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专利名称：两相流体流的检测和测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及对或关于两相(two-phase)流体流的监视的改进，尤其涉及检测流中的第二相成分的存在，并涉及测量一个或几个成分的流速。
背景技术：
在一些工业中例如油工业，流动的流体可能不是一种成分。例如，其可能是碳氢化合物液体，其中携带很大比例的碳氢化合物气体，或者，其可以相反，其中主要成分是碳氢化合物气体，其带有呈小滴形式的很大比例的碳氢化合物液体。另外，其可以是在其作为液体或气体存在的压力和温度的条件下流动的一种成分的流体。在许多工业中，使用蒸气(作为气体)作为热传递或消毒介质。在产生蒸气时，就其湿度(存在液态水的程度)而言的蒸气的质量是影响其作为热能源的商业价值因而影响相关工厂的总的性能和效率的一个重要特征。
因而，在流中第二相成分的存在改变主要测量信号和第一相或主要相成分之间的关系。如果不能预料第二相的存在，则在第一成分的流量的指示值中的误差可能相当大，并且在某些情况下，流量计可以停止工作。
本发明涉及在流中的第二相成分的存在的检测，并涉及通过分析和来自常规的单相流量计的主变换器相关的传感器的完全无限制的信号，来进行在液体中具有气体(gas-in-liquid)或气体中具有液体(liquid-in-gas)的两相中每个相(phase)的相对大小的确定。
大部分制造厂的操作依赖于在其处理操作和程序所涉及的各个单元之间的流体的输送。一般地说，只是所涉及的单相的液体和已研制的仪表达到了高的精度和可靠性。不过，实际上，在工厂操作中的不规则性随时都会发生，这引起在单相流中掺杂有第二流体。在这些情况下，事实上所有类型的流量计的性能成为不可靠的和不精确的，因而导致不满足质量要求的产品，最终导致降低产量，甚至使生产停止。
在工业上，流量计或其它测量系统的主要要求是提供用于输入到处理控制系统的信号，或者是测量预定体积的流体。为达到这个要求，常规的方法是如此调节这些测量信号，使得其提供流量的稳定的平均值，消除随机的低的波动，这些波动也被称为“噪声”。对于单相流操作，传感器信号一般在几分之一秒到几分钟的时间内被平均，根据仪器和应用而定。由于处理或其它的装置的作用，这减小了由于湍流或流的状态的畸变而引起的必然的波动的影响，从而产生更稳定的读数，这是处理控制和管理所要求的。
在本发明中，为了能够利用单相流量计进行两相流的监视，从和主要流变换器相关的传感器信号恢复由于波动而产生的附加信息。
实验室研究表明，当流体流过密闭的管路时，在来自流过被观察的流体的许多不同类型的流量计中的主要传感器的信号中具有波动的基本背景值。具有若干个构成这些波动的源，其中包括流体沿着管路并通过管路连接例如法兰、弯头、拐弯和阀门流动时在流体中产生的湍流的影响。还具有由处理设备例如泵、过滤器和混合器的操作产生的影响。
在单相流体流中这些波动的大小通常至少是小于测量信号的平均值的数量级，并且通常比所述平均值小得多。它们被普遍地看作“噪声”，因而一般认为抑制或者消除这些噪声是无意义的。不过，实验室测量表明，当有意无意地在流中引入第二相时，噪声的水平便立即或急剧地增加。在这些情况下产生的各种流的状态通过分析来自测量系统的主要传感器的完全未限制的信号被访问。通过传感器信号的成分例如“噪声”的相当高的频率例如大约3Hz到5kHz或更高的，但同时非常低的值的分析而恢复的信息，能够确定在液体流中具有气体或气体流中具有液体的状态下的每个相的相对大小。
在我们的共同未决的英国专利申请0212739.7中描述了使用涡流流量计测量单相或两相流体流的方法，其中通过分析来自主要传感器的全部信号来访问流的各个状态。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于检测两相流体流的发生或存在的方法，并通过测量和分析来自某些类型的流量计的完全未限制的主要传感器信号，产生两种成分的流体流中的每种成分的体积流速或质量流速，或者产生一种成分的两相流中的各相的相对大小。
按照本发明，提供一种用于监视在密闭的管路中的流体流的方法，包括设置和所述管路相关的流量计，所述流量计从文氏流量计、楔/差动压力流量计、喷嘴/差动压力流量计、可变面积/差动压力流量计、超声流量计、涡轮流量计、科里奥利流量计和电磁流量计中选择，在使用中的流体通过所述流量计在管路内流动，其特征在于包括以下步骤产生表示所述流体流的至少一个特征的信号，测量未被限制的检测信号的幅值或/与频率分量，在所述检测信号中包括任何波动，以及分析检测信号的至少一个分量，以便确定是否存在第二相，或/与确定所述流体流的至少一相的大小。
本发明的方法还包括以下预备步骤利用两个参考单相流量计校准选择的单相流量计，一个用于每相，以便在各个成分混和而形成要被选择的单相流量计测量的两相流之前精确地建立各个成分的流量，以便确定在来自选择的单相流量计的主要信号，所述信号中的波动，以及各个相的流量之间的关系。
流量计的类型理解下述的内容是重要的虽然具有大量不同的流量计，但是并不是所有这些流量计都提供适合于后面所述的信号分析技术的测量信号，用于检测两相流的发生或存在，并确定两个成分的流体流中的每个成分的体积流速或质量流速。为了本说明的目的，提供合适的测量信号的常规类型的流量计被分为以下4组
组1包括这些流量计，其中主要变换器产生和体积流速呈平方定律关系的头或差动压力测量信号。
组2包括这些流量计，其中主要变换器产生频域中的振荡测量信号，并且所述频率基本上和体积流速成比例。
