专利名称：用于确定管线中介质的流动特性的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定管线中基本层流地流动的气体或液体介质的至少一个流动特性的方法。气体介质可以等同于气体或气体混合物。流动特性例如是流速、流动方向、体积流量或质量流量，如流率。在这种情形下待确定流速也可以是零，即介质最多执行热运动。然而，介质至少有时层流地流动。
背景技术：
在工业过程的很多情形下，气体、气体混合物或液体通过管线流动。为了能够控制和/或监测该过程，除了别的之外，必需知道介质的流速或质量流量。根据现有技术中已知用于该目的大量不同的测量原理和测量设备。经常使用热流传感器用于小流速。在第一种变型中，这些包括加热元件，用于为流经的介质加温，其中该加热元件以恒定加热功率操作；和两个温度传感器；其中，在每一 个情形下，将一个温度传感器布置在加热元件的下游并且将一个布置在加热元件的上游，并且记录介质的温度。根据利用两个温度传感器确定的温度差，可以确认流速。已知所谓的热风速计。在这种情形下，将加热元件控制到恒定温度。介质流经加热元件并且在这种情形下去除热量越快，用于将加热元件保持在恒定温度下所需的加热功率越大。在热流传感器的情形下的缺点是它们对可能在其上形成的增生物敏感，并且当它们的寿命增加时，它们显现出热漂移。这需要频繁地维护和/或重新校准。基于科里奥利(Coriolis)原理的测量设备是非常可靠的。其基本上由至少一个可振荡管构成，其插进管线作为中间件并且基于科里奥利效应确定介质的流速。这种测量设备以大量实施例和额定直径存在。科里奥利测量设备的缺点是它们需要高初始投资。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于可靠地确定基本层流地流动的介质的至少一个流动特性的方法，而且，其中该方法是以低成本方式可实现的。此外，提供了用于执行该方法的对应的装置。通过下述特征功能达到该目的，这些特征包括，至少对于介质以非零的速度流动的情形下，引入管线的至少一个调制元件至少有时在该元件附近产生该介质的密度的改变；将引入管线的并且从该调制元件隔开的至少一个机械可振荡单元激发至共振振荡；通过该机械可振荡单元接收机械振荡并且将其转换成电的接收信号，其中该接收信号对密度改变敏感；并且根据该机械可振荡单元的接收信号对该密度改变的反应确定该介质的至少一个流动特性。根据本发明，介质的密度受调制元件的影响，并且通过评估接收信号检测布置在距调制元件一定距离的机械可振荡单元的反应。调制元件例如经由介质的温度或压力来影响密度。可确定的流动特性是流动的存在和流动方向，并且依赖于实施例，是流速、体积流
量和/或质量流量。
机械可振荡单元优选地是振荡叉，其包括布置在膜上的两个桨。然而，它也可以是单棒。已知具有振荡叉的测量设备尤其用于填充水平和密度测量。例如，在W02007074004A1中描述了用于在气体介质中应用的振荡叉的特定实施例。其中提供了，例如，桨的厚度和密度的乘积尽可能地小，并且使桨的表面积尽可能地大。对于进一步的细节，可以参考指出的文献。为了测量,将振荡叉激发至以其共振频率振荡,并且将机械振荡接收并转换成电接收信号。通常，至少一个压电式换能器用于激发和接收两者。共振频率根据桨周围的介质的密度改变。因此，根据共振频率的改变，介质的密度的改变是可检测的。经由调制元件而有时或持久地改变的密度提供了关于介质是静止还是流动的信息。而且，例如，通过对由调制元件引起的在流动介质中密度波动的传播时间的测量，流速是可确定的。如果介质的流动方向是预定的或已知的，单一机械可振荡单元足够用于确定流速和例如流率的流量。相反，如果流动方向不是已知的，围绕调制元件对称地布置两个可振荡单元，使得在一方面，可以确定流动方向，并且在另一方面，根据流动方向，可以利用一个可振荡单元或利用另一个来测量流速和/或体积流量或质量流量。