本发明涉及质量流量计以及用于对流过管状容纳部的质量流量进行测量的方法。特别地，本发明涉及一种具有柔性板的质量流量计。还公开了质量流量计的用途和方法。
背景技术：
1、诸如用于二氧化碳捕获和储存(ccs)的液态co2、流体石油产品、天然气、氢气和水等流体通常在管线中运输。这种流体通常在高压下运输。管线既可以铺设在较大深度的深海，也可以铺设在陆地上。流体也可以通过陆地设施(诸如炼油厂或其他加工设施)的管线运输。流体在大尺寸管线中运输并且流体典型地可以具有低密度。例如，液态h2具有低密度，而以气态形式的h2具有极低密度。高密度流体(诸如例如液态co2和天然气)通常在高深度和4℃的水温处的海底或配有冷却装置的长管线中运输/储存。液态co2不能在大气压或高于4℃的环境温度下运输，因为出于实际原因(管线厚度等)，这需要太高的压力才能在管线中运输。在关于海底4℃处，压力为约90bar。因此，在海底处建造针对液态co2输送的管线是可能且实用的。液态co2具有每立方米约1.1吨的质量密度。液态h2具有每立方米约70kg的质量密度。通过对移动通过管线的流体量进行测量可以对流体的运输进行实时监测。质量流量测量可能比体积流量测量更可取，因为质量不会随着压力或温度上的变化而改变。因此质量流量测量可能更加准确。基于超声波测量的质量流量计可能也不适用于液态，诸如例如液态co2，因为超声波会被液态衰减。
2、使用传统科里奥利技术的质量流量计可以通过使在入口与出口之间的承载流动流体的管道振动来操作。管道的这种振动提供了振荡，即对管道(例如位置)测量的围绕中央值的测量值的变化。流动流体的惯性抵抗振动运动并导致管道扭曲。这种扭曲会导致管道入口侧与出口侧之间的振荡的时间滞后(相移)，并且该相移直接受到流经管道的流体的质量的影响。传统的科里奥利流量计将流体流分成两个管道，以提供来自驱动器的净零力。
3、传统的科里奥利直接质量流量测量可能不适用于对高压流体的质量流量进行测量，特别地不适用于对低密度流体的质量流量进行测量d。高压流体的间接质量流量测量可以通过使用流体的压差和/或密度来执行，但可能不准确。
4、例如，氢气和co2运输管道具有非常大的尺寸(直径达24英寸或30英寸)并且压力典型地为100bar至200bar。现有的科里奥利质量流量计具有16英寸的最大直径并且现有的科里奥利质量流量计不能用于对在这种大管道中的流体的质量流量进行测量。对于处于非常高的压力(例如300bar)的流体输送，可用的最大的传统科里奥利流量计可能只有6英寸至7英寸，并且具有很大的厚度以承受压力。对于对具有低密度的流体的测量，科里奥利流量计必须具有薄的管状壁才能对质量流量进行检测。薄的管状壁无法承受高压。因此，如果管线尺寸不是非常小，现有的科里奥利质量流量计可能不适用于高压应用，例如压力高于100bar的流体。现有的科里奥利质量流量计必须被制成具有大厚度才能承受这些高压，但这会导致结构过于坚硬，无法振动来对质量流量进行检测。对于高操作压力和/或大直径管线，用于科里奥利流量计的承载压力的金属管道将是厚的。对于这种厚的管线，通过使用电磁致动器来向测量管道施加力将是不可能的。传统的科里奥利流量计可能无法对低密度流体的质量流量进行测量，因为这需要较高的流体流动的速度来提供信号，而这种高的速度是不可能的。与用于流体流动的管道相比，传统的具有直径减小的管状件的科里奥利流量计的设计也可能由于文丘里效应而导致质量流量计上的压降。对于h2来说，传统的科里奥利质量流量计上的压降可能例如为50bar至100bar。压降可能导致例如流体(例如液态co2)的沸腾，从而在流体流中产生气泡，导致由质量流量计测量结果的不准确。