组3包括这些流量计，其中主要变换器产生复数的振荡测量信号，其中传感器信号的相位移基本上是质量流速的函数，并且频率是流体密度的函数。
组4包括这些流量计，其具有两个主要的约束或限制。第一个限制是它们不用于气体或液体，除非它们具有某个小的程度的导电性。第二个限制是需要信号处理来克服在电极和流动的液体之间的界面上产生的寄生信号，信号处理在实际上消除电极信号的所有的“噪声”分量。然而，只有对这个问题提供折中的解决方案的信号处理技术可供利用。
表1表示可以用于本发明的不同类型的流量计的列表，其按照其主要传感器信号的特征被分组，其确定在本发明中所需的分析的类型。伴随着表1是在本文中的所有附图的列表。
所有组的共同特征在工业应用中，通常在要被合适地预设为某个值的时间内平均传感器信号，所述时间在几分之一秒和几分钟之间，根据传感器的类型和应用而定。虽然这减少了由于处理和其它装置的影响而引起的流状态的干扰而产生的波动的影响，并产生对于处理控制和管理是优选的较稳定的信号，与此同时，其消除了传感器信号的较高的频率分量。事实上，正是这些分量携带着信息，从这些信息可以识别两相流的发生或存在，并确定每相的大小。
一般地说，在流中第二相成分的引入或存在导致在主要测量信号和第一相成分之间的关系的极大的在某些情况下惊人的改变。如果第二相的存在未被预料到或者未被识别，则改变的关系将引起主要成分的测量的流量的大的误差。
所有的组用于识别两相流的存在并确定这些相的相对大小的共同的方法步骤。
用于识别两相流的存在或发生的步骤对于在表1中所列的所有常规单相流量计基本相同。其涉及在主要和次要相流的流量的整个范围内校准流量计。这似乎是一个过分的要求，但是，虽然其涉及获得大量的数据点，但是当它们被校准以便确定其仪表系数或校准常数时，在完成上述的所有流量计的制造之后，只需要重复随后的步骤。其区别在于，在存在次要相的一个固定的流量范围时，对于预选的每个主要流量，获得一个校准曲线。


图1表示测试流量设备，用于泵吸水的一个被控制的流量，其中可以注入空气以便产生两相流。在混和之前和混和之后利用被测试的流量计测量两个单相的流量；图2是可变面积(GilfloTM)流量计的示意图；图3是V锥流量计的示意图；图4表示作为水对蒸气的质量分数(mass fraction)的函数的在湿蒸气条件下来自GilfloTM仪的差动压力信号的均方波动；图5表示作为水对蒸气的质量分数的函数的在湿蒸气条件下来自GilfloTM仪的平均差动压力信号；图6表示在湿蒸气条件下来自GilfloTM仪的差动压力信号的标准偏差如何随水对蒸气的分数而急剧地增加；图7表示对于3％的干燥分数(97％的蒸气质量)GilfloTM流量计的时域信号及其频谱；图8和图7类似，其中5.95％的干燥分数(94.05％的蒸气质量)；图9和图7类似，其中11.3％的干燥分数(88.7％的蒸气质量)；图10和图7类似，其中16.95％的干燥分数(83.05％的蒸气质量)；图11和图7类似，其中22.6％的干燥分数(77.4％的蒸气质量)；图12是来自涡轮流量计的基本频率信号对单相液体流量的曲线；图13表示在2”5叶片涡轮流量计的连续的叶片通过时刻的波动；
图14表示在存在不同的第二相(空气)流时涡轮流量计的频率校准系数(频率对液体流量的比)如何改变；图15表示2”5叶片涡轮流量计的连续交叉时间周期的标准偏差如何随第二相(空气)的流量而增加；图16表示对于不同的水流量，叶片通过周期τrms的标准偏差如何按照第二相(空气)的流量而改变；图17表示神经网络输出的曲线；图18是用于通过EM仪校准两相流的流环的示意图，其中流量调节器刚好被置于EM流量计之前；图19是在时域和频域内的EM流量计的信号，其中空气流量为01/min，流量调节器位于EM流量计的上游；图20和图19类似，其中空气流量为5l/min；图21和图19类似，其中空气流量为10l/min；图22和图19类似，其中空气流量为15l/min；图23和图19类似，其中空气流量为20l/min；图24和图19类似，其中空气流量为25l/min；图25和图19类似，其中空气流量为30l/min；图26表示具有流量调节器的EM流量计信号的AC分量的功率随在水中存在的空气的百分数的改变；图27是用于通过EM仪校准两相流的流环的示意图，其中旋涡发生器置于EM计之前，用于混和所述的相；图28表示在具有强的旋涡的两相流下的EM流量计信号的功率频谱；图29表示对于水中的空气的百分数描绘的EM流量计信号的AC分量的信号功率的曲线，其中具有漩涡流；图30表示在不同的水流量下对于水中的空气的分数描绘的由单相科里奥利流量计测量的质量流速的曲线；图31和图30类似，其中描绘测量的混合物密度；图32和图30类似，不过描绘测量的体积流速；
图33表示对水中的空气的分数描绘的由用科里奥利计测量的频率值计算的频率波动的标准偏差的曲线；图34和图33类似，描绘对于水中空气的分数相波动的STD的曲线；图35表示在不同的水流量下对于水中空气的分数描绘的科里奥利驱动信号的曲线；图36表示在不同的水流量下，对于水中空气的分数描绘的科里奥利传感器信号的功率；图37表示在不同的水流量下对于水中空气的分数描绘的科里奥利驱动信号对传感器信号的比(DoS)；以及图38和图37类似，不过具有应用于DoS信号的校正系数。
具体实施例方式
