P e)以及使用所求 出的密度（Pm Pe)来确定质量流量比（X)。12. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出、尤其通过输入和/或测量求出温度（T)，和/或求出、尤其通过输入和/或测量求 出在两相介质内的压力（P)，用以求出气相的第一密度（Pe)以及液相的第二密度（Pt)。13. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 在所述涡旋脱落频率（fv)的基础上求出气相的体积流量（&)。14. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 求出针对所述气相的体积流量（4)的、与质量流量比（X)相关的修正值（Ke)，所述修 正值（Ke)补偿所述涡旋脱落频率（fv)与质量流量比（X)的相关性。15. 按前一权利要求并结合权利要求8所述的方法， 使用所述弗劳德数（Fr ;Fr'）来求出所述修正值（Ke)。16. 按权利要求14或从属于所述权利要求14的权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述修正值（Ke)以及所求出的体积流量（&)来求出、尤其是按计算规则 Pe = A ·匕来求出针对气相的体积流率的输出值(Pe )。17. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出针对质量流量比（X)的输出值（X)，以及 显示同一针对质量流量比（X)的输出值（X)。18. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 将所求出的质量流量比（X)与为此预定的比较值相比较，所述比较值代表临界的或 不期望的质量流量比（Xfeit)，尤其是因测量部位而异的、临界的或不期望的质量流量比 0W)，以及 在确认所求出的质量流量比（X)与比较值有偏差的情况下发出警告或诊断信息。19. 一种用于实现按前述权利要求任一项所述的方法的涡流测量仪，所述涡流测量仪 包括： 用于在流动的介质中产生卡门涡旋的阻流体； 尤其置放在所述阻流体下游或内部的、用于检测由卡门涡旋在流动的介质内引起的周 期性的压力波动的以及用于产生与压力波动对应的传感器信号（S)的涡旋传感器；以及 与所述涡旋传感器电连接的数据处理单元，所述数据处理单元设置用于在所述传感器 信号（S)的基础上生成至少一个代表质量流量比（X)的输出值。
【专利摘要】本发明涉及一种涡流测量仪和一种用于借助涡流测量仪来确定在测量管中流动的至少暂时两相或多相的介质的质量流量比(x)的方法，该介质带有以第一质量流量率流动的气态的第一相和以第二质量流量率流动的液态的第二相，涡流测量仪具有伸入流动的介质的阻流体和尤其置放在阻流体下游或内部的涡旋传感器，其中，气相具有第一密度(ρG)，其不同于液相的第二密度(ρL)，该方法包括：至少在涡旋传感器的区域中借助阻流体在流动的介质中产生卡门涡旋，其中，涡旋以与流动的介质的瞬时流速相关的涡旋脱落频率(fV)从阻流体脱落；借助所述涡旋传感器来检测由卡门涡旋在流动的介质中引起的周期性的压力波动，以产生和压力波动对应的传感器信号(S)；从传感器信号中选出有效信号分量(M)，其具有尤其是狭窄的、包含涡旋脱落频率的频带，尤其是带有小于瞬时涡旋脱落频率的50％的相对带宽，其中，瞬时涡旋脱落频率优选对应于频率带宽的中心频率；使用有效信号分量(M)来确定流动的介质的质量流量比(x)，其中，质量流量比(x)尤其按计算规则(AA)限定为是第一质量流量与介质流动的总质量流量的比。
【IPC分类】G01F1/74, G01F1/32
【公开号】CN104903686
【申请号】CN201380067655
【发明人】克里斯托弗·戈斯魏勒, 赖纳·赫克尔, 马克·霍尔马赫, 克里斯蒂安·卡尔, 西尔维奥·克劳斯, 德克·聚特林, 丹尼尔·怀曼
【申请人】恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月25日
【公告号】DE102012112976A1, DE102012112976A8, EP2936082A1, WO2014095248A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种按权利要求1前序部分的用于确定质量流量比的方法和一种按 权利要求19的前序部分的涡流测量仪。
