Вибрационный расходомер для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида

Вибрационный расходомер для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к вибрационному расходомеру и более конкретно к вибрационному расходомеру для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида.

Предшествующий уровень техники

Вибрационные расходомеры, такие как массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры, обычно действуют посредством регистрации движения вибрирующей трубки, которая содержит протекающий или непротекающий флюид. Характеристики, связанные с материалом в трубке, такие как массовый расход, плотность и т.п., могут быть определены в результате обработки измерительных сигналов, принимаемых от преобразователей перемещения, связанных с трубкой. Колебательные моды заполненной материалом вибрирующей системы обычно зависят от суммарной массы, жесткости и параметров демпфирования заполненной трубки и содержащегося в ней материала.

Типичный вибрационный расходомер включает в себя одну или несколько трубок, которые соединяются в линейную магистраль или другую транспортную систему, и транспортируют в системе материал, например флюиды, шламы и т.п. Трубку можно рассматривать как систему, имеющую ряд собственных колебательных мод, включая, например, простые изгибные, крутильные, радиальные и связанные моды. Обычно для измерений трубка возбуждается на одной или нескольких колебательных модах, когда материал течет через трубку, и движение трубки регистрируется в точках, разнесенных вдоль трубки. Возбуждение обычно обеспечивается приводом, например, электромеханическим устройством, таким как индукционный привод, работающий на звуковых частотах, который периодически возмущает трубку. Плотность флюида может быть получена определением резонансной частоты потока флюида. Массовый расход может быть определен по измерению временной задержки или по разности фаз между перемещениями в местоположениях датчиков. Два таких датчика (или измерительных датчиков) обычно используются для измерения колебательного отклика трубки или трубок и обычно располагаются в положениях сверху и снизу по течению относительно привода. Два измерительного датчика соединяются с электронным измерительным устройством с помощью кабеля, например, с помощью двух независимых пар проводов. Измерительное устройство принимает сигналы от двух измерительных датчиков и обрабатывает сигналы, чтобы получить измерение массового расхода.

Расходомеры используются для измерения массового расхода и/или измерения плотности при большом разнообразии протекающих флюидов и обеспечивают высокую точность для однофазных потоков. Одно из применений вибрационных расходомеров заключается в измерении выхода нефти и газа из скважины. Продукт таких скважин может содержать многофазный поток, включающий в себя жидкости, но также включающий в себя и газы и/или твердые вещества, которые могут быть вовлечены в поток флюида. Поток флюида из месторождения нефти может поэтому включать в себя нефть, воду, воздух или другие газы и/или песок или другие грунтовые частицы, например. Однако, когда используется вибрационный расходомер для измерения потока флюида, включающего в себя вовлеченные газы и/или твердые вещества, точность измерителя может быть значительно ухудшена. Весьма желательно, чтобы окончательное измерение было настолько точным, насколько это возможно, даже для таких многофазных потоков.

Многофазные протекающие флюиды могут включать в себя вовлеченные газы, особенно потоки газовых пузырей. Многофазные потоки могут включать в себя вовлеченные твердые вещества или вовлеченные твердые частицы, смеси, например, бетон и т.д. Кроме того, многофазные потоки могут включать в себя жидкости различных плотностей, например водные и нефтяные компоненты. Фазы могут иметь различные плотности, вязкости или другие свойства.

