用于确定管道流体系统中的流体的物理参数的方法与流程

本发明涉及确定流体的物理参数的领域，特别是在管道流体系统中的流体的物理参数的领域。本发明还涉及一种振动测量系统、程序元件、计算机可读存储介质以及用途。

背景技术：

1、到目前为止，已经开发了许多方法和设备来借助于管道或管路的振动频谱来提取工业管路中的过程流体的各种物理参数。然而，结果表明，从全振动频谱中选择最适合的频率对于以良好的精度确定流体的物理参数至关重要，特别是因为并非所有的振动模式对流体的任何所选物理参数都同样敏感。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于确定流体的物理参数的改进方法。该目的由独立权利要求的主题实现。其他实施例通过从属权利要求和以下描述显而易见。

2、一个方面涉及一种用于确定管道流体系统的区段中的流体的物理参数的方法，其中管道流体系统包括管道，管道被配置为充有流体。该方法包括以下步骤：

3、选择管道流体系统的区段，该区段由一对刚性限定器限定；

4、对管道的区段执行数值振动模拟，产生管道流体系统的经计算的最大值的经计算的本征频率范围；

5、由激励装置，诱发区段的第一振动；

6、由至少两个振动测量设备，获取幅频图中的第一最大值集合，其中第一频率在经计算的本征频率范围内；

7、借助于振动模式分析，从第一最大值集合中选择第一环向模式最大值；

8、由激励装置，诱发区段的第二振动；

9、由至少两个振动测量设备，获取幅频图中的第二最大值集合，其中第二频率在经计算的本征频率范围内；

10、借助于振动模式分析，从第二最大值集合中选择第二环向模式最大值；

11、从第一环向模式最大值与第二环向模式最大值之间的差导出流体的物理参数。

12、流体的物理参数可以是例如流体的压力、粘度和/或密度。流体可以是任何材料，这些材料可以在管路或管道中运输。示例可以包括液体、悬浮液和/或气体，例如液化气体。管道流体系统包括被配置为充有所述流体的管道。管道可以包括能够响应于单个刺激而振动的任何材料。刺激可以通过用锤子、任何其他工具或用转向节在管道上打孔来给出。要使用的工具可以包括在管道上具有限定的力冲击的工具。管道流体系统的区段可以是在该区段的每侧由刚性装置(诸如夹具或法兰)限定的管道区段。区段的长度可以由管道的尺寸确定。选择管道流体系统的区段可以包括构建和/或使用由一对刚性限定器限定的管道流体系统的区段。在所选区段中，管道可以基本上完全被流体填充。

13、管道区段的数值振动模拟可以包括所选区段的分析模拟或基于fem的(有限元方法)模拟。管道流体系统的振动模拟可以同时考虑管道的物理性质和流体的物理性质。振动模拟可以是对一个单一刺激的响应的模拟，例如对在管道区段上用锤子的一个单一冲头的响应。对一个单一刺激的响应频率或共振频率通常被称为管道流体系统的本征频率。振动模拟可以产生幅频图，即，示出振动区段在该图的x轴上的频率和在该图的y轴上的幅度的图。因此，幅频图中的计算最大值是该图中幅度为y值并且频率为x值的峰值。管道流体系统的振动模拟可以产生经计算的本征频率值，该本征频率值可以不同于相应真实管道流体系统的实际本征频率，特别是在0％至10％之间，例如在0％至5％之间。因此，经计算的本征频率作为一个范围来处置，在该范围内，与所设想的流体性质相关的振动模式是预期的。例如，“范围”可以考虑流体的变化(例如其压力、粘度和/或密度的变化)、管道的变化(例如由温度波动、模拟和/或区段模型的精度不足和/或其他不精确源引起的变化)。