为了实现所需的校准，流量计必须安装在具有如图1所示的配置的流设备中。当然，其必须在密闭的流体下操作，并且作为发明人的主要的研究，发明人使用水作为主要相，空气作为次要相。关于涉及较低的和中等流速的试验，作为主要相(1)的水借助于重力馈给从容器被吸入，而包括在流环中的泵(2)不被启动。特定试验所需的流速由设置点(3)施加于常规的处理控制器(4)，在那里其和由参考流量计(6)测量的流速比较。然后控制器产生一个输出信号，该信号被提供给控制阀(7)，使得其设置被调节，从而使实际流速等于所需的值。当重力馈给的“头”不足以提供试验所需的流速时，阀门(7)被设置为完全打开，来自控制器(4)的输出信号从阀门(7)被传递给可变速驱动装置(3)，其接着调节泵(2)的速度，直到达到所需的流速，然后保持恒定。
在流环中的第一流量计是传递标准流量计(6)，或者是具有所需精度和用于试验程序的可调范围的流量计。为了确保其实际的性能符合其规范，重要的是遵守制造者的指示，包括其安装和使用，特别是关于在流量计的上游(8)和下游(9)的推荐的直管的长度。
为了进行两相流试验，作为第二相的压缩空气的供应通过和用于供水类似的设施由大楼服务处取得。其包括以足够的精度覆盖试验程序中的流速的范围的参考流量计(11)，控制器(12)，和控制阀(14)。在操作中，控制器比较代表所需的流速值的信号(13)和来自参考流量计(11)的信号，并产生一个信号，当把该信号提供给控制阀(14)时，使得空气流量等于所需的值。
当需要时，空气通过喷嘴注入流环，喷嘴优选地位于用于主要相的参考流量计(6)的下游的一点(15)，在管路工程的中心，使得其对所述流量计的性能没有大的影响。被测试的流量计(17)被安装在流环中，位于空气注入点的下游，并由推荐长度的直管(16)隔开。除去被试验的仪器之外，还提供有直的长度的管(18)，以便在被排放到液体容器之前进行稳流。
流量计的校准涉及编制试验程序，以便在单相或两相流的情况下获得在一个预定的流速范围内的性能数据。这产生关于测量的信号特征的图形数据的矩阵，使得选择的流量计能够用于确定单相或两相流的有无，并确定单成分流的体积或质量流速，或确定在两相流中两种成分或任何一种成分的体积或质量流速。因为发明人使用空气作为第二相，其是可压缩的，重要的是注意接近被试流量计的线压力(linepressure)。当被试流量计本身引入大的压降时，必须测量上游和下游的压力，使得主要变换器的实际压力可以被估算。
试验过程从对照传递标准或参考流量计收集被试流量计的足够的校准点开始，以便在所需的操作范围内建立在测量信号和主要流体的实际流速之间的精确的关系。然后对于主要流体流速的相同的系列重复所述过程，不过具有以在覆盖处理条件的预期范围的一系列的预定流速中的最低的流速引入的次要相。对于次要流体的其它预选的流量重复所述过程，直到收集到足以覆盖处理条件的预期范围的足够的数据点。
每个试验一般涉及使环中的流经过足够的时间以便稳定，然后在一个在统计上大的时间间隔内，例如64秒，使用高分辨率的A/D转换器例如14位的A/D转换器，以高的速率例如8kHz采样来自被试流量计的完全未限制的传感器信号。然后可以使用快速傅里叶变换分析每个数据块。这种一系列测量的结果示于图7-图11。
虽然上述的校准过程是针对两相的水流中的空气的，也可以针对两相的空气流中的水进行。在这种情况下，主要流体(空气)以由主要相参考流量计测量的被控制的流量从空气透平泵被吸入校准设备，然后以一个测量的流速流动的次要相(水)被注入要被校准的流量计的空气流的上游，以便测量两相流。
用于第一组流量计包括在组1中的类型的流量计，即目标流量计，文氏管流量计，喷嘴流量计，楔流量计，和可变面积流量计，它们都按照柏努利定律工作P/ρg+V2/2g+z＝常数这表示在单相流体的流内在数据点上方高度z处的一点压力P和平均流速V之间的关系，其中ρ是在该点的流体密度，g是重力加速度。
对于所有这些流量计(可变面积流量计除外)，通过测量位于主要变换器的上游和下游推荐距离处的分接点之间的差动压力ΔP，使用呈以下形式的关系，获得体积流速qvqv＝K(ΔP/ρ)1/2或者等同地ΔP＝K’qv2ρ，其中K’＝1/K2其中K是校准常数，其通过雷诺数Re和流体的性能有关。
质量流速qm由qm＝qv.ρ给出。
对于可变面积流量计，在差动压力和流量之间的二次关系被基本上线性的关系代替，如后所述。
这些类型的流量计涉及测量主要变换器(差动压力产生装置)的上游和下游预定距离处的线压力的差，这通过使用差动压力变换器来实现，而不使用两个单独的压力发送器。其理由是，流量计本身几乎无疑地在比传感器的间距大得多的线压力下操作，并且甚至可能大4个数量级之多，这显然会破坏或损坏传感器。实验表明，使用一对匹配的压力发送器不能提供足够的稳定性或灵敏度，以便达到所需的精度。因此使用双膜装置来隔离来自线压力的差动压力(ΔP)，使得可以使用具有窄的跨度的一个压力传感器，并且在本专利的情况下，使用具有宽的频率响应的压力传感器。
设计和研制了在处理工业中目前使用的大多数ΔP测量系统，用于这样一些应用，其中主要的考虑是提供精确而稳定的信号用于处理的管理或控制。它们还具有鲁棒的结构，以便经得起它们必须在其中操作的苛刻环境，并且它们必须保证能够用于危险的环境中。
因而，大部分可以在市场上得到的ΔP测量系统的响应时间可以在几分之一秒和几分钟之间调节。这实际上消除了由处理以及其它的安装影响引起的流状态的干扰而导致的波动的影响，并产生对于处理控制和管理是优选的比较稳定的信号。不过，其还消除了传感器信号的较高频率的分量，这些分量实际上携带着可用来识别两相流的发生或存在，并用于确定每相的大小的信息。
不过，具有一些高达几千赫兹的频率响应的ΔP发送器，并且已经用于我们的实验室试验中，不过它们的结构不够鲁棒以经受在大多数工厂中存在的苛刻环境。类似地，可以得到高达10千赫兹的频率响应的压力发送器，但是它们的结构一般也不适用于在工业中存在的苛刻条件。