【背景技术】
[0002] 由现有技术已知在不同测量仪的管路中，在高温区域中测量流质的介质，大多是 气流或蒸汽流的流率。流动体可以至少暂时作为流质的介质的两相或多相的流动体存在。 它们在此包含第一相和第二相，其中，第一相大多包含气体，例如水蒸汽，以及第二相包含 冷凝物，例如水。这种类型的流动体可以通过测量设备，例如文丘里喷嘴、挡板或锥形压差 计测量。在此，首先测量在至少暂时两相或多相的流动体中的气体的体积流量f并且其在 此直接与质量流量 和密度倒数相关，其中，质量流量指的是介质在一个时间单元内穿过 限定的横截面的传输量：
[0004] 此外，由现有技术已知若干涡流测量仪，其以卡门涡街的原理为基础以及迄今为 止都被用于单相流动体。不过这些测量仪也可以用于两相流或多相流。
[0005] DE10 2009 001 525A1 以及DE10 2009 001 526A1 描述了这种用于监控和测 量在管路中流动的、暂时是两相或多相的介质的涡流测量仪。在此，DE10 2009 001 526 A1公开了一种带有管路的测量仪，至少一根测量管可以安装到该管路中。此外还公开了阻 流体和涡旋传感器，涡旋传感器对出现的压力波动作出反应以及将这些压力波动转化为电 信号。
[0006] DE10 2009 001 525A1描述了一种用于监控或测量之前提到的介质的方法，其 中，在流动的介质中产生卡门涡旋。涡旋以涡旋脱落频率&(也称为涡旋频率）从阻流体脱 落，涡旋脱落频率与流动的介质的瞬时流速相关。通过涡旋产生的压力波动被涡旋传感器 检测到。从涡旋脱落频率fv可以确定气态的第一相的体积流量。此外，从传感器信号S中 选择带有狭窄的频带的有效信号分量M。在此，相对带宽小于瞬时涡旋脱落频率fv的50%。 借助有效信号分量，可以在振幅变化的标准偏差和/或有效信号分量的峭度和/或涡旋传 感器的灵敏度的基础上计算出液态的第二相的体积流量。
[0007] 在用涡流测量仪测量流率时，在对至少暂时两相流或多相流进行测量期间得到与 液相的质量流量份额相关的测量误差，其最大可能是涡流测量仪的测量不确定度的多倍以 及因此占多个百分比。这个测量误差随着液相的质量流量份额的上升而变大，
[0009] 其中，Em是测量误差，(是所测得的质量流量以及是气相的质量流量。
【发明内容】
[0010] 从这个现有技术出发，本发明所要解决的技术问题是减少由气相的液相的质量流 量份额引起的测量误差，以及能够实现对气相的体积流量和由此推导出的测量参数，尤其 是气相的质量流量的精确测量。
[0011] 该技术问题通过一种带有独立权利要求1特征的用于确定质量流量比X的流率测 量方法解决。
[0012] 另一所要解决的技术问题在于提供一种涡流测量仪，其能够实现对在至少暂时两 相流或多相流中的气相的流量率进行简单且在此快速的测量，该技术问题通过一种带有独 立权利要求19的特征的涡流测量仪解决。
[0013] 优选的实施方式由从属权利要求描述。
[0014] 根据本发明的方法描述了一种用于在涡流测量仪中确定在测量管中流动的由多 个气相和液相构成的介质的质量流量比（X)的方法，其中，除了气相外，一个相至少暂时可 以是液态的，其中，涡流测量仪带有用于产生和涡旋脱落频率fv关联的传感器信号S的传 感器。在此，气相具有第一密度（Pe)，其典型地不同于液相的第二密度（Pj。在第一步骤 中进行的是，至少在涡旋传感器的区域内借助阻流体在流动的介质中产生卡门涡街，其中， 涡旋以一种与流动的介质的瞬时流速相关的涡旋脱落频率（fv)从阻流体脱落。在第二步 骤中进行的是，借助涡旋传感器来检测由卡门涡旋在流动的介质中引起的周期性的压力波 动，以产生和压力波动对应的传感器信号S。此外，在第三步骤中从传感器信号S中选择出 有效信号分量M，其具有尤其是狭窄的、包含涡旋脱落频率的频带，尤其是带有小于瞬时涡 旋脱落频率的50%的相对带宽，其中，瞬时涡旋脱落频率优选对应于频率带宽的中心频率。 据此，有效信号分量（M)可以用来确定流动的介质的质量流量比（X)，其中，质量流量比（x) 定义为气相的第一质量流量&6与介质流动的总质量流量的比，尤其是按照如下计算规则：
[0015] 利用根据本发明的方法能够在当前的多相流的情形下，在测量一个或多个气相的 质量流量和体积流量时，与迄今为止的方法相比明显减少测量误差Em。在此有利的是，质量 流量比对使用者来说不必是已知的，这是因为这个信息由传感器信号S可知。此外可以以 如下方式明确且稳定地评估测量信号，即，可以与信号的振幅值无关地执行评估。
