专利名称：用于监测和/或测量分布的颗粒和/或液滴流的涡流测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中限定的涡流测量装置以及监测和/或测量在管线内流动且至少有时具有至少两相的介质的方法，至少两相中的第一相，尤其是气态第一相，具有第一密度，而第二相，尤其是颗粒或液滴形式的相，具有与第一密度不同的第二密度。该方法通过伸进流动介质内的阻流体和尤其放置在阻流体下游或阻流体内的涡流传感器来实施。
背景技术：
涡流测量装置常常应用于测量管线内流体、尤其是高温范围内的气流或蒸气流的流量。在这种涡流测量装置的情况下，阻流物设置在流路径内，使得流体可在阻流物两侧上流过。在该情况下，在阻流物两侧上形成漩涡。在宽的雷诺数范围内，在这种情况下，漩涡交替地形成在阻流物的任一侧上，从而产生漩涡的交错布置。漩涡的交错布置称为卡门涡街。在这种涡流测量装置中，利用的原理是在宽雷诺数范围内，形成这些漩涡的漩涡脱落频率与各流体的流速成比例。因而，可从记录的漩涡的涡流脱落频率(在下文中称为涡流频率)和用于各类型涡流测量装置的特征校准因子确定流速。通常，涡流测量装置在该情况下具有测量管，在其流路径中布置有阻流体作为阻流物。在该情况下，阻流体优选地完全沿直径方向延伸或在测量管的内部横截面的相当大部分上延伸，使得特定流体可流过阻流体的两侧。在该情况下，通常阻流体在两侧上具有至少两个脱落边缘，该至少两个脱落边缘在给定情况下也可以被倒圆。脱落边缘支持漩涡的脱落。可操作地，测量管应用在将测量其流体流量的管线内，从而流体流过测量管并至少部分地对抗阻流体。此外，涡流测量装置通常包括至少一个涡流传感器，该涡流传感器响应于由漩涡产生的压力波动。涡流传感器布置在两个脱落边缘的下游。在该情况下，涡流传感器可尤其是作为单独的部件布置在阻流体内或阻流体下游。由涡流传感器记录的压力波动被转换成电测量信号，其频率与流体的流速成正比。此外，如果流体的密度是确定或已知的，则可从速度和密度来计算流体的质量流量。所述类型的涡流测量装置首先应用于测量单相介质，尤其是流体(液体、气体)， 例如蒸汽流或液体流。但是，在特殊应用中，可能发生的是，在流体流中有第二或又一其它相。为了简化目的，在下文中讨论在管线内流动的两相或多相介质的第一相和第二相，其中第一相和第二相代表具有最大质量流量分量的两个主要的相。其它相可尤其包含在一个或两个相内，尤其作为固体颗粒。在这种情况下流动的两相或多相介质的第一相和第二相可以是相同材料的不同聚集状态，通常情况是例如在蒸汽中的水细流，或也可以是两种不同材料，诸如液体中夹带的沙等。优选的是，在每种情况下，第一相和第二相都是流体(液体、 气体)。在该情况下，液滴/颗粒流又可包括多于仅一种物质，尤其是两种不同材料。以下描述的其它改进中的每个改进，即使没有每次清楚地指出(通过“至少第二相”的陈述指出)，也属于该变型。本发明尤其适用于两相混合物，其中两相之间的密度差高，并且两相不混合或仅轻微混合，使得第二相以颗粒或液滴形式由第一相流夹带。已知，在涡流测量装置中，出现两相或多相导致从涡流频率确定的流速的误差。基本上，存在至少第二相可被携带在诸如气流的第一相流内的不同方式。至少第二相可尤其作为相对均勻分布在第一相内的颗粒和/或液滴被携带在第一相流中。此外， 第二相也可作为沿相关管线的管壁的壁流、尤其是细流流动。第二相以及还有第三相的这些类型的流能够取决于应用而平行(至少三相)或仅单独(至少两相)地发生。发生两种不同相的实例是在气体管线内发生液体聚集。该情况尤其在其中水能够形成为第二相的蒸气管线(蒸汽线路)的情况中相关。如上所述，在这种情况下的液体聚集可作为分布液滴流被携带在第一相(这里气体)内，但是，液体聚集也可交替地或补充地作为沿相关管线的管壁的壁流流动。除了前述流动形式，诸如沙或更大颗粒的固体可例如也在气体管线内的液体流或气体流内运输。在该情况下，尤其是当固体是细粒时夹带的固体(在给定情况下与第一相的一部分混合)作为沿各管线的管壁的壁流流动。替代地或补充地，夹带的固体可作为相对均勻地分布在管的横截面上的颗粒流而至少部分地在第一相流内携带。在该情况下，对于多种应用理想的是，可靠地并且基本上没有增加成本地检测第一相流内的第二相的发生，且在给定情况下，还确定第二相的分量，尤其是其质量流量。在长距离输送蒸汽的应用中尤其如此。