В многофазном потоке вибрация трубки необязательно перемещает вовлеченные газы/твердые вещества полностью в фазе с протекающим флюидом. Эта вибрационная аномалия обозначается как разделение или отставание. Газовые пузыри, например, могут отделиться от протекающего флюида, влияя на колебательный отклик и любые, получаемые впоследствии, параметры потока. Маленькие пузыри обычно перемещаются с протекающим флюидом, когда расходомер вибрирует. Однако большие пузыри не перемещаются с протекающим флюидом во время вибрации трубки. Вместо этого пузыри могут отделиться от протекающего флюида и могут перемещаться независимо, с вовлеченными газовыми пузырями, перемещающимися дальше и быстрее, чем с протекающим флюидом при каждом вибрационном смещении. Это неблагоприятно влияет на колебательный отклик расходомера. Сказанное справедливо также для твердых частиц, вовлеченных в протекающий флюид, в котором твердые вещества с большой вероятностью отделяются от движения протекающего флюида при увеличении размеров частиц или вибрационных частот. Разделение может произойти даже тогда, когда многофазный поток включает в себя жидкости различающихся плотностей и/или вязкостей. Установлено, что влияние разделения зависит от различных факторов, таких как вязкость протекающего флюида и различие в плотности протекающего флюида и инородного материала, например.

В дополнение к проблемам, вызванным относительным движением пузырей и частиц, измерители Кориолиса могут иметь ухудшение точности из-за эффектов, связанных со скоростью звука (SOS) или сжимаемостью, когда скорость звука измеряемого флюида низка или частота колебания измерителя высока. Жидкости имеют более высокие скорости звука, чем газы, но наиболее низкие значения скорости звука получаются для их смеси. Даже малое количество газа, вовлеченного в жидкость, приводит к значительному снижению скорости звука смеси; ниже таковой для любой из фаз.

Колебание расходомерной трубки производит звуковые волны, которые распространяются в поперечном направлении на частоте привода измерителя. Когда скорость звука для флюида высока, как в однофазном флюиде, первая акустическая мода для поперечных звуковых волн поперек круглого трубки соответствует намного более высокой частоте, чем частота привода. Однако, когда скорость звука падает из-за добавления газа к жидкости, частота акустической моды также падает. Когда частоты акустической моды и приводной моды близки, возникают ошибки измерителя из-за нерезонансного возбуждения акустической моды приводной модой.

Для низкочастотных измерителей и типичных используемых давлений, эффекты скорости звука присутствуют в многофазных потоках, но обычно они незначительны при заданной точности измерителя. Однако для высокочастотных измерителей Кориолиса, работающих при низких давлениях с флюидами с пузырями, скорость звука может быть достаточно низкой, чтобы вызвать существенные ошибки измерения из-за взаимодействия между приводной модой и колебательными модами флюида.

Размер пузырей может варьироваться в зависимости от количества присутствующего газа, давления протекающего флюида, температуры и степени смешивания газа с протекающим флюидом. Уровень снижения рабочих параметров определяется не только тем, как много газа имеется в целом, но также и с размером отдельных газовых пузырей в потоке. Размер пузырей влияет на точность измерения. Большие пузыри занимают больший объем и, увеличиваясь, отделяются, приводя к флуктуациям плотности и измеряемой плотности протекающего флюида. Из-за сжимаемости газа пузыри могут изменять содержание газа или массу, необязательно изменяясь в размере. Наоборот, если давление изменяется, размер пузыря может соответственно измениться, расширяясь, когда давление падает, или сокращаясь, когда давление увеличивается. Это может также вызвать вариации собственной или резонансной частоты расходомера.

Вибрационные расходомеры предшествующего уровня техники обычно конструировались для рабочих частот приблизительно 100-300 герц (Гц), и некоторые измерители работали на частотах 500-1000 Гц. Рабочая частота вибрационного расходомера в технике предшествующего уровня обычно выбирается так, чтобы облегчить конструкцию расходомера, его изготовление и его работу. Например, вибрационный или Кориолисов расходомер в технике предшествующего уровня конфигурируется так, чтобы быть физически компактным и по существу однородным по размерам. Например, высота расходомера в технике предшествующего уровня обычно меньше, чем длина, давая низкое характеристическое отношение высоты к длине (H/L) и соответствующую высокую приводную частоту. Пользователи расходомера предпочитают малый общий размер, чтобы упростить его установку. Кроме того, конструкция расходомера обычно предполагает однородный поток однофазного флюида и предназначена для оптимальной работы с таким однородным протекающим флюидом.