[0016] 此外，根据本发明可以设置的是，通过输入或者通过测量与密度关联的参数，尤其 是在两相介质内的温度或压力可以确定气相的第一密度pe或液相的第二密度pP为此， 可以在外部通过可以与测量仪在操作上连接的数据处理单元来输入或预定两个密度pP pe，这尤其在介质已知的情况下是有利的。替选地，密度可以单独地或借助合适的传感器 在校准期间预先确定，或也在测量期间直接在测量仪中测量。因此也可以检测密度的与时 间相关的波动。此外，与密度关联的测量参数，密度和/或温度也可以借助输入/输出单元 经由现场总线接口（例如4. 20mA，HART，PA，FF)被其他的测量仪读入到数据处理单元中。 [0017] 涡旋脱落频率&优选可以借助处在测量仪内的评估电子器件来确定，如通常在涡 流测量仪中公知的那样。通过涡旋脱落频率fv又可以借助评估电子器件以已知的方式来 确定在管路中流动的两相介质的气相的流速。
[0018] 但评估电子器件此外也可以执行对近壁流的定量的确定，如尤其是在DE10 2009 006 526A1中描述的那样。在此不再详细探讨这种探测或定量的确定。
[0019] 证实有利的是，借助适用于此的滤波器，围绕涡旋脱落频率fv窄带地从传感器 信号S中选出有效信号分量，其中，相对带宽可以小于对应于涡旋脱落频率的中心频率的 50%。但也可以根据对待使用的有效信号分量的要求的不同而调整带宽。借助选择性地滤 波可以仅考虑到在围绕涡旋脱落频率&的范围内的频率范围，因此带有不同于涡旋脱落频 率fv的频率的干扰部分被滤出。
[0020] 根据本发明，总体上使用与时间相关的有效信号分量M本身，以及由此确定了上 面提到的参数。有效信号分量M由在特定的时间点之后被扫描的、涉及振幅的信号构成以 及本身可以通过下列关系近似地观察到：
[0021] M(t) = A〇(t) ? sin (? (t)), (3)
[0022] 其中，&是与时间相关的振幅以及《是正弦振荡的与时间相关的相位，其在此近 似代表涡旋振荡的相位。尤其是考虑到正弦信号在每一个信号值上的时间上的波动，为此， 可以在另一步骤中确定有效信号分量（M)在一定时间间隔上的至少一个波动值，其中，有 效信号分量（M)在该时间间隔内优选包括大于一个周期的流动体压力波动。通过使用有效 信号分量的波动值的优点在于，这些时间上的波动提供比纯粹使用传感器信号的振幅或有 效信号分量更为稳定的关于流动体状态的信息，这是因为整个可供使用的信号都被用于评 估，并且不仅是最大值或替选地RMS值，如在振幅测量方法中那样。替选地，传感器信号S 也可以直接用完整的带宽评估。但在此得到若干缺陷，这是因为在信号中可以包含可能附 加的干扰分量，这些干扰分量会决定性地影响波动值的评估以及可能导致错误地确定质量 流量比。
[0023] 在一种涡旋流率测量系统中，基本上从涡旋脱落频率fv来测量体积流量，。涡旋 脱落频率可以用来计算流速，流速非常近似地直接与介质的体积流量f成正比。在本发明 的一种改进方案中，由体积流量也可以确定和输出纯气相的质量流量々。
[0024] 为了 能够准确地陈述多相流的质量流量比，需要事先完成对从传感器信号S中选 出来的有效信号分量的静态评估。在此，本发明优选设置的是，在另一步骤中确定在一定时 间间隔内有效信号分量（M)的至少一个波动值，尤其是有效信号分量的振幅变化的标准偏 差（〇)和/或有效信号分量的峭度（Ku)，其中，有效信号分量（M)在该时间间隔内优选包 括大于一个周期的流动体压力波动。
[0025] 为了静态评估可以求出有效信号分量M的振幅变化的标准偏差〇以及传感器信 号S的有效信号分量M的峭度Ku，如也在DE10 2009 001 525A1或DE10 2009 001 526 A1中所描述的那样。当气相的流速处在待确定的本身可以依赖于相应的涡流测量仪的最小 的边界流速之上时，标准偏差〇或峭度Ku可以用来求出多相流的质量流量比（X)。峭度 Ku作为归一化四阶中心矩可以是针对静态分布的倾斜度的程度。此外，为了进一步评估也 可以从测量信号确定如下因素，亦即方差和斜度。
[0026] 本发明的实施方式优选可以设置的是，可以在另一步骤中，在使用有效信号分量M 的情况下确定气相与液相的质量流量比X。给出了各种各样的特征参数，以便描述在此进行 的流率测量。这些特征参数可以组合使用。
[0027] 在此，除了涡旋脱落频率fv外，质量流量份额x也被强调为是特征参数：