在管线内供应热蒸汽用在尤其用于提供能量的工业设备中，其中为此需要对应于低分量液体水的高蒸汽质量。尤其在该情况下，通常要求蒸汽质量大于95%。在该情况下，蒸汽质量被给出为蒸汽分量的质量流量与由蒸汽和冷凝水组成的总质量流量的比率。在管线内传输的热蒸汽也适用于石油生产领域。本发明主要涉及提供可靠且近时地监测和测量在管线内流动的尤其是气态第一相的第一相流内的至少第二相的颗粒和/或液滴流的问题。US4，674，337描述了一种用于确定携带在预定流率的流体流内的颗粒的数量和质量的设备。在该情况下，该设备包括大致上平坦的撞击区域，该撞击区域布置在流体流中，使得预定分量的颗粒在各种情况下以大致相同的角度撞击该撞击区域，从而防止颗粒积聚在该撞击区域上。颗粒在撞击时产生声信号，该声信号与颗粒的动能成比例。此外， 该设备包括将声信号引出流之外的装置以及然后将声信号转换成电信号的装置。然后通过电子器件评估电信号，从而从其获得各个颗粒的总数量和质量的估计。在该情况下，用 US4, 674，337中描述的设备检测颗粒要求提供单独的设备，该设备必须插入或安装在相应管线内。这导致增加的成本和人工。

发明内容
本发明的目的是提供一种涡流测量装置以及可靠地且没有显著成本地监测在管线内流动的至少有时两相介质的方法；该介质具有尤其是气态第一相并具有第一密度的第一相，以及尤其是液态第二相并具有与第一密度不同的第二密度的第二相；其中第二相主要以颗粒/液滴流形式流动，优选地均勻分布在管的横截面上。该目的通过如权利要求1所限定的涡流测量装置以及权利要求15限定的方法来实现。本发明的其它有益改进由从属权利要求阐述。
根据本发明，提供一种涡流测量装置，用于至少有时监测和/或测量在管线内流动的两相或多相介质；其中该介质具有尤其为气态第一相且具有第一密度的第一相和尤其为液态第二相的作为颗粒和/或液滴分布在第一相内并具有第二密度的第二相。涡流测量装置包括可插入管线内的至少一个测量管、阻流体和响应于压力波动的涡流传感器；其中阻流体横向于流动方向延伸到测量管内，从而在阻流体两侧上形成流路径；且至少两个脱落边缘形成在阻流体(8)的两侧上，使得在使用期间卡门漩涡在两个脱落边缘上脱落。关于安装位置，涡流传感器布置在脱落边缘下游。根据本发明，涡流测量装置还包括声换能器，该声换能器一体形成在涡流测量装置的部件内，尤其是形成在阻流体内，该阻流体伸入测量管内的流路径内，或者声换能器声耦合到该部件，使得由第二相的颗粒和/或液滴撞击在该部件上产生的声信号由声换能器转换成电信号。基于这些考虑，本发明提供一种涡流测量装置，该涡流测量装置在使用时通过可使用由涡流传感器记录的卡门漩涡的涡流频率确定可流动的两相或多相介质中第一相的流速，同时还几乎实时(即在线)检测分布颗粒和/或液滴流形式的至少第二相的发生。在该情况下，不需要其它装置来检测呈分布颗粒和/或液滴流形式的第二相。因而，部件的数量和相关成本可保持较少。当伸入测量管内的流路径内的涡流测量装置的(现有)部件同时用作第一相内颗粒和/或液滴流的一部分的撞击区域时，实现了分布颗粒和/或液滴流的检测。因而，不要求用于提供适当撞击区域的单独的部件，从而可保持成本和结构较小。然后由第二相的颗粒和/或液滴撞击在部件上产生的声信号可由声换能器转换成电信号，使得这些信号通过涡流测量装置(尤其是通过涡流测量装置的相应形成的电子器件)可被电处理和利用。在这种情况下，可通过例如涡流测量装置的电子器件进行检测，使得当超出电信号的预定值限值或从其推导出的被测变量时，电子器件检测到第二相的颗粒和/或液滴流。在该情况下，本发明的涡流测量装置还使得声换能器能够整合到涡流传感器的传感器布置内，且相关电子器件整合到涡流测量装置的电子器件(已经存在)内，从而可进一步节省成本。此外，可设置成在由涡流测量装置检测到至少第二相的颗粒和/或液滴流和/或增加的颗粒和/或液滴流的情况下输出警告或错误报告。在该情况下，第一相和(至少)第二相可为相同材料的不同聚集状态，例如蒸汽内的水滴或它们也可以是两种不同材料，诸如液体或气体中夹带的固体颗粒(例如沙)。本发明的实施例涉及下述组合，其中第一相是气体，而第二相是液体，第二相至少部分地作为分布在流动气体中的液滴而被携带。本发明尤其涉及下述组合，其中第二相是水(至少部分分布为水滴而被携带)且第一相是蒸汽。