В технике предшествующего уровня расходомеры обычно имеют низкое характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Расходомер с прямой трубкой имеет нулевое характеристическое отношение высоты к длине, что обычно приводит к высокой частоте привода. Часто используются изогнутые трубки, чтобы избежать преобладания значения длины и увеличить характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Однако расходомеры техники предшествующего уровня с большими характеристическими отношениями не разработаны. Искривленный или изогнутый трубопроводный расходомер в технике предшествующего уровня может иметь характеристическое отношение высоты к длине, приближающееся к 1,3, например.

Сущность изобретения

В данной области техники сохраняется потребность иметь вибрационный расходомер, который пригоден для точного и надежного измерения расхода многофазных флюидов.

В одном аспекте изобретения предложен вибрационный расходомер для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида, содержащий:

сборку расходомера, включающую в себя один или несколько трубок со сборкой расходомера, сконфигурированной для создания колебательного отклика с очень низкой частотой, которая ниже заданной минимальной частоты разделения для протекающего флюида и для создания колебательного отклика с очень высокой частотой, которая выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала; и

электронное измерительное устройство, соединенное со сборкой расходомера и сконфигурированное, чтобы принимать один или несколько колебательных откликов с очень низкой частотой и один или более колебательных откликов с очень высокой частотой и определять один или более параметров протекающего флюида из одного или более колебательных откликов с очень низкой частотой и одного или более колебательных откликов с очень высокой частотой.

Предпочтительно электронное измерительное устройство сконфигурировано так, что разделительное отношение (A_p/A_f) составляет приблизительно 1:1 для очень низкой частоты и сконфигурировано так, что разделительное отношение (A_p/A_f) составляет приблизительно 3:1 для вовлеченного газа на очень высокой частоте, и приблизительно равно 3/(1+(2 · ρ_p/ρ_f)) для вовлеченных твердых веществ на очень высокой частоте.

Предпочтительно электронное измерительное устройство сконфигурировано так, что вязкость эффективно бесконечна относительно движения частиц для протекающего флюида на очень низкой частоте, и сконфигурировано так, что вязкость эффективно нулевая относительно движения частиц для протекающего флюида на очень высокой частоте.

Предпочтительно очень низкая частота находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.

Предпочтительно колебательный отклик с очень низкой частотой соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое больше чем приблизительно 3,5, и колебательный отклик с очень высокой частотой соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое меньше чем приблизительно 0,1.

Предпочтительно один или несколько трубок конфигурируются так, чтобы достигнуть очень низкой частоты и очень высокой частоты посредством конфигурации одного или нескольких из следующих параметров: жесткости трубки, длины трубки, характеристического отношения трубки, материала трубки, толщины трубки, формы трубки, геометрии трубки или одного или нескольких положений колебательных узлов.

Предпочтительно вибрационный расходомер сконфигурирован так, чтобы работать на частотах первой изгибной моды и изгибных мод более высокого порядка.

Предпочтительно вибрационный расходомер работает на множестве частот, чтобы произвести множество колебательных откликов, причем множество колебательных откликов сравнивается, чтобы определить приблизительное начало многофазных эффектов.

Предпочтительно сборка расходомера представляет собой две или более сборки расходомера, которые колеблются, чтобы произвести отклик с очень низкой частотой и отклик с очень высокой частотой.

В одном аспекте изобретения предложен способ определения одного или нескольких параметров протекающего многофазного флюида, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают колебание сборки вибрационного расходомера на одной или нескольких очень низких частотах, которые ниже заданной минимальной частоты разделения для протекающего флюида, и обеспечивают колебание сборки расходомера на одной или более очень высоких частотах, которые выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;

принимают один или более колебательных откликов с очень низкой частотой и один или более колебательных откликов с очень высокой частотой и

определяют один или более параметров протекающего флюида из одного или более колебательных откликов с очень низкой частотой и одного или более колебательных откликов с очень высокой частотой.