[0029] 气相的质量流量4和液相的质量流量<的比也被称为质量流量份额x以及在蒸 汽流中也通常被称为蒸汽质量或蒸汽含量。它表明在特定的时间单元内流过测量管横截面 的两个相的质量的比，其中，me是气相的质量以及是液相的质量。质量流量比x可以由 和压力波动对应的传感器信号和一般的过程条件得出，其中，在本发明的另一实施方式中， 质量流量比x可以是与时间相关的有效信号分量M的函数、密度pppe和祸旋脱落频率fv 的函数：
[0030]x=f(g(M(t))，PG(t),PL(t)，fv(t))〇 (5)
[0031] 特征参数通常与时间相关以及本身也可以与时间相关地在测量仪中检测。
[0032] 为了确定质量流量比x需要函数g(M(t))。函数g(M(t))表示有效信号分量M的 波动参数的大小。尤其可以使用有效信号分量M的峭度Ku或由有效信号分量M求出的振 幅A。(t)的标准偏差作为波动参数。
[0033] g(M(t)) =Ku(M(t))
[0034] (5a)
[0035] g(M(t)) = 〇 (A〇(t))
[0036] 为了更为精确地确定x也可以附加地使用密度Pe(t)、PJt)和涡旋频率fv(t)。
[0037] x可以以合适方式是峭度Ku和弗劳德数，尤其是密度弗劳德数Fr'的函数：
[0039] 本发明例如可以设置的是，质量流量份额x由之前提到的参数Ku和Fr或Fr'的 更高阶的多项式形成，或者也仅借助峭度Ku的更高阶的多项式形成：
[0042] 各个项的系数可以以简单的方式通过Fit函数或其他近似函数近似或确定。
[0043] 密度弗劳德数Fr在此作为惯性与重力的比是例如针对波传播速度的尺度以及按 下列公式给定：
[0045] 在此，U(S是空流速以及D是测量仪的特征长度且尤其对应于测量管的直径。弗 劳德数Fr因此包含气相的空管速度的影响。弗劳德数Fr可以在使用有效信号分量的情 况下有利地确定。为此，可以从涡旋脱落频率&确定带有横截面积AM的管中的空流速
。两个相的密度pe、同样起到作用。
[0046] 在本发明的改进方案中，传感器的灵敏度c可以替选地用作为尺度，以便能够从 传感器信号S中得到质量流量比X。在此，在正弦信号中，可以从交零处的斜率和传感器信 号S的频率来估计灵敏度c。为此，取代传感器信号地优选使用有效信号分量M:
[0048] 即使当正弦信号饱和且看起来更像矩形信号时，从传感器的灵敏度c也可以推导 出振幅A'。推导出的振幅A'可以以如下方式估计：
[0050] 因此可以确定更多的参数，或者与传统的评估相比，通过测量信号的振幅值检验 迄今为止的计算。通过利用灵敏度c，振幅可以脱离计算形式主义以及因此不必用于当前所 示的体积流量确定。体积流量1>因此可以与信号饱和度无关地求出。
[0051] 为了能够减少在多相流中的气相的所测得的体积流量&的测量误差Em需要修正 值心。为了确定合适的修正值&=f(x，Fr)可以首先将方程式（2)变为：
[0053] 根据本发明可以纯粹根据质量流量份额x和弗劳德数Fr，尤其是密度弗劳德数来 描述测量误差Em，从而测量误差Em与线路中的压力p无关。
[0054] 现在，本发明的实施方式优选可以设置的是，在另一步骤中根据质量流量比x确 定修正值心以及据此在下一步骤中借助该修正值K来修正气相的体积流量&。
[0055] 此外，为了确定修正值心还可以设置的是，从质量流量比x的二级多项式得到修 正值Kc。
[0056] Kg=bg+bi?x+b2 ?x2〇 (12)
[0057] 系数IvbdPh又能简单地借助已知的近似法确定。在改进方案中，修正值Ke也 可以与弗劳德数Fr相关，为此可以为函数添加其他项。为此可以将其他与弗劳德数Fr相 关的多项式的项（优选二级项）补充到修正函数中。
[0058] 气相的体积流量IV可以借助心以简单的方式作如下修正：
[0060] 从这个气相的经修正的体积流量尸，也可以确定相应针对气相的经修正的质量 流量A:
[0062] 因此可以用所测得的蒸汽质量x确定总质量流量& = +A.以及因此也确定液 相的质量流量/tt/.。
[0065] 用这种修正方法可以有利地在很大的测量范围内将总质量流量的测量不确定度 下降到±2%，由此，与未经修正的流率测量仪相比可以实现特别精确地测量流量率。
[0066] 最后，本发明可以设置的是，为了通知测量仪使用者，输出质量流量比x或气相的 经修正的体积流量^、或质量流量治、和?^的已求出的值。替选地可以输出所有的值。 输出可以借助处在测量仪上的显示器或单独的显示单元实现。测量值通过与输出单元联接 的电信号线路或数据线路也被提供给另外的数据处理单元，例如计算机或过程导引系统， 用以进一步评估。测量数据因此能在线上快速且简单地显示。