差动压力型流量计的另一个例子是V-ConeTM流量计，如图3所示。在该图中，主要变换器一个被同轴地安装在导管(4)内的锥体(6)，流体通过所述导管沿所示的方向(1)流动，锥体的顶点指向上游。其由管子保持定位，通过管子在下游的锥体表面的压力和低压端口(3)连通，同时高压端口(2)位于更上游的一个短的距离。设置在锥体(6)的底部和导管(4)的内壁之间的相当小的径向间隙(7)，以便提供所需的β比。跨过锥体产生的差动压力提供和流量的平方定律关系，但是来自下游端口的压力信号特别相应于由于两相流的冲击而引起的“噪声”值的增加。
研制了可变面积流量计以克服组1流量计的由于其在测量信号和流量之间的平方定律关系而产生的受限制的范围。可变面积仪(图2)便是一个例子。其包括成形的锥体(5)，其由弹簧(6)加载和约束，以便借助于流体的力的作用在导管(7)和孔板(4)内同轴地运动，从而沿所示的方向(1)流动。这引起孔的有效面积改变，借以构成一种流量计，其中在高压端口(2)和低压端口(3)之间的测量的差动压力ΔP几乎线性地随体积流速qv而改变，而不像其它产生差动压力的类型的流量计那样，ΔP对qv具有二次相关性。
虽然这些结果表示，利用存在于传感器信号内的噪声中的信息，能够测量其中主要成分是蒸气的蒸气流中的水的两相的流量，但是可以理解，同样的处理可以应用于液体流中的气体，其中主要成分是液体。在气体流中的液体的情况下，一致的性能是特别有利的，以便确保两种成分在进入流量计时例如利用Laws Flow Conditioner被很好地混和，如在Laws，E.M的论文“Flow conditioning-a newdevelopment”中所述，该文发表在Flow Measurement.Instrumentation，1990 Vol.1 No3，165-170。
仅仅作为例子下面说明商标为GilfloTM的可变面积流量计的使用，用于产生代表两相的液体流中具有气体的两种成分的体积流速的信号。
这种可变面积流量计比其它类型的流量计具有特别的优点，这是因为在孔的两侧产生的湍流产生有效的混和，即使当气相和液相在接近流量计时未被混和。此外，在GilfloTM流量计中，例如借助于应变仪通过测量施加到弹簧上的机械力，可以消除差动压力变换器。所实现的混和使得其尤其适用于蒸气的质量以及在天然气中的浓缩的碳氢化合物的比例的重要的测量。蒸气的质量在水-蒸气混合物的总体积中是蒸气的一小部份(按体积)，因此等于蒸气的体积流速除以蒸气和水的流量之和。当使用蒸气作为制造处理中的热源时，蒸气质量是一种重要的测量。
为了测量液体和气体的流量，测量在传感器信号中的波动和信号的常态的平均值。可以通过计算在信号的抽样平均值附近的均方根信号波动求出波动。许多抽样的值x(n)的平均信号值x被按照下式首先计算x_=Σn=1Nx(n)N]]>其中N是抽样数据点x(n)的数量。
在平均值附近的波动的根均方幅值xrms按下式计算xrms=Σn=1N(x(n)-x_)2N]]>其中N是抽样信号值x(n)的(大的)数量，xrms和数据抽样的标准偏差相同。
或者，波动可以从抽样的传感器信号的频谱中被获得。
在下面的曲线中，所有的压力和差动压力测量都是使用在4-20mA电流循环下操作的发送器进行的，相关的信号调节电路把这转换成相应于发送器的范围的0-+10V的信号。这个信号被输入到分析系统。垂直的刻度代表差动压力，由从在流速为0时的0V到最大流速时的+10V改变的电压表示。数据是通过在大约每秒4000个采样对差动压力信号进行采样获得的。
在图7-图11中，示出了对于一个固定的蒸气流速和对于7个不同的水流速的相对于平均值的差动压力传感器信号中的波动的时域曲线。在每个时间波动曲线的旁边还绘出了波动的频谱，其是通过对信号进行快速傅里叶变换获得的，并绘出了高达1400Hz的功率谱。可以通过使频谱中的所有的离散的频率处的谱功率相加计算rms波动，然后取所得结果的平方根以给出结果ΔPrms。此外，可以把频谱内的任何有限范围中的“噪声”相加，但是应当避免由于驱动流的泵而导致的压力脉动。
图7-图11清楚地表明，压力信号的波动随蒸气流的湿度而增加，而图5表示平均差动压降受蒸气质量的影响很小。图6表示rms压力波动对于可变面积压力计对于蒸气的湿度几乎线性地增加，因此其可直接用于测量湿度。
为了确定在两相状态下的各个流的相对大小，流量计必须首先被校准，这涉及在要被流量计覆盖的主要流体的单相流的范围内，测量和绘制主要的和附加的传感器信号。然后在主要流体的流量被保持恒定，但次要流体的流速在要被覆盖的整个范围内按步改变的条件下重复所述处理。
对于任何蒸气流速的值，rms波动和注入的水的流速成比例地急剧地改变。显然，传感器信号的rms波动的增加按照在主要相(蒸气)中引入的次要相(水)的数量在传感器信号之间进行区分。
虽然在4个变量(蒸气流，水流，主要信号和附加信号)之间的关系是非线性的，多层的神经网络能够拟合复杂的非线性数据，因此提供一种用于处理可观测数据的方法，从而产生一个对于主要的和次要的相的流量可以输出好的测量值的系统。
来自流量计的4个输入数据值可以用作神经网络的输入。它们是主要信号(差动压力ΔP)和附加信号rms信号波动ΔPrms，平方波动(ΔPrms)2，以及ΔP中的波动的对数功率谱的值的平均。神经网络被训练使得由4个输入值产生两个输出值主要相(蒸气)流量和次要相(水)流量。
为了获得所述神经网络，必须在相同的两相流条件下采集两个单独的数据组。作为例子，图17示出了对于涡轮机流量计的在训练和试验之后的神经网络的输出。训练和试验数据点的一致表示测量的好的可重复性。点不一致之处是可再现性的量度，并且可能是由于在试验设备中的流状态的不稳定性以及不允许有足够的时间来计算平均值和rms信号值造成的。