Предпочтительно одна или несколько очень низких частот приводят к разделительному отношению (A_p/A_f) приблизительно 1:1 и одна или несколько очень высоких частот приводят к разделительному отношению (A_p/A_f) приблизительно 3:1 для вовлеченного газа и приблизительно равному 3/(1+(2·ρ_p/ρ_f)) для вовлеченных твердых веществ.

Предпочтительно одна или несколько очень низких частот приводят к вязкости, которая эффективно бесконечна относительно движения частиц для протекающего флюида и одна или несколько очень высоких частот приводят к вязкости, которая эффективно нулевая.

Предпочтительно одна или несколько очень низких частот находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.

Предпочтительно один или несколько колебательных откликов с очень низкой частотой соответствуют обратному Стоксову числу (δ), которое больше чем приблизительно 3,5, и один или несколько колебательных откликов с очень высокой частотой соответствуют обратному Стоксову числу (δ), которое меньше чем приблизительно 0,1.

Предпочтительно вибрационный расходомер сконфигурирован так, чтобы работать на частотах первой изгибной моды и изгибных мод более высокого порядка.

Предпочтительно вибрационный расходомер работает на множестве частот, чтобы получить множество колебательных откликов, причем множество колебательных откликов сравнивают, чтобы определить приблизительное начало многофазных эффектов.

Предпочтительно колебание сборки вибрационного расходомера на одной или более очень низких частотах и на одной или более очень высоких частотах содержит колебание двух или более сборок вибрационного расходомера.

В одном аспекте изобретения предложен способ формирования вибрационного расходомера для определения одного или более параметров многофазного протекающего флюида, содержащий:

определение, по меньшей мере, одной заданной очень низкой частоты и, по меньшей мере, одной заданной очень высокой частоты для вибрационного расходомера, исходя из, по меньшей мере, ожидаемого протекающего флюида, по меньшей мере, с одной заданной очень низкой частотой, находящейся ниже заданной минимальной частоты разделения, и, по меньшей мере, с одной заданной очень высокой частотой, находящейся выше заданной максимальной частоты разделения для протекающего флюида, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;

выбор одного или нескольких параметров конструкции трубки, исходя из, по меньшей мере, одной заданной очень низкой частоты и, по меньшей мере, одной заданной очень высокой частоты, с одним или несколькими параметрами конструкции трубки, выбираемыми, чтобы по существу достигнуть, по меньшей мере, одной заданной очень низкой частоты и, по меньшей мере, одной заданной очень высокой частоты; и

конструирование вибрационного расходомера, использующего выбранные один или несколько параметров конструкции трубки.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота приводит к разделительному отношению (A_p/A_f) приблизительно 1:1, и, по меньшей мере, одна заданная очень высокая частота приводит к разделительному отношению (A_p/A_f) приблизительно 3:1 для вовлеченного газа и приблизительно равному 3/(1+(2·ρ_p/ρ_f)) для вовлеченных твердых веществ.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота приводит к вязкости, которая эффективно бесконечна относительно движения частиц для протекающего флюида и, по меньшей мере, одна заданная очень высокая частота приводит к вязкости, которая эффективно нулевая.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости, независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна заданная очень низкая частота соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое больше чем приблизительно 3,5, и, по меньшей мере, одна заданная очень высокая частота соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое меньше чем приблизительно 0,1.

Предпочтительно вибрационный расходомер сконфигурирован так, чтобы работать на частотах первой изгибной моды и изгибных мод более высокого порядка.

Предпочтительно вибрационный расходомер работает на множестве частот, чтобы получить множество колебательных откликов, причем множество колебательных откликов сравнивают, чтобы определить приблизительное начало многофазных эффектов.

Предпочтительно колебание сборки вибрационного расходомера на одной или нескольких очень низких частотах и на одной или нескольких очень высоких частотах представляет собой колебание двух или нескольких сборок вибрационного расходомера.