[0067] 此外，本发明还涉及一种用于确定多相流的质量流量比的涡流测量仪，其中，涡流 测量仪包括：
[0068]-用于在流动的介质中产生卡门涡旋的阻流体；
[0069] _尤其是置放在阻流体下游或内部的、用于检测由卡门涡旋在流动的介质内引起 的周期性的压力波动的以及用于产生与压力波动对应的传感器信号（S)的涡旋传感器；以 及
[0070]-与涡旋传感器电连接的数据处理单元，数据处理单元设置用于在传感器信号 (S)的基础上生成至少一个代表质量流量比（X)的输出值。
[0071] 有利的是，在这种设备中可以从测量仪中的传感器信号S本身确定质量流量份额 x以及所有其他在上文中提到的所需的针对修正值的参数。反之，这在其他测量仪中则必须 通过附加的测量装置实现。测量仪可以有利地检测、处理必需的测量参数并且将它们快速 且不复杂地向使用者显示，或作为测量值通过输出单元提供。
[0072] 测量仪为了执行上面描述的测量信号评估而具有评估电子器件，其除了数据处理 单元外也可以包括与传感器连接的测量电路或用于检测和计算测量信号的单独的测量和 调节单元。数据处理单元为了读出所计算出的测量数据也可以与单独的计算机或过程引导 系统连接。监控流率所需的数据为此可以被快速地检测和进一步处理。如若出现误差，那 么使用者可以顺畅地干预。
[0073] 如若用于质量流量比x的值或弗劳德数超过预先确定的边界或者不应再落入测 量范围中，那么根据本发明可以集成一种集成在测量仪中的警报系统，其中，除了声音警告 外，光学警告也可以在测量仪的显示器上输出。 示例性的边界值或阈值例如可以是80%的 蒸汽质量。此外，警报信号也可以通过输出单元告知给所联接的现场总线以及因此告知给 通过现场总线连接的过程导引系统。因此，当不遵守测量仪的测量范围时，可以有利地警告 使用者，以便避免设施中的损伤。
[0074] 为了经修正地确定体积流量或求出修正函数，可以在测量仪本身内测量所有所需 的参数，亦即弗劳德数、尤其是密度弗劳德数Fr和质量流量份额X。与现有技术相比，这是 特别有利的，这是因为在其他测量系统，例如文丘里喷嘴、挡板或锥形压差计中，质量流量 份额x必须通过另一测量系统确定。测量由此可以舒适且快速地集成到现有的测量设施中 或者可以灵活地用于快速测量两相流或多相流的流量。
【附图说明】
[0075] 其他的实施方式以及一些与这些和其他的实施方式结合起来的优点通过下面详 细的描述被清楚且更好地理解。在此有帮助的是参考说明书中的图。基本上相同或极为类 似的物体可以用相同的附图标记标注。
[0076]在此：
[0077] 图1示出根据本发明的方法的流程图；
[0078] 图2示出气相的所测得的质量流量的误差与质量流量比x的关系图；
[0079] 图3示出测量值的数量与修正函数的余数的关系图；以及
[0080] 图4示出质量流量比x的测量不确定度与密度弗劳德数Fr的关系图。
【具体实施方式】
[0081] 在图1中示出了在涡流测量仪中的测量和待实行的计算的流程。涡流测量仪基本 上由测量管形成，介质在测量管中流动。这种流质的介质可以是液态或气态的，但或者是两 相的，带有气态的第一相和液态的第二相。两个相混合物的示例是空气和水，或蒸汽和水， 或油蒸汽和油。其他的相成分或多于两个相也是可能的。
[0082] 阻流体作为流动障碍物伸进管区段，在阻流体上可以构造出卡门涡街。涡流测量 仪此外还具有测量管区段，其延伸到流动体中。测量管区段此外具有传感器，传感器作为机 电转换器工作，其中，通常使用压电或电容转换器。
[0083] 在步骤A1中，待测量的介质流过测量管，其中，在流动障碍物，亦即阻流体上生成 卡门涡街以及产生与流速相关的压力波动，压力波动在步骤A2中被布置在阻流体中的或 紧随其后布置的传感器检测。在此，由卡门涡旋引起的周期性的压力波动被转化成电测量 信号以及传送给评估电子器件。评估电子器件布置在测量仪内部以及具有数据处理单元， 数据处理单元将测量信号优选数字地转换成传感器信号S。在步骤A3中，从传感器信号S 中选出有效信号分量M。在该情况下，先是选出围绕涡旋脱落频率fv的窄带的频率范围作 为有效信号分量M。这个有效信号分量既包含涡旋脱落周期的信息也包含用于计算质量流 量比的信息。在步骤A4中为评估电子器件另外提供介质的压力和温度。这要么通过由使用 者直接将值输入到仪器中发生，要么通过涡流测量仪中的附加的传感器装置来测量参数， 亦即压力和温度，或者通过现场总线接口读入（4-20mA电流输入端，HART，PA，FF)参数，亦 即压力和温度。