用于第2组流量计涡轮流量计是第2组中的主要类型的流量计。其由在被中心轴支撑着的轴承上运转的叶片转子组件构成。整个组件借助于上游和下游吊架被中心地安装在流量计的本体内，其还作为流校直器。转子的角速度和通过流量计的流体的体积流速成比例。
在这些流量计的多数中，主要传感器包括强磁体，围绕所述磁体缠绕线圈，使得当各个转子叶片接近并通过传感器时，磁阻的改变产生一个准正弦的电压信号。不过，这在转子上强加一个非常小的减速力，在低的流量下对流量计的性能具有不利影响。这可以通过使用在射频或高频下操作的感应传感器来克服，当每个叶片接近并通过所述传感器时，其产生脉冲型的瞬变电压信号。
在两种情况下，通常借助于相关的信号调节电路把信号转换成脉冲串，使得每个脉冲相应于流体的一个离散的体积的通过。在恒定的流量下，由流体产生的冲击叶片的驱动转矩精确地平衡由作用在转子上的粘滞力引起的阻力和由于传感器而产生的减速力。
流量可以由转子的转动频率ft获得，或者，由叶片通过频率fb获得，除了一个对于非理想的行为的小的校正之外，即即qv＝Kfb＝KftNB其中NB是在转子上的叶片的数量，K是校准常数。
这个种类中的另一种类型的流量计超声多普勒流量计。
这里只作为例子说明利用涡轮流量计产生表示液体流中具有气体的两相的两种成分的体积流速的信号。
在涡轮流量计的情况下，主要信号是蜗轮叶片通过频率fB，并被看作是一个准正弦波，或者被看作是和每个叶片通过一个参考位置相关的一系列脉冲，视传感器的类型而定。频率fB可以通过测量若干个脉冲出现的时间间隔来获得。附加的信号可以从相继脉冲之间的间隔的波动的均方根导出。因而，如果在时间T内出现N个脉冲，则频率fB＝N/T，脉冲到达之间的平均周期τ是1/fB。如果在相继脉冲之间的时间间隔是一个时间序列t(n)，则在到达时间的rms波动□rms可以由下式计算
τrms=Σn=1N(t(n)-τ_)2N]]>图12表示对于涡轮流量计的基本校准曲线。X轴表示流体的流量(水)，y轴表示相应的传感器信号频率。呈现了好的成比例性。
图13表示在每个叶片通过传感器恒速产生的相继脉冲之间的时间间隔的图。时间间隔平均为5ms，但是在具有5叶片转子的涡轮流量计中连续的叶片对的间隔看起来是略微不同的。这是由于叶片的间距中的小的差别所致。因而顶部的线表示在叶片4到达之前脉冲间隔的图(即由叶片3和4产生的脉冲之间的持续时间)。该图表示大约5.05ms的平均时间间隔，不过也呈现大约±0.02ms的波动。观察在所有叶片的第550个旋转周期和第575个旋转周期之间的波动可见，同一个波动(由脉冲周期中的上升部分跟随着的凹下部分)影响所有5个叶片，表明其是由流状态中的波动引起的。
图14表示两相流对涡轮流量计的影响。每个点是在存在不同的空气流量时测量的涡轮频率fv对水流速qv的比fv/qv。距x轴最近的点是由仅有水(没有空气流)时进行的测量获得的点，并且表示作为单相仪表的流量计的行为。按照应该的情况，在大约1.42脉冲/秒每升/分钟，所述的比基本上是恒定的。不过，当空气被注入流量计的上游流动的水中同时保持水流速恒定时，所述的比非常明显地改变(在最低的水流量下从1.42变为1.96)，这表示在具有第二相(空气)的情况下，流量计不能给出水流量的好的读数。
不过，如果和特定的叶片对相关的脉冲间隔τrms中的rms波动被测量(例如在图13中的任何一个轨迹中的波动)，则这被发现随着第二相的流量而发生很大的改变。这个波动被描绘在图15中。每条线表示对于每对叶片计算的τrms的值，可以由图13中的每个轨迹进行计算。这在不同的注入的空气流量值下被重复，同时保持水流量恒定。波动的程度清楚地表示第二相(空气)的流速。
为了确定在两相流状态下各个流量的相对大小，流量计必须首先被校准，涉及在由流量计覆盖的主要流体的单相流的范围内测量整个未被限制的传感器信号。然后必须在主要流体的流速被保持恒定的条件下重复所述处理，不过其中次要流体的流量在要被覆盖的整个范围内被改变。图14和16是在两相流下进行这种校准的例子，并且表示在同样条件下主要信号fv和附加信号τrms的行为，用于在两相流的条件下校准涡轮流量计。
关于可变面积流量计，4个变量(水流量，空气流量，主要信号，附加信号)之间的关系是非线性的。多层神经网络也能拟合非线性数据，从而提供一种用于处理可观测的数据的方法，以便构成对于主要相流量和次要相流量产生好的测量值的系统。
为了训练神经网络，必须在相同的两相流条件下采集两个单独的涡轮数据组。在训练和试验之后神经网络的输出如图17所示。训练和试验数据点的一致表示测量的好的重复性。而点不一致之处是可再现性的度量，并且可能是由于在试验设备中流状态的不稳定性以及不允许足够的时间以估算平均的和rms信号值所致。
组2还包括超声流量计，其使用高频声波来确定在管子内流动的流体的速度。具有两个基本类型的超声流量计，一个使用多普勒效应，其中流体的速度引起反射声波的频率的改变，另一个使用声波反对流体流行进对顺着流体流行进的时间差。
多普勒效应流量计需要具有声反射材料，例如随流体流行进的小颗粒或小泡。在没有流体的条件下，发射到管子中的超声波的频率和由流体反射的超声波的频率是相同的。在流动的条件下，反射波的频率由于多普勒效应而改变。当流体运动较快时，多普勒频率的改变随流体的速度而线性地增加。电子发射器处理来自发射波及其反射的信号，以便确定流速。