Краткое описание чертежей

Одинаковые цифровые обозначения используются для одних и тех же элементов на всех чертежах. Следует иметь ввиду, что чертежи необязательно выполнены в масштабе.

На чертежах:

Фиг.1 изображает вибрационный расходомер в соответствии с изобретением;

Фиг.2 - вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения;

Фиг.3 - диаграмму зависимости эффекта разделения от частоты для очень низких рабочих частот до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме;

Фиг.4 - соответствующую диаграмму зависимости фазового угла (φ) разделения от частоты для очень низких рабочих частот до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме;

Фиг.5 - диаграмму зависимости разделительного отношения от отношения плотностей для вибрационного расходомера с очень низкой частотой или с очень высокой частотой расходомера в соответствии с изобретением;

Фиг.6 - участок вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением;

Фиг.7 - простая схема без связей, которая иллюстрирует источник ошибок в многофазном потоке в вибрационных расходомерах;

Фиг.8 - движение относительно легкой частицы радиуса а внутри трубы вибрационного расходомера, заполненного более плотным протекающим флюидом;

Фиг.9 - полное относительное движение частиц и флюида на отдельной четверти колебания трубки, включая изменение в местоположении центра гравитационного притяжения (CG);

Фиг.10 - местоположения CG частиц и жидких компонентов;

Фиг.11 - диаграмму зависимости ошибки плотности при разделении от плотности частиц;

Фиг.12 - трехмерную диаграмму зависимости ошибки плотности для данной вязкости флюида от размера частиц;

Фиг.13 - трехмерную диаграмму зависимости ошибки плотности для данной вязкости флюида от плотности частиц;

Фиг.14 - трехмерную диаграмму зависимости ошибки плотности для данной амплитуды колебаний трубки от частоты колебаний;

Фиг.15 - диаграмму, которая показывает результаты моделирования полной ошибки плотности от моды с очень низкой частотой, моды средней частоты и моды с очень высокой частотой расходомера Кориолиса;

Фиг.16 - вибрационный расходомер с очень высокой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения;

Фиг.17 - блок-схему последовательности операций для определения одного или нескольких параметров многофазного протекающего флюида в соответствии с изобретением.

Подробное описание изобретения

Прилагаемые Фиг.1-17 и нижеследующее описание раскрывают конкретные примеры для специалистов в данной области техники, поясняя как реализовать и использовать наилучший вариант изобретения. С целью объяснения принципов изобретения, некоторые обычные объекты упрощены или опущены. Специалистам в данной области техники должны быть очевидны возможные вариации этих примеров, которые находятся в пределах объема притязаний изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что описанные ниже признаки могут быть объединены различным образом, формируя множественные вариации изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, но ограничивается только в соответствии с формулами и их эквивалентами.

На Фиг.1 показан вибрационный расходомер 5 в соответствии с изобретением. Вибрационный расходомер 5 предназначен для измерения параметров флюида для протекающего флюида, включая измерения и в динамическом, и в стационарном режимах. Вибрационный расходомер 5 в одном варианте реализации содержит расходомер Кориолиса. В другом варианте реализации вибрационный расходомер 5 содержит вибрационный денситометр.

Вибрационный расходомер 5 включает в себя сборку 10 расходомера и электронное измерительное устройство 20. Электронное измерительное устройство 20 соединено со сборкой 10 измерительного устройства посредством кабелей 100 и сконфигурировано так, чтобы обеспечить измерения одного или нескольких из следующих параметров - плотности, массового расхода, объемного расхода, общего массового расхода, температуры и другой информации по каналу 26 связи. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть использовано для любого типа вибрационного расходомера, независимо от числа приводов, измерительных датчиков, трубок, или типа используемой колебательной моды. Следует отметить, что расходомер 5 может представлять собой вибрационный денситометр и/или массовый расходомер Кориолиса.