14、换言之，为了用夹紧方法从任意管道流体系统的振动中确定流体性质变化，已知对所考虑的物理性质敏感的振动模式的频率可以通过适当的模型计算来确定。其准确性通常在所确定物理性质的百分之几的范围内，例如在5％至10％的频率间隔内。该预测也可以被用于标识真实振动频谱中的相关模式。然而，由于尺寸和材料数据的公差，任何预测模式的实际频率通常与预测值略有偏差，使得在一些情况下，多个频率可以在预测频率间隔内被找到。因此，所公开的方法提供了一种从预测频率间隔内的多个本征频率中选择所设想的振动模式频率的装置，这可能导致频率变化与流体性质变化之间的相关性。

15、在模拟之后—备选地与模拟平行，甚或在模拟之前—管道流体系统的区段的一些“真实世界参考值”可能会被捕获。为此，区段的第一振动由激励装置诱发，例如锤子的一个冲头、螺线管系统或其他激励装置。区段的响应由至少两个振动测量设备获取。至少两个振动测量设备可以以限定的方式来布置，特别是能够确定振动模式，即，最大值的环向模式或弯曲模式。具体地，至少两个振动测量设备(例如加速度计)可以被用于区分预定义频率间隔内的不同模式。

16、该获取可以导致幅频图中的第一最大值集合，其中第一频率在本征频率范围内。第一最大值集合可以包括仅一个最大值或多个最大值；至少针对一些管道流体系统，后者可能是常规情况。因此，通过将全振动频谱的最大值限制为仅本征频率范围内的第一最大值集合，已经改进了用于确定流体的物理参数的方法，从而选择了最适合的频率，或者至少仅选择了其中的几个频率(即，第一最大值集合)。

17、为了更复杂地选择最适合的频率，振动模式分析被执行。振动模式分析可以区分弯曲模式最大值和环向模式最大值。具体地，弯曲模式最大值具有由至少两个振动测量设备测量的基本相同的幅度和相同的相位。相反，环向模式最大值可以具有基本相同的幅度，但由至少两个振动测量设备测量的相位明显不同。

18、在许多实验中，结果表明，使用环向模式最大值更适合于确定管道流体系统中的流体的至少一些物理参数，例如用于确定流体的压力、粘度和/或密度。为了确定这些种类的参数，弯曲模式最大值被丢弃，并且仅第一最大值集合中的第一环向模式最大值被使用。然后，第一环向模式最大值可以被用作分析的参考值。

19、应该注意的是，特别是针对其他种类的物理参数，例如为了确定流体的流量，弯曲模式最大值而不是环向模式最大值可以被使用。因此，在这些情况下，环向模式最大值被丢弃。

20、在这些“准备步骤”(可能很少被执行，在一些情况下只执行一次)之后，可能会进入“生产步骤”，这些步骤需要被进行以获得流体的至少一个物理参数，例如定期地。

21、为此，该区段的第二振动由激励装置诱发。然后，作为响应，第二最大值集合由至少两个振动测量设备获取，其中最大值中的每个最大值的第二频率在本征频率范围内。借助于振动模式分析，第二环向模式最大值从该第二最大值集合中选择。诱发、获取和选择可以以与捕获第一环向模式最大值类似的方式进行。

22、以第一环向模式最大值作为参考值并且以第二环向模式最大值作为管道流体系统的区段的当前状态的指示符，流体的至少一个物理参数可以从第一环向模式最大值与第二环向模式最大值之间的差导出。用于导出流体的物理参数和/或将频率的变化转换为流体物理性质的变化的方法是在例如于1955年10月14日在ramo-wooldrige公司导弹研究部的第am 5-8号报告的“y.c.fung:on the vibration of thin cylindrical shells(y.c.fung：关于薄圆柱形壳体的振动)”中描述的。

23、该方法显著改进了管道流体系统中的流体的至少一个物理参数的非侵入性测量。具体地，它改进了要被用于这种测量的振动频率的选择。因此，管道中的流体的物理性质的变化可以以低工作量和高精度测量。而且，除了物理参数之外，管道中的局部扰动也可以被测量，和/或警报可以基于可以被识别为对流体和/或管道至关重要的情况来输出。