当然，事实是在每一个情形下，考虑布置在调制元件下游的可振荡单元用于基于改变的物理变量关于流动特性的估算。此外，能够比较两个可振荡单元的接收信号并且由此确认待确定的流动特性。 在本发明的解决方案的第一实施例中，通过调制元件减小管直径。在这种情况下，调制元件是收缩元件，其放置在管线内壁上并且不降低层流。如果介质静止，则由此介质的特性没有被改变。如果介质在流动，则该调制元件导致了沿着管线纵轴在调制元件前面和后面的压力差。与其相关的是密度差，该密度差由两个可振荡单元确定。为此，将可振荡单元引入管线，在流动方向上一个在收缩元件前面，并且一个在收缩元件后面。该实施例适用于气体介质。在替代实施例中，经由调制元件在调制元件附近改变介质温度。在最简单的情形下，将加热元件作为调制元件引入管线。该实施例适用于气体介质和大量的液体介质。在该实施例的进一步的改进中，以恒定方式加热调制元件。如果调制元件是电热元件，则为此向这种元件供应有恒定加热电流。在该方法的实施例中，确定该第一机械可振荡单元和第二机械可振荡单元的振荡频率的差，其中该第一机械可振荡单元和第二机械可振荡单元沿着该管线的纵轴围绕该调制元件基本对称地布置，并且根据振荡频率的差确认该介质的流动的存在、流动方向和/或流速。替代地，第一和第二机械可振荡单元围绕调制元件不对称地布置，而代替地以距彼此不同距离地布置。优选地，将可振荡单元沿着共享的管线的表面元件引入管线。在实施例中，利用加热电流加热该调制元件，该加热电流是根据时间可变的，使得产生了该介质的温度的依赖于时间的改变。在作为加热元件实施的调制元件的环境中，介质优选地通过加热电流周期性地加热，该加热电流是根据时间可变的，并且因此，带来密度改变，该密度改变随着流动介质而移动，并且可以通过机械可振荡单元来检测。自然发生的温度波动比由加热元件引起的温度波动慢。由加热元件引起的温度波动优选地带来少许赫兹。以此方式，与引起的温度改变关联的密度波动在介质温度非恒定的情形下也是可检测的。与此相关的方法的实施例提供了，根据在该机械可振荡单元和调制元件之间的距离、并且根据在该介质的温度产生的改变和该可振荡单元的接收信号的改变之间的时间差，确定该介质的流速和/或流量，该接收信号的改变作为对流过的该介质的温度改变的反应。在优选的进一步的改进中，第二机械可振荡单元沿着管线的纵轴相对于第一机械可振荡单元布置在调制元件的另一侧，并且根据第一和第二可振荡单元的接收信号，确定该介质是否以非零的速度流动，以及在给定的情形下确定介质在哪个方向上流动。依赖于流动方向，利用第一或第二机械可振荡单元确定流速。实施例的替代形式提供了，根据在该第一机械可振荡单元和该调制元件之间将第二机械可振荡单元布置在管线中距该第一机械可振荡单元的距离dl，并且根据在利用该第二可振荡单元检测到该介质的温度改变和利用该第一可振荡单元检测到该介质的温度改变之间的时间差，确定该介质的流速和/或体积流量。以此方式，防止了对测量基于加热电流变化的介质反应时间的依靠，其使流速的确定更简单并且更精确。该方法有益的进一步的改进提供了，经由该第一机械可振荡单元和/或该第二机械可振荡单元确定该介质的密度，并且根据该密度和该流速确定质量流量。此外，通过一种用于确定在管线中基本层流地流动的气体或液体介质的至少一个 流动特性的装置实现了该目的。解决方案包括特征将至少一个调制元件放置于管线中，至少在介质以非零的速度流动的情形下，该至少一个调制元件至少有时在该调制元件附近产生该介质的密度的改变；将至少一个机械可振荡单元与该调制元件隔开地放置于管线中并且执行共振振荡；至少一个电子单元与该机械可振荡单元相关联，该电子单元接收机械可振荡单元的机械振荡并且将该机械振荡转换成电的接收信号，其中该接收信号对密度改变敏感；并且，根据机械可振荡单元的接收信号对密度改变的反应，该电子单元确定该介质的至少一个流动特性。在本发明的装置的第一实施例中，将收缩元件放置于管线中作为调制元件，该收缩元件减小管直径并且在流动的介质中产生压力梯度。可以说，该收缩元件起隔膜的作用。