Сборка 10 расходомера включает в себя пару фланцев 101 и 101', манифольды 102 и 102', привод 104, измерительные датчики 105 и 105' и трубки 103A и 103B. Привод 104 и измерительные датчики 105 и 105' присоединены к трубкам 103A и 103B.

В одном варианте реализации трубки 103A и 103B содержат по существу U-образные трубки, как это показано. Альтернативно в других вариантах реализации трубки могут содержать по существу прямые трубки. Однако другие формы также могут использоваться и они имеются ввиду в рамках описания и приложенных формул.

Фланцы 101 и 101' прикреплены к манифольдам 102 и 102'. Манифольды 102 и 102' могут быть прикреплены к противоположным концам разделителя 106. Разделитель 106 поддерживает интервал между манифольдами 102 и 102', чтобы предотвратить нежелательные колебания в трубках 103A и 103B. Когда сборка 10 расходомера вставляется в трубопроводную систему (не показана), которая переносит измеряемый протекающий флюид, протекающий флюид входит в сборку 10 расходомера через фланец 101, проходит через входной манифольд 102, где весь протекающий флюид направляется на вход трубок 103A и 103B, протекает через трубки 103A и 103B и назад, в выходной манифольд 102', где он выходит из измерительной сборки 10 через фланец 101'.

Трубки 103A и 103B выбираются и соответственно монтируются на входном манифольде 102 и на выходном манифольде 102' так, чтобы иметь по существу одинаковое массовое распределение, моменты инерции и упругие модули вокруг изгибных осей W--W и W'--W', соответственно. Трубки 103A и 103B вытянуты наружу от манифольдов 102 и 102' по существу параллельным образом.

Трубки 103A и 103B возбуждаются приводом 104 в противоположных направлениях вокруг соответственных изгибных осей W и W', на которых проявляется первая несинфазная изгибная мода расходомера 5. Однако трубки 103A и 103B могут альтернативно колебаться на второй несинфазной изгибной моде или моде более высокого порядка, если это желательно. Это может быть сделано для проведения калибровки или тестирования, для установления вязкости флюида или для получения значений измерения на различных частотах колебаний. Привод 104 может содержать одно из многих известных устройств, например магнит, установленный на трубке 103A, и противостоящая катушка, установленная на трубке 103B. Через противостоящую катушку проходит переменный ток, заставляя обе трубки колебаться. Соответствующий возбуждающий сигнал подается электронным измерительным устройством 20 на привод 104 через соединительный кабель 110.

Электронное измерительное устройство 20 принимает сигналы датчика по соединительным кабелям 111 и 111', соответственно. Электронное измерительное устройство 20 производит возбуждающий сигнал на соединительном кабеле 110, который посредством привода 104 заставляет колебаться трубки 103A и 103B. Электронное измерительное устройство 20 обрабатывает сигналы левой и правой скорости от измерительных датчиков 105 и 105', чтобы рассчитать массовый расход. Канал связи 26 предоставляет входное и выходное средство, которое позволяет соединять электронное измерительное устройство 20 с оператором или с другими электронными системами. Описание Фиг.1 предоставляется исключительно как пример работы вибрационного расходомера и не является ограничением принципов настоящего изобретения.

При работе в качестве денситометра расходомер 5 может измерить плотность однофазного или многофазного потоков. Измерение плотности многофазного потока проблематично, поскольку на измерение плотности могут влиять компоненты многофазного потока, если они включают в себя вовлеченный газ или вовлеченные твердые вещества. Расходомер 5 измерит плотность смеси, но обычно желательно, чтобы измерение плотности было измерением плотности именно жидкой компоненты(-ов), поскольку любой вовлеченный газ или твердые вещества обычно содержат нежелательные компоненты. Не только пузыри или твердые вещества вызывают изменение в истинной плотности смеси, но разделение и другие эффекты многофазности приводят к дополнительной ошибке измерения плотности смеси.