[0084] 如上文描述的那样，现在对测量信号进行评估；步骤序列B的步骤B1至B4平行地 或按预先确定的顺序执行。有效信号分量M按照涡旋脱落频率fv分析以及后者被确定（步 骤B1)且使用在进一步的评估中。对于本领域技术人员来说，从有效信号分量M中确定涡 旋脱落频率fv是公知的。
[0085] 有效信号分量M在一段时间内被接收，从而可以记录时间上的波动。有效信号分 量于是在一定时间间隔内经受静态评估，其中，除了标准偏差〇外，在步骤B4中也计算峭 度Ku。此外还可以借助布置在测量管区段中的其他的传感器来测量或输入测量参数，例如 温度T(步骤B2)或可选地还有压力p(步骤B3)。
[0086] 由测量信号M和温度T以及必要时压力p可以在进一步的相互关联中在步骤B5 中确定物理参数，例如介质的密度P，气相的密度Pe以及液相的密度Pu两种相的密度 可以根据要求要么在内部在测量仪内测量，要么在外部借助合适的传感器测量。但倘若穿 流的介质和其密度是已知的话，密度也可以从外部输入或在评估电子器件中预先确定。
[0087] 在下一个步骤C2中，借助步骤B1中确定的涡旋脱落频率&来计算弗劳德数Fr， 尤其是密度弗劳德数Fr'，如也由方程式（8)可知。特别重要的是确定密度弗劳德数Fr'， 其通过测量仪的特定值与各测量状况相匹配。
[0088] 计算步骤C3和B6检验峭度Ku或密度弗劳德数Fr'是否分别处在预先确定的测 量范围内。
[0089] 若值在测量范围之外，那么例如当Ku大于3时，返回值"质量流量份额小于最小 值"（步骤H)。这表明质量流量份额x过小。讯息可以作为警告讯息返回，其中，测量仪发 出声学的或光学的警告讯息。为此，值可以在显示单元上，例如直接在测量仪上的显示器上 输出。此外，警报信号也可以通过与输出单元联接的现场总线接口（4-20mA，HART，PA，FF) 输出。
[0090] 对在测量范围之外的弗劳德数而言，在步骤C4中同样输出值"在测量范围外"。在 两种情形下，评估都结束且同样输出了警告。
[0091] 若在两种询问情形下（步骤C3和B6)，值都在预先确定的测量范围内，那么计算继 续进行且步骤J作为下一步实施。
[0092] 此外，在步骤C1中从涡旋脱落频率fv确定体积流量&。在步骤D中于是在使用频 率fv、两个相的密度Pe、弗劳德数Fr，尤其是密度弗劳德数Fr'和峭度Ku的情况下 来计算质量流量份额x，如在方程式（5)至（7)中描述的那样。
[0093] 在步骤J中进行询问质量流量份额x的计算得出的值是否小于最小值。倘若是， 那么同样引导到步骤H(参看上面），否则就在步骤G2中返回质量流量份额x的值以及在步 骤E1中求出用于求出修正值Ke的函数。
[0094]在步骤E1和E2中可以分别从质量流量份额x和密度弗劳德数Fr'，如在方程式 (12)中所示的那样，或从峭度Ku和密度弗劳德数Fr'计算出针对气态的体积流量匕的修 正值。所使用的修正函数可以根据对测量误差的相应的要求选出或也可以组合使用。
[0095] 最后可以在步骤F中根据方程式（13)用修正值Ke来修正气态的体积流量&以及 据此作为经修正的气态的体积流量输出（步骤G1)。
[0096] 此外，可以由经修正的气态的体积流量匕计算出各单个相的质量流量< 和九以 及总质量流量以及将它们输出（图中未示出）。
[0097] 步骤顺序在此不一定是一个接一个地执行，而是也可以平行地实施。
[0098] 在图2中示出了针对弗劳德数Fr为1至1. 9的测量值。在这个范围内，弗劳德数 的影响很小，从而使得这些测量值可以一起在一个图中示出。为此记录了在针对Fr= 1.4 的修正函数附近的变化曲线。此外示出一条95%的置信带VB和一条预测带PB。置信带VB 在此透露的是，修正函数借助已存在的测量值的哪一条变化曲线是可信的。预测带PB限定 出边界，将来的测量值以95%的概率散布在该边界内。对本领域技术人员来说，这些带的确 定由现有技术公知。在此，在测量时已经注意到的是，不存在对在测量仪内流动的介质的压 力的任何系统性影响，因此压力在这些计算中可以仅被可选地测量。
[0099] 为了保持总体上减小误差的尺度，经修正的体积流量户J的误差FEm可以通过简 单的误差计算估计以及与之前测得的误差Em进行比较。在图3中示出了修正函数的余数r，其表示所测得的误差Em与用修正函数计算得出的误差偏差。
[0101] 余数r的值处在±1.5%的范围内以及具有约0.6%的相对标准偏差〇。