24、在各种实施例中，物理参数是流体的压力、粘度和/或密度。这使得能够连续监测管道中的流体，而无需开启管道或在管道内安装传感器。

25、在各种实施例中，该方法包括以下替代步骤：

26、借助于振动模式分析，从第一最大值集合中选择第一弯曲模式最大值；以及

27、借助于振动模式分析，从第二最大值集合中选择第二弯曲模式最大值。

28、为了确定不同种类的物理参数，例如为了确定流体的流量，这些步骤可以代替相应的“选择”步骤(即，选择环向模式最大值)。

29、在各种实施例中，流体是液体、悬浮液和/或气体。因此，多种材料类型可以通过该方法来测量或监测。

30、在各种实施例中，沿着轴向平行于管道的一条管线和/或沿着径向圆周于管道的一条管线，至少两个振动测量设备被布置在管道的外表面处。结果表明，该布置对于测量管道流体系统的本征频率以及区分环向模式最大值和弯曲模式最大值都是特别有利的。

31、在各种实施例中，至少两个振动测量设备被配置用于振动模式分析，特别是用于将所获取的第一最大值或第二最大值(即，由振动测量设备测量的最大值)分类为弯曲模式最大值或环向模式最大值。

32、例如通过在管道圆周上使用三个传感器，进一步的组合可以提供进一步的测量精度，例如通过消除弯曲模式最大值，和/或通过区分均匀和不均匀的环向模式数量(“n数量”)。

33、在一些实施例中，振动模式分析通过比较振幅(特别是时域中的具体模式的幅度或相位)来实现。

34、在各种实施例中，管道包括金属或由金属组成。金属管道或相当广泛的管道及其行为对技术人员来说是众所周知的。另外，描述其性质的许多库是可用的，例如软件库、材料数据表或材料性质数据库。备选地，管道可以包括能够响应于单个刺激(例如通过锤子或线圈系统)而振动的另一材料或由其组成。

35、在一些实施例中，管道的直径在2cm至150cm之间，和/或壁厚在2mm至50mm之间。这些是管道最广泛的实施例。然而，本文描述的方法可以不被限于这些尺寸。

36、在一些实施例中，刚性限定器被设计为法兰或夹具。备选地，限定器可以是将管道固定在感兴趣区段的两端的任何实体。

37、在各种实施例中，激励装置被设计为锤子、螺线管驱动的线圈和/或又一激励装置。至少一些振动测量设备可能能够测量由其他装置激励的振动，例如通过用转向节敲击和/或使用任何材料的锤型工具。

38、在各种实施例中，振动测量设备是以下至少一项：加速度计、任何种类的麦克风、光学传感器和/或应变计。振动测量设备可以被固定在管道处，和/或从远处测量，例如通过激光设备。

39、一个方面涉及一种振动测量系统，它被配置用于确定管道流体系统中的流体的物理参数。振动测量系统包括：

40、激励装置，被配置用于诱发管道流体系统的区段中的振动；

41、至少两个振动测量设备，被配置用于从管道流体系统的区段获取幅频图中的第一最大值和第二最大值；以及

42、评估设备，被配置用于执行前述权利要求中任一项的方法的至少一些步骤以确定流体的物理参数。

43、一个方面涉及一种包括指令的计算机程序产品，当该程序由评估设备执行时，该指令使计算机执行上面和/或下面描述的方法。

44、一个方面涉及一种计算机可读存储介质，上述计算机程序或计算机程序产品被存储在该计算机可读存储介质上。

45、一个方面涉及上面和/或下面描述的振动测量系统的用途，用于确定管道流体系统中的流体的物理参数，特别是用于确定流体的压力、粘度和/或密度。

46、为了进一步阐明，本发明借助于附图所示的实施例进行描述。这些实施例仅被认为是示例，而不是限制。