Плотность в вибрационном расходомере измеряется определением резонансной (то есть собственной) частоты колебаний трубки. Чем больше плотность протекающего флюида, тем больше масса сборки 10 расходомера и ниже собственная частота сборки 10 расходомера в целом. Измерение плотности расходомера 5 не зависит от расхода и может быть выполнено с протекающим или непротекающим флюидом.

Расходомер 5 может измерять плотность, когда имеются два или несколько компонентов и может измерить плотность смеси (ρ_mixture) для протекающего многофазного флюида. Если предполагается, что нет ошибок вследствие разделения, асимметрий, скорости звука или других многофазных эффектов, то плотность, измеренная вибрационным измерителем, будет очень близка к фактической плотности смеси, как показано в уравнении (1) ниже. Если плотности компонентов потока известны, то массовые расходы индивидуальных компонентов могут быть оценены в предположении отсутствия движения пузырей. Слагаемые с (φ) отображают объемные доли компонентов. Отдельные доли должны суммироваться до единицы.

Пользователь, интересующийся измерением только плотности жидкости, получит ошибку, пропорциональную объемной доле, если единственная вовлеченная фаза будет присутствовать. Ошибка плотности для многофазного протекающего флюида может быть представлена как:

Например, если пользователь ожидает плотность жидкости 1000 кг/м³, но флюид имеет 10%-ную объемную долю вовлеченного газа, массовый расходомер Кориолиса предшествующего уровня техники (работающий на частоте колебаний предшествующего уровня техники) измерит примерно 900 кг/м³, давая ошибку плотности в (-100) кг/м³. Даже при том, что измеритель предшествующего уровня техники правильно измерил плотность смеси, включая и жидкую компоненту и газовую компоненту, пользователь интерпретирует это как ошибку на -10% от желаемой плотности жидкости. Расход объема находится затем делением измеренного многофазного массового расхода на измеренную многофазную плотность, и объемный расход смеси оказывается приблизительно на 10% выше, чем расход жидкости. Однако пользователь обычно желает получить массовый расход или объемный расход только жидкой компоненты многофазного протекающего флюида.

Ошибка определения плотности дополнительно получена ошибками вследствие эффектов разделения и эффектов SOS/сжимаемости, которые, оба, происходят вследствие колебаний многофазного протекающего флюида. Колебание одной фазы не даст проявления эффектов разделения и SOS/сжимаемости.

Измерительные ошибки усиливаются в многофазном протекающем флюиде, включая вовлеченный газ. Вовлеченный газ проявляет в большей степени разделение и в большей степени эффекты SOS/сжимаемости, чем вовлеченные твердые вещества. Это происходит из-за большого различия в плотности между газом и флюидом, которое приводит к относительному движению между фазами, и вследствие сжимаемости смеси, которая приводит к нежелательным нерезонансным колебательным откликам. Вовлеченные твердые вещества не подвергаются действию эффектов сжимаемости, но дают ошибки из-за эффектов вязкости и разделения. Эффект разделения для твердых веществ не столь значителен, как для газов, но все же влияет на измерения.

Измерительные ошибки в данном случае обусловлены работой расходомера 5 на определенных колебательных частотах, частотах, которые производят известное разделение, и эффекты сжимаемости. Было установлено, что работа расходомера 5 на этих выделенных колебаниях позволяет правильно осуществить измерения плотности, массового расхода и других переменных.

Было установлено, что на очень низких частотах колебаний, разделение инородного материала, или газа, или твердых веществ, фактически отсутствует, и разделительное отношение составляет приблизительно 1:1, то есть вовлеченный газ или частицы твердых веществ перемещаются на то же самое расстояние, что и жидкая компонента протекающего флюида. Аналогично на очень низких частотах колебаний вязкость протекающего флюида действует так, как если бы она была приблизительно бесконечной, причем вовлеченные инородные материалы движутся с протекающим флюидом. Кроме того, на очень низких частотах колебаний нет эффектов SOS/сжимаемости. В результате разделительное отношение (A_p/A_f) можно предположить как равное единице, сжатие можно предположить как равное нулю (причем скорость звука (c) предполагается как SOS протекающего флюида) и вязкость предполагается как имеющая бесконечное значение (то есть подобно твердому телу).