在替代实施例中，将加热元件放置于管线中作为调制元件，该加热元件影响了在加热元件附近的介质的温度改变。以恒定方式或时间上可变的方式加热该加热元件。本装置的实施例提供了，将第二机械可振荡单元以如下方式放置于管线中，使得该第一可振荡单元和该第二可振荡单元沿着管线的纵轴围绕该调制元件基本对称地布置。替代地，将第二可振荡单元布置在距调制元件一定距离处，其中该距离与第一可振荡单元相对于调制元件布置的距离不同。在每一个情形下，以如下方式布置两个可振荡单元，使得在每一个情形下，相对于流动方向，一个可振荡单元位于调制元件前面并且一个可振荡单元位于调制元件后面。这使得能够在不同流动方向的情形下确定流动方向并且确定进一步的流动特性。在另外的实施例中，在该调制元件和该第一机械可振荡单元之间和/或在该调制元件和该第二机械可振荡单元之间布置至少一个另外的机械可振荡单元。总的来说，因而在管线中放置两个或四个可振荡单元，其中，在每一个情形下，在流动方向上在调制元件之后布置两个。在已知流动方向的情形下，只需要两个可振荡单元。与本方法相关联地描述了用于确定与本装置实施例相关的至少一个流动特性的方法的实施例。各个方法在电子单元中执行。
现在将基于附图更详细地解释本发明的装置和本发明的方法，在每一个情形有下述附图示意性地示出图I是具有一个加热元件和一个机械可振荡单元的管线；图2是具有围绕加热元件对称布置的两个机械可振荡单元的管线；图3是具有布置在加热元件同一侧的两个机械可振荡单元的管线；图3a是图3的独立于流动方向的改进；图4是具有收缩元件和两个机械可振荡单元的管线。
具体实施例方式图I示出了简单的结构，利用这种结构，根据本发明的方法，在已知流动方向的情形下可以确定气体介质的流速。在液体的密度表现出高温度依赖性的范围内，该方法可等同地适用在液体的情形下。这类液体的示例是汽油和苯。为了保证可靠的测量，介质应该基本层流地流动。在本示例中，如箭头所指示，介质从左向右通过管线流动。为了调制介质的密度，将加热元件引入管线。在这种情形下，加热元件可以突出进入管线，或者可以实际直接布置在管线内部的壁上。例如，加热元件是用薄膜或厚膜技术安装在基底上的成螺旋 形的导线或钼电阻。每一种情形表示加热元件，其对加热电流的改变迅速地反应，使得加热元件的电流温度是相对地精确地可控制的。机械可振荡单元沿流动方向布置在加热元件之后距加热元件距离dl处。在该实施例的优选形式中，机械可振荡单元是所谓具有两个桨的振荡叉，其面积和密度与气体介质中的应用相匹配。为了实现足够高敏感度的气体密度测量，该桨具有大面积并且非常轻。通常，适于气体测量的振荡叉的敏感度S在5-10Cm3/g的在范围内。替代地，可振荡单元是所谓单杆，其已知用于散装货的填充水平测量。单杆例如在其面积和其质量——以及经由单杆内部的频率匹配补偿元件一同样地与气体和/或液体测量相匹配。在电子单元中发生至少一个流动特性的确定，该电子单元与加热元件和可振荡单元连接。优选地，在这种情形下，这涉及微处理器。可振荡单元可以具有其自己的电子单元，该电子单元用于控制激发和用于处理接收的信号。有时加热元件使得加热元件周围的介质温度增加AT。介质密度与此相关地减小。
可振荡单元的共振频率是依赖于它周围介质的密度，从而由加热元件导致的介质中的密度
改变在某一时长It之后在可振荡单元的接收信号中是可识别的，该时长It依赖于距离dl
和介质的流速V。这对于温度系数足够高的所有气体和液体成立。因而本方法尤其适于气
AT
体。对于气体介质，在平均温度Γ 二 T0 + j的情形下，关于振荡频率F。的、由密度改变导致
的频率变化AF由以下方程式给出