在该情况下，颗粒和/或液滴可由一种以上介质形成，尤其是由至少两种不同材料的颗粒形成。以下描述的其它改进中的每个改进，即使没有每次清楚地指出(通过“至少第二介质或第二相”的陈述指出)，也属于该变型。在该情况下“分布的颗粒和/或液滴流”通常是指这样的流，其中至少第二介质或第二相(至少部分)作为颗粒和/或液滴分布在第一相中并由第一相携带。除了本文明确提到的具体特征之外，涡流测量装置可基本上如本领域公知的那样以不同方式构成。特别地，涡流测量装置的基本构造可对应于引言中所解释的涡流测量装置。关于涡流传感器的布置和构造，不同的变型都是可能的，例如阻流体的一体部分或单独部分作为叶片布置在阻流体的下游。
术语“声换能器”是指换能器或传感器，其记录进来的声信号并将信号转换成与相应声信号对应的电信号。作为变型，例如声换能器可实施为在第二相的颗粒和/或液滴撞击部件的位置直接整合在部件内，且声换能器可直接记录产生的声信号。此外，声换能器可替代地形成在远离撞击位置的位置，或者整合在该部件内或与该部件分开。在后一种情况下，必须声联接至该部件，使得在颗粒或液滴撞击部件的位置处的各声信号(声波)可传播到声换能器。尤其是，声换能器也可布置在测量管的外部。在另一有利改进中，涡流测量装置的部件，尤其是阻流体包括大致垂直于流动方向定向的撞击区域。该撞击区域面向在涡流测量装置的安装位置内的流。这样，颗粒和/ 或液滴流直接流入撞击区域内，且可简单确定撞击区域的大小与测量管的内部横截面的总面积的比率。此外，颗粒和/或液滴基本上以统一的角度撞击撞击区域。这些性质不仅对于颗粒和/或液滴流形式的第二相的可靠检测是有利的。而且还便于计算以定量估算测量管的总内部横截面上的颗粒和/或液滴流。优选地，在声记录颗粒和/或液滴流的撞击的情况下，该部件由涡流测量装置的阻流体形成。但是，替代地，为此目的可应用另一部件，另一部件例如形成为与阻流体分开的涡流传感器的叶片。阻流体具有这样的优点通常，阻流体是三角形(或Δ形)横截面， 且阻流体的面积垂直于流动方向取向并面向流。在该情况下，该面向面积形成用于来流颗粒和/或液滴的具有限定尺寸的撞击区域。因而，可简单地确定其与测量管的内部横截面的比率，从而定量确定颗粒和/或液滴流。两个另外的表面沿流方向彼此接合，使得阻流体的宽度沿流动方向呈锥形。形成到撞击区域的两侧上的各侧表面的过渡的两个脱落边缘也可以是倒圆的。除了已经提到的具有三角形横截面的阻流体形状，也存在替代形式的阻流体，其同样非常适于用作声记录颗粒和/或液滴流的撞击的部件。应用阻流体的另一优点是在阻流体前方的区域通过在阻流体处交替的涡流脱落影响来流。这导致不精确垂直地撞击阻流体的撞击区域。相反地，以交替侧(对应于涡流脱落的频率)上的轻微倾斜进行撞击。这样，有效地防止颗粒和/或液滴沉积在阻流体的撞击区域上。基本上，可以不同方式通过声换能器将声信号转换成电信号。在有利的另一改进中，声换能器形成为压电或电容换能器。在有利的另一改进中，声换能器布置在测量管外部，并声联接到涡流测量装置的部件，尤其是阻流体。这样，声换能器与过程温度和过程压力大大去耦合，从而其运行不受到这些变量或仅很少地受到这些变量的影响。在有利的另一改进中，涡流测量装置的电子器件形成为由声换能器提供的电信号通过电子器件基于预定标准来进行评估。当通过电信号的特征性质(例如在超过预定信号电平的情况下)检测颗粒和/或液滴流时，可尤其用预定标准来确定。在该情况下，电子器件可整合在已经设置用于评估涡流传感器的测量信号的涡流测量装置的电子器件(已经存在)中。“电子器件”这里指处理信号，尤其是电信号的模拟电子电路，以及数字处理电信号的数字电路或处理器。这两种形式也尤其可组合地使用。在有利的另一改进中，涡流测量装置的电子器件形成为由声换能器提供的电信号通过电子器件滤波至待评估的带宽。这样，可防止由于频率在相关频率范围之外的扰动信号导致的误差。同时，可进行其它信号处理，例如滤波之前或之后的电信号的放大。在有利的另一改进中，涡流测量装置的电子器件形成为电子器件通过谱信号处理和/或从由声换能器提供的电信号的统计评估来确定被测变量。然后使用预定标准来评估被测变量。例如，对于这种被测变量，可以将限值确定为在超过该限值的情况下，将关于存在颗粒和/或液滴流的警告报告和/或相应报告(通过例如显示器)输出给用户。此外， 基于这种被测变量，如下文参照另一些改进所解释的，可进行其它计算，从而能够产生关于颗粒和/或液滴流形式的第二相的定量信息。在有利的另一改进中，涡流测量装置的电子器件形成为电子器件从由声换能器提供的在给定情况下被滤波的随时间记录的电信号的值产生RMS值(RMS 均方根；二次平均值)，并评估这些值作为被测变量。已经实验地发现RMS值非常适于用作进一步评估的被测变量。例如，如果考虑在N 个不同时间ti (i = 1至N)记录的电信号S (ti)(这里被滤波)的N个值来计算RMS值S， 则可使用以下等式获得RMS值