通过时间超声流量计沿管子的上游和下游方向在变换器之间发送和接收超声波。在没有流动的条件下，在变换器之间沿上游行进和沿下游行进经过的时间相同。在流动的条件下，上游的波行进较慢，因而比下游波(较快)占用较多的时间。当流体运动较快时，在上游时间和下游时间之间的差τ随流体的速度而线性地增加。电子发射器处理上游和下游时间，以便确定流速。
两种类型的超声流量计依赖于流体是同相的假定。只要引入具有不同的声性能的第二相，便在原始的传感器信号的幅值域和频率域中具有改变。这些改变可用于确定第二相的存在，并测量相对的流量。具体地说，在多普勒频率中的波动表示存在第二相，而波动的程度的度量表示两个相的相对流速。通过时间超声流量计在具有两相流时呈现许多由涡轮流量计表现的特征的改变，其中在上游和下游通过时间之间的脉冲间隔中的rms波动τrms随第二相的流量显著地改变。此外，对于两种类型的超声流量计，第二相的存在对液体的声特性具有阻尼作用，从而引起传感器信号的幅值的改变。
对于组3流量计的应用科里奥利流量计是组3中的主要类型的流量计。在主要变换器的设计方面具有许多不同的方案，最简单的是一个直的管子，在两端被牢固地锚定，在其中心被电磁地驱动，以便在管子的自然频率下谐振。也有弯曲的管子变换器的各种设计。
操作原理是科里奥利效应或者由于流体蒸气的科里奥利加速度而引起的角动量的守恒。构成科里奥利质量流速计中的主要变换器的管子的许多不同的构型被研制并被在商业上使用了，还有许多用于激励管子并检测其运动的其它方法，不过在近些年来，研发集中在作为主要变换器的直的管子上。当激励力被施加于在每端被牢固地锚定的直管的中心并垂直于其轴线时，便使直管振动，通过管子流动的流体的科里奥利加速度产生在施加的驱动力的任何一侧上沿着相对的方向作用到管子上的力。在振荡的第一半周期间，管子的前半个的位移被减速，而管子的后半个的位移被加速。这引起被放置在驱动力的施加点和管子的两个固定端之间的中部的传感器的信号的相位改变。在振荡的第二半周期间，管子的前半个的位移被加速，同时管子后半个的位移被减速。这导致在来自两个传感器的信号之间的相位差的反向。这个相位改变的大小是质量流速的函数，而谐振的频率是流动的流体的密度的函数。
至少具有3种方法用于提供用于检测和测量第二相的存在的装置。首先，在驱动频率中的波动随气体部分(第二相)的增加而显著增加，因而可用于对其测量。第二，在两个传感器信号之间的相位差，其是用于测量液体的质量流速的基本量，也呈现随气体部分的增加而显著增加的波动，因而可用于测量气体的部分。
最后，为维持管子的谐振振荡所需的驱动功率直接受空气-气体混合物内的粘滞损失的影响，所述粘滞损失随液体-气体流中存在的气体的部分而增加。当气体部分的增加时，对于给定大小的传感器信号，需要较大的驱动功率。在实际应用中，由于各种约束，例如由于机械激励的幅值而产生的疲劳应力，以及为满足固有的电气安全性所需的功率的限制，驱动功率可能必须被限制。不过，驱动功率对传感器信号的比可用于确定气体部分。
图30-38表示利用科里奥利流量计在两相流条件下(在水中具有空气)进行的测量。图30表示由一系列的运行由科里奥利流量计显示的质量流速，其中水的质量流速被保持恒定，而空气被注入流量计的上游，分4步进行注入，直到达到使流量计能够工作的最大的空气部分。对于在196和295升/分钟之间的6个不同的水流速，重复这种处理。显示的读数呈现小的误差。
图31表示由驱动频率导出的由流量计测量的混合物的密度。如果流量计测量的是混合物的平均密度，这应当是一条直线，因此不能由密度的改变导出空气流量的正确的值。不过，气泡尺寸以及在管子中的位置的随机性引起振荡的管子的谐振频率的波动，使得如果驱动频率的值也被采样，并且计算频率值的标准偏差(□frms)(其和由平均频率计算的根均方偏差相同)，则发现rms频率波动随空气部分几乎线性地改变(标准偏差)。对于注入的空气部分的这个□frms的偏差绘制在图33中。校正处理使得□frms能够用于测量空气部分，并能够用于校正在测量的液体质量流速中的误差。
同样，在传感器信号之间的相位差的波动可以被采样，并且其标准偏差被示于图34，使得在校准之后能够测量空气部分。
在实验期间采集了驱动功率、传感器功率(幅值的平方)、以及驱动功率对传感器幅值的比，并把平均值对照空气部分绘制在图35-37中。所述的比随空气部分而改变，但是也随压力而改变。如果把量(drive_powersensor_poewr)*pressure]]>绘制成图38，则获得表示体积空气部分的一根曲线。此外，为了在两相流的条件下获得正确的液体和气体流速，必须进行校准处理，使得可以由所述数据直接获得两个流速。
对于组4流量计的应用组4覆盖了电磁流量计，它们具有以下的缺点它们只能在主要相是液体并且至少轻微地导电的流体流的条件下满意地工作，而在主要相是气体时则根本不能工作。不过，实验室试验已经表明，如果常规的磁场调制被稳态激励代替，在单相(导电的)液体流中引入气相则引起电极信号的功率和频谱的明显的改变，这可以和流中第二相的存在与大小相关联。
重要的是应当理解，在其正常的操作方式下，这种类型的流量计中的磁场以相当低的频率被调制，例如大约12Hz，使得可以消除在流动的流体和金属电极之间的界面上发生的电气机械和其它的寄生影响。在实现这个时，信号处理电路消除信号的低频和非常低的值的分量，由于第二相的存在而引起的改变的检测则依赖于这些分量。
因而，为了应用所述处理检测在(导电的)流体中两相流的发生或存在，需要修改常规的电磁流量计的操作方式，使得在大多数时间，其在正常方式下操作，但是或者根据指令，或者以预定的间隔，电磁体的调制被中断，并由电磁体的稳态激励代替，同时在一个短暂的时间间隔，例如32秒，从电极收集数据，然后进行上述的分析。