Следует понимать, что наиболее общий, и наименее трудный, и наименее дорогой подход состоит в том, чтобы избежать многофазных протекающих флюидов. Однако это не всегда практично или возможно. Рассматриваемый здесь подход не состоит в том, чтобы избежать многофазного разделения и эффектов SOS/сжимаемости, но вместо этого предлагается такая работа расходомера, при которой возникает известная и по существу постоянная ошибка измерений. В результате проведение измерений потока упрощается и ошибки измерений могут быть затем удалены.

Было установлено, что на очень высоких частотах колебаний эффекты разделения могут достигнуть верхнего предела. Этот верхний предел предоставляет недостижимые прежде преимущества. Разделение при этом становится известным и предсказуемым. Например, для вовлеченного газа разделительное отношение приближается приблизительно к 3:1, причем газовые пузыри перемещаются на в три раза большее расстояние по сравнению с перемещением жидкой компонентой протекающего флюида. Для вовлеченных твердых веществ, на очень высоких частотах колебаний, разделительное отношение будет приблизительно равно величине 3/(l+(2·ρ_p/ρ_f)). Если плотность твердой частицы намного больше, чем плотность жидкости, то вовлеченные твердые частицы будут по существу неподвижными, тогда как жидкая компонента перемещается с вибрацией трубки. На очень высоких частотах колебаний вязкость протекающего флюида действует так, как если бы она была приблизительно нулевой, с вовлеченным инородным веществом, не ограничиваемым вязкостью флюида.

Сжимаемость не будет относиться к вовлеченным твердым веществам. Следовательно, очень высокочастотный вибрационный расходомер 5 может колебаться на частоте, равной или большей, чем верхняя предельная частота для разделения. Любые получающиеся эффекты SOS/сжимаемости могут быть скомпенсированы для использования обычных методик.

Жидкости имеют более высокие звуковые скорости, чем газы, но еще более низкие скорости получаются для их смеси. Добавление к жидкости даже малого количества газа приводит к значительному снижению скорости звука смеси, ниже таковой для любой из фаз. Малое количество газа значительно увеличивает сжимаемость смеси, тогда как плотность смеси остается близкой к таковой для жидкости.

Когда скорость звука флюида высока, как для однофазного флюида, первая акустическая мода для поперечных звуковых волн поперек круглого трубки имеет намного более высокую частоту, чем частота привода. Однако, когда скорость звука падает из-за добавления газа к жидкости, частота акустической моды также падает.

Для низкочастотных измерителей и типичных давлений процесса эффекты от скорости звука присутствует в многофазных потоках, но обычно пренебрежимо малы при заданной точности измерителя. Однако для высокочастотных вибрационных расходомеров, работающих при низких давлениях с флюидами с пузырями, скорость звука может быть достаточно низкой, чтобы вызвать существенные ошибки измерения из-за взаимодействия между приводом и колебательными модами флюида.

Более физическое объяснение эффектов от скорости звука в вибрационных расходомерах состоит в том, что флюид в трубе сжимается относительно внешней стенки трубы при каждом колебании, если сжимаемость смеси достаточно велика, чтобы позволить такое движение. Таким образом, эффекты от скорости звука подобны эффектам разделения в том, что фактическая ошибка обуславливается движением местоположения центра гравитационного притяжения. Различие в том, что эффекты от скорости звука приводят к тому, что более тяжелый флюид выталкивается к внешним стенкам трубы, тогда как разделение приводит к тому, что более тяжелый флюид выталкивается к внутренним стенкам трубы. Поэтому ошибки от скорости звука положительны и ошибки разделения отрицательны.

Следовательно, расходомер 5 может работать или на очень низкой частоте, или на очень высокой частоте. Получающиеся измерения могут быть использованы так, как рассмотрено н