权利要求
1.一种涡流测量装置，用于监测和/或测量在管线内流动的至少有时两相或多相的介质；其中该介质具有第一密度的第一相，尤其为气态第一相，和具有第二密度并作为颗粒和 /或液滴分布在第一相内的第二相，尤其为液态第二相；其中所述涡流测量装置至少包括能够插入管线内的测量管G)、阻流体(8)以及用于响应压力波动的涡流传感器04)；其中所述阻流体(8)横向于流方向(6)延伸到所述测量管内，使得在所述阻流体 (8)的两侧上形成流路径；且至少两个脱落边缘(14、16)形成在所述阻流体(8)的两侧上使得在使用期间卡门漩涡在这些脱落边缘上脱落；并且其中所述涡流传感器04)的安装位置在所述脱落边缘(14、16)的下游；其特征在于，声换能器(20)，所述声换能器OO) —体地形成在伸入所述测量管(4)内的流路径的部件(8)内，尤其是阻流体(8)内，或声联接到该部件(8)，使得通过第二相的颗粒和/或液滴在所述部件(8)上的撞击而产生的声信号能够由所述声换能器OO)转换成电信号。
2.如权利要求1所述的涡流测量装置，其特征在于，所述涡流测量装置的所述部件 (8)，尤其是所述阻流体(8)，具有在所述涡流测量装置的安装位置的基本垂直于所述流方向(6)并面向流的撞击区域(10)。
3.如权利要求1或2所述的涡流测量装置，其特征在于，所述声换能器OO)由压电或电容换能器形成。
4.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，所述声换能器OO)布置在所述测量管(4)外部并声联接到所述涡流测量装置的所述部件(8)，尤其是所述阻流体 ⑶。
5.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流测量装置的电子器件，使得由所述声换能器OO)提供的电信号通过所述电子器件根据预定标准来评估。
6.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流测量装置的电子器件，使得由所述声换能器OO)提供的电信号通过所述电子器件滤波至待评估的带宽。
7.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流测量装置的电子器件，使得使用由所述声换能器OO)提供的电信号的频谱信号处理和/或统计评估来确定被测变量，并基于预定标准评估所述被测变量。
8.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流测量装置的电子器件，使得所述电子器件根据所述声换能器所提供的对时间记录的滤波电信号的值产生RMS值(RMS 均方根；二次平均值)；且所述电子器件评估该RMS值作为被测变量。
9.如权利要求7或8所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流测量装置的所述电子器件，使得所述电子器件根据使用由校准确定的传递因子的被测变量和颗粒和/或液滴流的速度确定各个颗粒和/或液滴的数量和质量或颗粒和/或液滴流的质量流量；所述传递因子使各个颗粒和/或液滴的动能或所述颗粒和/或液滴流的动能与所述被测变量相互关联。
10.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流传感器(24)使得在使用期间记录压力波动并把所述压力波动转换成电测量信号；其中形成所述涡流测量装置的电子器件使得所述电子器件根据所记录的压力波动确定涡流频率并基于所述涡流频率确定所述多相介质的第一相的流速。