[0102] 质量流量份额x的标准测量不确定度在此在图4中示出。在此，质量流量份额x关 于弗劳德数Fr来描绘，其中，优选为质量流量份额x使用0.75-1的测量范围（虚线）。标 准测量不确定度在此可以看到是针对不同质量流量份额值的实线。测量误差Em朝着下边 界0. 75轻易地提高最多0. 5 %个点。[0103] 也可以按DIN13005:1999来观察总的测量不确定度，其中，针对计算得出的修正 值，总测量不确定度可以根据高斯误差传播定律计算出。总的测量不确定度通常在二西格 玛水平上给出；这种数据意味着的是，所执行的测量中的95%处在这个所给出的测量不确 走度内。
[0104] 为此，气相的经修正的质量流量
[0106] 利用质量流量份额x计算出总质量流量21^
[0108] 由此得出总质量流量的测量不确定度：
[0110] 在此得出的是，总的测量不确定度在质量流量份额X= 0.9时约为2%。这个总的 测量不确定度随着质量流量份额的下降而上升到2. 7%。上升的原因在于质量流量份额x 在这个范围内的更高的测量不确定度。
[0111] 本发明并不局限于参考附图所阐释的那些实施例。尤其也可以使用替选的静态评 估可行方案。除此之外也存在其他对于本领域技术人员来说常见的用于评估上面提到的测 量信号分量以及用于从测量信号中确定涡旋脱落频率的方法。
[0112] 附图标记列表：
【主权项】
1. 一种用于借助涡流测量仪来确定在测量管中流动的至少暂时两相或多相的介质的 质量流量比（X)的方法，所述介质带有以第一质量流量率&6流动的气态的第一相和以第二 质量流量率流动的液态的第二相，所述涡流测量仪具有伸入流动的介质的阻流体和尤 其置放在所述阻流体下游或内部的涡旋传感器，其中，气相具有第一密度（P e)，其不同于 液相的第二密度（p J，所述方法包括： 至少在所述涡旋传感器的区域中借助所述阻流体在流动的介质中产生卡门涡旋，其 中，所述涡旋以与所述流动的介质的瞬时流速相关的涡旋脱落频率（fv)从所述阻流体脱 落； 借助所述涡旋传感器来检测由卡门涡旋在所述流动的介质中引起的周期性的压力波 动，以产生和压力波动对应的传感器信号（S); 从所述传感器信号S中选出有效信号分量（M)，其具有尤其是狭窄的、包含涡旋脱落频 率的频带，尤其带有小于瞬时涡旋脱落频率的50%的相对带宽，其中优选，所述瞬时涡旋脱 落频率对应于频率带宽的中心频率； 使用所述有效信号分量（M)来确定所述流动的介质的质量流量比（X)，其中，所述质量 流量比（X)尤其按计算规则-限定为第一质量流量?^与介质流动的总质量流 量的比。2. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出在一定时间间隔、尤其是延伸经过流动体的压力波动的多个周期的时间间隔内所 述有效信号分量（M)的至少一个波动值，尤其是所述有效信号分量的振幅变化的标准偏差 (σ )和/或所述有效信号分量的峭度（Ku)。3. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述有效信号分量（M)的至少一个波动值来求出质量流量比（X)。4. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出所述涡旋传感器的灵敏度，亦即所述有效信号分量（M)的振幅与所检测到的第一 密度Pe的压力波动和质量流量比（X)的瞬时相关性。5. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述涡旋传感器的灵敏度来求出质量流量比（X)。6. 按前述权利要求任一项所述的方法，其包括： 借助所述传感器信号（S)，尤其是在所述有效信号分量（M)的基础上，求出涡旋脱落频 率（fv)。7. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述涡旋脱落频率（fv)来求出质量流量比（X)。8. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出弗劳德数、尤其是密度弗劳德数（Fr ;Fr'），其中，所述弗劳德数Fr是在测量管中 流动的两相或多相的介质的与测量管的直径（D)、气态的第一相的空管速度（ues)以及重力 加速度（g)相关的特征参数，尤其是按计算规则：相关的特征参数。9. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 求出密度弗劳德数（Fr'），其对应于按计算规则用密 度的比进行修正后的弗劳德数。