应当注意，这个过程只影响信号调节电路，而不影响设计、结构或对流量管的固有的安全考虑。
图19-25表示在增加注入液体流中的空气部分的条件下，在放大之后的来自EM流量计的未限制的传感器信号中的噪声波动的时间图。用于采集数据的流量设备基本上和图1所示的相同。只是在空气注入点(15)和被测流量计(17)之间的部分被改变，如图18所示，以受控的流量从前述的源中汲取的水通过直的长管(9)被提供给空气注入点(15)，在此其和也以前述的受控的流速提供的空气流(10)组合。由空气注入点，流体通过大约40管径长的直管长度(16)送到流量调节器(20)，流量调节器位于被测流量计(17)的大约3个管径的上游。除此之外，流动的流体通过足够长的管(18)被提供给容器，以避免对被测流量计的操作的任何不利影响。
图26表示当水中的空气的百分数增加时，均方噪声的功率稳定地增加。这个噪声可直接用于测量空气部分。在图19到25的时间图旁边的是通过对噪声信号数据进行FFT而获得的噪声功率谱的图。
为了获得更可再现的结果，有利的是在两相混合物进入流量计之前使其通过混和器。为此，一个Laws流调节器被包括在流环中，在流量计的上游，如图18所示。另一种方法是在流量计的上游包括一个漩涡发生器，如图27所示，除去流量调节器被除去并把漩涡发生器插入空气注入点(15)的出口附近之外，其基本上和图18相同。这对把所有的空气集中在漩涡中的两相的水流中的空气、管子中心向下的螺旋流具有影响，使得只有水流近流量计中的传感器电极。此时对于漩涡流由传感器电极检测的噪声波动的幅值大于当空气较均匀地分布在管子中时的幅值，这通过比较图26和29便可看出，其中具有漩涡的功率是5.8volts2，而无漩涡时则为1.8volts2。由漩涡产生的噪声信号的功率谱被绘制在图28中，并且是非常平滑的。较大的噪声功率具有使得分析较少受噪声的其它源影响的优点。
在平均值附近的传感器信号中的噪声波动的均方信号功率Prms可以按下式计算Prms=Σn=1N(x(n)-x_)2N]]>其中N是采样的差动压力信号值x(n)的数量。
在上述的所有例子中可以发现，在主要相内存在的次要流体相引起流量测量信号的(来自主要传感器的未被限制的信号)的特征的改变。因而，例如在以恒定的流量流动的水中引入空气将引起主要传感器信号的特征的改变。在可变面积流量计的情况下，所述改变是差动压力的改变，对于涡轮流量计，是传感器信号的频率的改变，这表示流的平均速度的增加。此外，在主要信号中的rms波动也增加，并且正是这种改变，其迄今被认为是多余的，提供关于两相流中的相部分的重要信息。正是通过分析和处理来自流量计的传感器信号，可以确定在液体中具有气体的流状态下每个相的相对大小。
可以设想，本发明的方法可用于和上述不同的流状态，并且可以用于液体中具有液体的流状态，其中所述液体是不能混和的，可以用于具有固体的液体或气体，并且可以用于3相流状态。这种流状态的一个特定的例子是送入工厂的蒸气流，在工厂蒸气是热能的主要来源。其中蒸气的质量或水分部分是头等重要的，因为其影响工厂条件和总体性能。
因而本发明提供一种通过分析整个未被限制的传感器信号的“噪声”分量来表征流体流，从而提供所述流的状态的指示，即是否存在单相流或两相流，并用于测量任何一相或两相的流速的方法。本发明表达一种和常规的流量测量方法截然不同的方法，常规的流量测量方法试图丢弃“噪声”-在传感器信号中的小的低电平的波动-而本申请人却理解了附加于包含在“噪声”内的信息上的重要性。
对于其中主要传感器产生给定类型的测量信号(例如差动压力，或频率，或时间周期读数-见表1)的流量计，可以应用同样的方法来从小的波动中提取或恢复附加的信息。
权利要求
1.一种用于监视在密闭的管路中的流体流的方法，包括设置和所述管路相关的流量计，所述流量计从包括文氏流量计、楔/差动压力流量计、喷嘴/差动压力流量计、可变面积/差动压力流量计、超声流量计、涡轮流量计、科里奥利流量计和电磁流量计的组中选择，在使用中的流体在管路内流动通过所述流量计，其特征在于包括以下步骤产生表示所述流体流的至少一个特征的信号，测量未被限制的一个或几个感测信号的幅值和/或频率分量，在所述感测信号中包括任何波动，以及分析所述一个或几个感测信号的至少一个分量，以便确定是否存在第二相，和/或确定所述流体流的至少一相的大小。
2.如权利要求1所述的方法，对于检测流体流中第二相的存在，其特征在于以下步骤产生表示所述流体流的至少一个特征的信号，测量未被限制的一个或几个感测信号的幅值或/与频率分量，在所述感测信号中包括任何波动，以及分析所述一个或几个感测信号的至少一个分量，以便确定流体流中是否存在第二相。
3.如权利要求1所述的方法，对于计量流体流中的至少一相，其特征在于以下步骤产生表示所述流体流的至少一个特征的信号，测量未被限制的一个或几个感测信号的幅值和/或频率分量，在所述感测信号中包括任何波动，以及分析所述一个或几个感测信号的至少一个分量，以便确定所述流体流的相中的至少一个相的体积流速或质量流速。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于以下步骤分析所述一个或几个感测信号的至少一个分量，以便确定所述流体流的相中的每一相的体积流速或质量流速。
5.如前面任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，所述流量计从组(如前面限定的)中选择，其中其传感器和主要变换器相关，并适用于产生和体积流速具有平方定律或其它已知关系的差动压力测量信号。