11.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，相对于所述流方向(6) 在所述涡流测量装置的所述部件(8)的前方布置用于使所述第二相的颗粒和/或液滴流均勻化的至少一个隔膜，尤其是筛形、穿孔或网格形隔膜；且所述声换能器00) —体地形成在所述部件(8)内或声联接到所述部件(8)。
12.如前述权利要求中一项所述的涡流测量装置，其特征在于，所述涡流传感器04)具有敏感部分(沈)，所述敏感部分06)响应压力波动并布置为至少部分地与所述测量管的管壁邻接，用于检测在管线内流动的多相介质的沿管壁流动的壁流形式的第二相或第三相，尤其是细流形式的第二相或第三相，其中所述流动介质的第一相——尤其是气态第一相——具有比所述第二相或第三相低的密度；所述涡流测量装置被形成使得在使用期间由所述敏感部分06)记录的压力波动被转换成电测量信号；以及形成在使用期间用来处理电测量信号的涡流测量装置的电子器件，使得在记录表征沿所述测量管的管壁流动的多相介质的第二或第三相的壁流与所述涡流传感器04)的所述敏感部分06)相互作用的测量信号时，推断所述测量管内的第二或第三相的壁流的存在。
13.如权利要求12所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流测量装置的所述电子器件，使得其中与所述第一相的纯单相流相比由所述涡流传感器04)记录的优选窄带滤波测量信号的幅值随时间的波动增加的测量信号表征了沿所述测量管的管壁流动的第二相或第三相的壁流与所述涡流传感器04)的所述敏感部分06)的相互作用。
14.如权利要求12或13所述的涡流测量装置，其特征在于，形成所述涡流测量装置的所述电子器件，使得所述电子器件根据测量信号可确定作为所述涡流传感器04)所记录的优选窄带滤波测量信号的幅值的波动的度量的统计变量；以及参照其中多相介质的预定第二相或第三相的壁流的已知质量流量、从所述测量信号对于所述多相介质的第一相的不同流速确定的涡流频率、以及所述统计变量的相关确定值在校准情况中设置为彼此相关的相互关系；所述电子器件根据所述涡流测量装置从所述测量信号确定的涡流频率和从所述测量信号确定的统计变量可确定所述预定第二相或第三相的质量流量。
15.一种通过涡流测量装置( 监测和/或测量在管线内流动的至少有时两相或多相的介质的方法；其中该介质具有第一密度的第一相，尤其为气态第一相，和具有不同于第一密度的第二密度的第二相，尤其为颗粒或液滴的有形状的第二相；其中所述涡流测量装置(2)至少包括可插入管线内的测量管G)、阻流体(8)以及响应于压力波动的涡流传感器04)；其中所述阻流体(8)横向于流方向(6)延伸到所述测量管内，使得在所述阻流体 (8)的两侧上形成流路径；且至少两个脱落边缘(14、16)形成在所述阻流体(8)的两侧上使得卡门漩涡在所述脱落边缘(14、16)上脱落；以及其中所述涡流传感器04)布置在所述脱落边缘(14、16)的下游，其特征在于以下步骤A)通过声换能器00)记录声信号，所述声信号通过所述第二相的颗粒和/或液滴撞击在所述涡流测量装置O)的部件(8)上——尤其是所述阻流体(8)上——而产生，所述部件⑶伸入所述测量管⑷的流路径内；以及B)通过所述声换能器OO)把所述声换能器OO)记录的声信号转换成电信号。
全文摘要
本发明涉及一种用于监测和/或测量在管线内流动的至少有时两相介质的涡流测量装置(2)，该介质包括具有第一密度的第一相，尤其是气态第一相，以及具有不同于第一密度的第二密度的第二相，尤其是颗粒或液滴的有形状的第二相，其中涡流测量装置(2)包括可插入管线内的至少一个测量管(4)、阻流体(8)以及响应于压力波动的涡流传感器(24)。涡流测量装置(2)还包括声换能器(20)，该声换能器(20)一体地形成在伸入测量管(4)的流路径内的部件(8)内，尤其是阻流体(8)内，或声联接到所述部件(8)使得通过第二相的颗粒和/或液滴在部件(8)上的撞击而产生的声信号可由声换能器(20)转换成电信号。
文档编号G01F1/32GK102348959SQ201080011697
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月9日 优先权日2009年3月12日
发明者克里斯托弗·戈斯魏勒, 德克·聚特林, 皮特·利马谢, 赖纳·霍克 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司