AF _ j II I其中S是振荡叉的敏感度并且P ^是在温度Ttl下的气体密度。为了在预定温度差的情形下产生特定的频率差，介质密度越小，振荡叉的敏感度必须越高。介质应该基本层流地流动，使得保证没有湍流发生，该湍流补偿了有关温度的密度波动。为了计算流速，根据加热电流或加热功率和频率曲线的比较确认时长。例如，确定在加热电流的上升沿和可振荡单元频率的上升沿之间的时间跨度。可以利用振荡叉确定平均重量的、诸如氧气、氮或二氧化碳的气体的流速，该振荡叉被实施用于借助温度增加大约O. 1-0. 2K在标准压强的情形下的在气体中的密度测量。在诸如，例如，氢、氦或甲烷的轻气体的情形下，需要具有高敏感度的振荡叉或者增加的过程压强。在有利的实施例中，加热元件利用正弦加热电流加热。正弦温度和密度分布曲线被相应地施加在流经加热元件的介质上，然而，其关于加热电流的正弦具有一定的相移。可振荡单元的振荡的频率曲线同样地是正弦的,其中，因为气体输运,发生关于加热电流的正弦的另一个相移。该相移是用于估算流速的量度。为了能够精确地根据距离dl和时间dt确定流速V，生产加热元件的温度改变和发生介质的温度或密度改变的之间的延迟tl必须是已知的或是可忽略地小的。然后从确认的时长It中减去已知的延迟tl。尤其在正弦周期加热电流的情形下，测量方法的这个实施例仅可适用于当产生温度改变的和记录密度改变之间的时长It小于振荡的时周期时。因此，对应于预期的流速选择加热电流的频率和距离dl。例如，在5Hz的正弦状温度波动和50cm的距离dl的情形下，最大值为2. 5m/sec的流速是可测量的。因此，在高流速的情形下，优选地没有带来周期的温度波动，而是代替地，以特定的间隔在短时间内改变温度，并且相对于关联的频率改变来估算可振荡单元的接收信号。替代地，周期的温度波动的振幅可以变化，例如，每第X次最大值是其他值的两倍高。这样，大于2π的相移也是可识别的，其中最大的可检测的相移依赖于对X的选择。优选地，确定除流速之外的其他变量。例如，在已知管直径的情形下，根据流速V，或根据距离dl和时长lt，体积流率Qv是可确定的。由在平均温度T下的平均振荡频率 在
权利要求
1.一种用于确定在管线(I)中基本层流地流动的气体或液体介质的至少一个流动特性的方法， 其特征在于 至少对于所述介质以非零的速度流动的情形下，引入所述管线(I)的至少一个调制元件(2、3)至少有时在所述元件(2、3)附近产生所述介质的密度的改变； 把引入所述管线(I)的并且与所述调制元件(2、3)隔开的至少一个机械可振荡单元(41)激发至共振振荡； 通过所述机械可振荡单元(41)接收机械振荡并且把所述机械振荡转换成电的接收信号，其中所述接收信号对密度改变敏感； 并且根据所述机械可振荡单元(41)的所述接收信号对密度改变的反应确定所述介质的所述至少一个流动特性。
2.根据权利要求I所述的方法， 其特征在于 通过所述调制元件(3)减小管直径。
3.根据权利要求I所述的方法， 其特征在于 经由所述调制元件(2)在所述调制元件(2)附近改变所述介质的温度。
4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于 以基本恒定方式加热所述调制元件⑵。
5.根据权利要求2或4所述的方法， 其特征在于 确定所述第一机械可振荡单元(41)和第二机械可振荡单元(42)的振荡频率的差，其中所述第一机械可振荡单元(41)和所述第二机械可振荡单元(42)沿着所述管线(I)的纵轴(L)围绕所述调制元件(2、3)基本对称地布置，并且根据所述振荡频率的差确认所述介质的流动的存在、流动方向和/或流速。
6.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于 利用加热电流加热所述调制元件(2)，所述加热电流是根据时间可变的，使得产生了所述介质的温度的依赖于时间的改变。