6.如前面权利要求1-4任何一个所述的方法，其特征在于，所述流量计从组(如前面限定的)中选择，其中其传感器和主要变换器相关，并适用于产生在频域内的测量信号，借以使频率和体积流速成比例。
7.如前面权利要求1-4任何一个所述的方法，其特征在于，所述流量计从组(如前面限定的)中选择，其中其传感器和主要变换器相关，并适用于产生振荡测量信号，其中频率分量实质上和体积流速成比例。
8.如前面权利要求1-4任何一个所述的方法，其特征在于，所述流量计从组(如前面限定的)中选择，其中其传感器和主要变换器相关，并适用于产生振荡测量信号，所述振荡测量信号是流体流的密度及其质量流速的复函数。
9.如前面任何一个权利要求所述的方法，其特征在于校准流量计的步骤。
10.如从属于权利要求4至8时的权利要求9所述的方法，其特征在于，在分别的管路内使用两个参考单相流量计，在所述管路中两个单独的相分量的流在它们被组合以产生一个两相流然后使所述两相流通过选择的单相流量计之前被测量，其特征在于以下步骤在选择的流量计的整个操作范围内测量并记录通过每个参考流量计的各自的流量，并同时在每一点测量和记录由和选择的(被测的)流量计相关的传感器产生的整个测量信号，借以恢复信号数据，其包括但不限于信号的幅值(rms)和信号的功率，整个未被限制的传感器信号的谱频率分量，以便确定在各个流体流的相的流量和所述整个测量信号之间的关系，因而对照来自参考流量计的数据校准选择的流量计。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在一种装置中包括管路，所述管路包括选择的流量计和适用于主要相和次要相的两个参考流量计，其特征在于以下步骤对管路供应两相流体流，以及在选择的流量计的整个操作范围内在选择的点测量由和选择的流量计的主要变换器相关的传感器产生的整个信号，借以确定在主要相的流速和与各自的主要变换器相关的整个测量信号之间的关系，并因而对照来自参考流量计的数据校准选择的流量计。
12.如权利要求9和10所述的方法，其特征在于，在一种装置中包括管路，所述管路包括选择的流量计和适用于液体的主要相流体和气体的次要相流体的两个参考流量计，其特征在于以下步骤对管路供应两相流体流，以及在选择的流量计和适用于液相主要流体的参考流量计以及用于气体的次要相的另一个参考流量计的整个操作范围内在选择的点测量由和参考流量计的主要变换器相关的传感器产生的整个信号，借以确定在流体流中液相和气相的组合的流速和与各自的主要变换器相关的整个测量信号之间的关系，并因而对照来自参考流量计的数据校准选择的流量计。
13.如权利要求10到12任何一个所述的方法，其特征在于，在选择的流量计的上游在流体流管路中包括流量调节器。
14.如权利要求10到12任何一个所述的方法，其特征在于，在选择的流量计的上游在流体流管路中包括涡流发生器。
15.如权利要求9和任何一个从属于权利要求9的权利要求所述的方法，其特征在于，根据液体中具有气体的相进行两相流体流的校准。
16.如权利要求9和权利要求10到14任何一个所述的方法，其特征在于，根据气体中具有液体的相进行两相流体流的校准。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，传感器信号的幅值的改变被用作关于次要相存在的决定因素。
18.一种用于测量密闭的管路中的蒸气流量的方法，包括在传输要被测量的蒸气的管路中设置流量计，所述流量计从包括文氏流量计、楔/差动压力流量计、喷嘴/差动压力流量计、可变面积/差动压力流量计、超声流量计、涡轮流量计、科里奥利流量计和电磁流量计的组中选择，其特征在于产生表示蒸气流量的至少一个特征的信号，测量包括但不限于信号的幅值和频率分量以及功率的信号的分量，保留和信号相关的波动，以及分析所述信号的所述分量，以便确定流体流的至少一相的体积流速。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于按照权利要求9和10所述的方法校准选择的流量计的步骤。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，和信号相关的波动是两相流体流的存在的决定因素。
21.一种用于按照权利要求18所述的方法确定在管路中流动的蒸气的质量的方法。
22.如权利要求9和从属于权利要求9的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，所述校准根据液体中具有液体的相利用两相流体流进行。
23.如权利要求9和从属于权利要求9的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，所述校准根据液体中具有固体的相利用两相流体流进行。
24.如权利要求9和从属于权利要求9的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，所述校准根据蒸气中具有的水的相利用两相流体流进行。
全文摘要
一种利用和管路相关的流量计监视密闭的管路中的流体流量的方法，所述流体通过流量计而流动，包括以下步骤产生表示流体流的至少一个特征的信号，以及测量包括任何的信号波动的信号分量，并分析感测的信号的至少一个分量，从而确定第二相流体是否存在，与/或确定至少一个相的大小。
文档编号G01F1/66GK1701216SQ03825223
公开日2005年11月23日 申请日期2003年9月18日 优先权日2002年9月19日
发明者比德·卓塞弗·安斯沃斯, 艾德华·霍尔·海格哈姆, 蒙格考尔·普萨亚塔农特 申请人:萨塞克斯大学