10. 按权利要求8至9中任一项所述的方法，其还包括： 使用弗劳德数（Fr ;Fr'）来求出质量流量比（X)。11. 按前述权利要求任一项所述的方法，其包括： 求出、尤其是通过输入和/或测量求出两个相的每一个的密度（P P P e)以及使用所求 出的密度（Pm Pe)来确定质量流量比（X)。12. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出、尤其通过输入和/或测量求出温度（T)，和/或求出、尤其通过输入和/或测量求 出在两相介质内的压力（P)，用以求出气相的第一密度（Pe)以及液相的第二密度（Pt)。13. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 在所述涡旋脱落频率（fv)的基础上求出气相的体积流量（&)。14. 按前一权利要求所述的方法，其还包括： 求出针对所述气相的体积流量（4)的、与质量流量比（X)相关的修正值（Ke)，所述修 正值（Ke)补偿所述涡旋脱落频率（fv)与质量流量比（X)的相关性。15. 按前一权利要求并结合权利要求8所述的方法， 使用所述弗劳德数（Fr ;Fr'）来求出所述修正值（Ke)。16. 按权利要求14或从属于所述权利要求14的权利要求所述的方法，其还包括： 使用所述修正值（Ke)以及所求出的体积流量（&)来求出、尤其是按计算规则 Pe = A ·匕来求出针对气相的体积流率的输出值(Pe )。17. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 求出针对质量流量比（X)的输出值（X)，以及 显示同一针对质量流量比（X)的输出值（X)。18. 按前述权利要求任一项所述的方法，其还包括： 将所求出的质量流量比（X)与为此预定的比较值相比较，所述比较值代表临界的或 不期望的质量流量比（Xfeit)，尤其是因测量部位而异的、临界的或不期望的质量流量比 0W)，以及 在确认所求出的质量流量比（X)与比较值有偏差的情况下发出警告或诊断信息。19. 一种用于实现按前述权利要求任一项所述的方法的涡流测量仪，所述涡流测量仪 包括： 用于在流动的介质中产生卡门涡旋的阻流体； 尤其置放在所述阻流体下游或内部的、用于检测由卡门涡旋在流动的介质内引起的周 期性的压力波动的以及用于产生与压力波动对应的传感器信号（S)的涡旋传感器；以及 与所述涡旋传感器电连接的数据处理单元，所述数据处理单元设置用于在所述传感器 信号（S)的基础上生成至少一个代表质量流量比（X)的输出值。
【专利摘要】本发明涉及一种涡流测量仪和一种用于借助涡流测量仪来确定在测量管中流动的至少暂时两相或多相的介质的质量流量比(x)的方法，该介质带有以第一质量流量率流动的气态的第一相和以第二质量流量率流动的液态的第二相，涡流测量仪具有伸入流动的介质的阻流体和尤其置放在阻流体下游或内部的涡旋传感器，其中，气相具有第一密度(ρG)，其不同于液相的第二密度(ρL)，该方法包括：至少在涡旋传感器的区域中借助阻流体在流动的介质中产生卡门涡旋，其中，涡旋以与流动的介质的瞬时流速相关的涡旋脱落频率(fV)从阻流体脱落；借助所述涡旋传感器来检测由卡门涡旋在流动的介质中引起的周期性的压力波动，以产生和压力波动对应的传感器信号(S)；从传感器信号中选出有效信号分量(M)，其具有尤其是狭窄的、包含涡旋脱落频率的频带，尤其是带有小于瞬时涡旋脱落频率的50％的相对带宽，其中，瞬时涡旋脱落频率优选对应于频率带宽的中心频率；使用有效信号分量(M)来确定流动的介质的质量流量比(x)，其中，质量流量比(x)尤其按计算规则(AA)限定为是第一质量流量与介质流动的总质量流量的比。
【IPC分类】G01F1/74, G01F1/32
【公开号】CN104903686
【申请号】CN201380067655
【发明人】克里斯托弗·戈斯魏勒, 赖纳·赫克尔, 马克·霍尔马赫, 克里斯蒂安·卡尔, 西尔维奥·克劳斯, 德克·聚特林, 丹尼尔·怀曼
【申请人】恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月25日
【公告号】DE102012112976A1, DE102012112976A8, EP2936082A1, WO2014095248A1
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