7.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于 根据在所述机械可振荡单元(41)和所述调制元件(2)之间的距离、并且根据在所述介质的温度的产生的改变和所述可振荡单元(41)的所述接收信号的改变之间的时间差，确定所述介质的流速和/或体积流量，所述接收信号的改变作为对流过的所述介质的温度改变的反应。
8.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于 根据在所述第一机械可振荡单元(41)和所述调制元件(2)之间把第二机械可振荡单元(42 )布置在所述管线(I)中距所述第一机械可振荡单元(41)的距离，并且根据在利用所述第二可振荡单元(42)检测到所述介质的温度改变和利用所述第一可振荡单元(41)检测到所述介质的温度改变之间的时间差，确定所述介质的流速和/或体积流量。
9.根据权利要求5、权利要求7、或权利要求8所述的方法， 其特征在于 经由所述第一机械可振荡单元(41)和/或所述第二机械可振荡单元(42)确定所述介质的密度，并且根据所述密度和所述流速确定质量流量。
10.一种用于确定在管线(I)中基本层流地流动的气体或液体介质的至少一个流动特性的装置， 其特征在于 至少一个调制元件(2、3)，放置在所述管线(I)中，至少在介质以非零的速度流动的情形下，所述至少一个调制元件(2、3)至少有时在所述调制元件(2、3)附近产生所述介质的密度的改变； 至少一个机械可振荡单元(41)，与所述调制元件(2、3)隔开地的放置于所述管线(I)中并且执行共振振荡； 至少一个电子单元(5)，与所述机械可振荡单元(41)相关联，所述电子单元(5)接收所述机械可振荡单元(41)的机械振荡并且把所述机械振荡转换成电的接收信号，其中所述接收信号对密度改变敏感； 并且，根据所述机械可振荡单元(41)的所述接收信号对密度改变的反应，所述电子单元(5)确定所述介质的所述至少一个流动特性。
11.根据权利要求10所述的装置， 其特征在于 收缩元件(3)，放置于所述管线(I)中作为调制元件，所述收缩元件(3)减小管直径并且在流动介质中产生压力梯度。
12.根据权利要求10所述的装置， 其特征在于 加热元件(2),放置于所述管线(I)中作为调制元件,所述加热元件(2)影响该加热元件(2)附近的所述介质的温度改变。
13.根据权利要求10-12中的一项所述的装置， 其特征在于 第二机械可振荡单元(42)，被放置于所述管线(I)中以使得所述第一可振荡单元(41)和所述第二可振荡单元(42)沿着所述管线(I)的纵轴(L)围绕所述调制元件(2、3)基本对称地布置。
14.根据权利要求10-13中的一项所述的装置， 其特征在于 在所述调制元件(2)和所述第一机械可振荡单元(41)之间和/或在所述调制元件(2)和所述第二机械可振荡单元(42)之间布置至少一个另外的机械可振荡单元(42、43、44)。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定在管线中以基本层流方式流动的气体或液体介质的至少一个流动特性的方法和装置。本发明特征在于包括至少在介质以非零速度流动的情形下，引入管线的至少一个调制元件至少有时在该元件的附近产生介质密度的改变；将引入管线的并且与该调制元件隔开的至少一个机械可振荡单元激发至共振振荡；通过该机械可振荡单元接收机械振荡并且将其转换成电的接收信号，其中该接收信号对机械可振荡单元改变的密度敏感；并且根据该单元的接收信号对密度改变的反应确定该介质的至少一个流动特性。
文档编号G01F1/704GK102884403SQ201180022506
公开日2013年1月16日 申请日期2011年4月14日 优先权日2010年5月3日
发明者安德鲁斯·迈尔, 福尔克尔·德赖尔, 谢尔盖·洛帕京 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司