5、us5,392,656公开了一种具有非振动导管的质量流量计，该非振动导管提供的流通道被平面构件分成两个平行且相等的子通道，并且该平面构件具有固定至流通道的壁的前缘和后缘。平面构件围绕与流通道的中央线大致重合的平面构件的中央轴线以扭转的方式振动。两个致动器彼此面对地布置在导管的内部。致动器可以延伸到导管的壁中或者穿过壁以靠近平面构件。一对振动传感器分别在流通道的两个不同截面处对平面构件的扭转振动进行检测。根据由一对振动传感器分别提供的两个交变电信号之间的相位角差来对移动通过流通道的介质的质量流量进行确定。致动器被布置成靠近平面构件为平面构件提供了有限的振动扭矩。
6、us10393560b2(其全部内容通过引用并入本文)公开了一种质量流量计200，该质量流量计200具有管状容纳部202、柔性板204、致动器210和至少两个传感器214(214a、214b、214c、214d)、216(216a、216b、216c、216c、216d)，如图1中所示的。管状容纳部202可以呈通常圆筒状的形式，其具有限定腔体206的长度l、壁厚t和内部半径r。管状容纳部具有用于流体流102的入口202i和用于流体流102的出口202o。柔性板具有宽度w。柔性板204可以联接至管状容纳部的内壁，使得柔性板可以以扭转的方式振动。致动器210可以被配置成向柔性板施加足以使柔性板以扭转的方式振动的振荡扭矩。至少两个传感器214、216可以各自被配置成对柔性板在不同位置处根据时间的振荡进行测量。质量流量计还可以包括计算设备212，该计算设备212与至少两个传感器电连通并且该计算设备212被配置成根据由至少两个传感器所测得的柔性板的振荡之间的相移来对流过管状容纳部的流体的质量流量进行确定。
7、由于高压流体通常在厚壁管道中输送，而厚壁管道可能难以以足够的强度进行振动从而用于质量流量计，因此us10393560b2中所公开的质量流量计配备有管状容纳部，该管状容纳部包含以扭曲方式(扭转)振动的柔性板。该板的振动因通过该板的流体而改变。通过对柔性板在不同位置处的振荡进行测量，可以对板振荡的相位滞后进行测量，并且将所测得的板振荡的相位滞后与行进通过管状容纳部的流体的质量流量联系起来，而不管其厚度如何。
8、对于对低密度流体和/或高压流体中的质量流量的测量，现有技术解决方案可能存在灵敏度方面的挑战。
技术实现思路
1、提供了一种改进的质量流量计。
2、本发明提供了一种质量流量计，该质量流量计包括：管状容纳部，该管状容纳部沿纵向轴线延伸并且该管状容纳部被构造成对通过该管状容纳部的流体流进行接纳；以及柔性板，该柔性板沿管状容纳部的至少部分延伸并且该柔性板在柔性板的相反的纵向端部处至少部分地联接至管状容纳部的内壁，使得柔性板能够以扭转的方式振动。至少一个电磁致动器系统被配置成向柔性板施加足以使柔性板以扭转的方式振动的至少两个振荡扭矩。至少两个传感器系统被配置成对由所施加的至少两个振荡扭矩引起的柔性板在位置处根据时间的振荡进行测量。
3、此外，施加至柔性板的至少两个振荡扭矩的净和可以为零或为大致零。至少两个振荡扭矩可以具有相反的方向。至少两个振荡扭矩的和可以小于至少两个振荡扭矩中的最大的振荡扭矩。
4、还公开了至少一个电磁致动器系统，该电池致动器系统可以包括：电磁设备，该电磁设备布置在管状容纳部的外部；以及可磁化材料，该可磁化材料布置在管状容纳部的内部。电磁设备可以包括至少一个线圈，该至少一个线圈布置在管状容纳部的外部。可磁化材料可以布置在柔性板上。可磁化材料可以包括至少一个永磁体。可磁化材料可以包括至少一组永磁体，其中永磁体可以并排对称地布置，从而形成偶极子。可磁化材料可以包括形成四极子的四组永磁体。替代性地，可磁化材料可以包括形成偶极子的四组永磁体。质量流量计的两个传感器系统中的每个传感器系统可以包括拾取器。在实施方式中，至少一个电磁致动器系统还可以适于用作传感器系统。
5、至少一个线圈还可以被布置成提供交变电磁场，所述交变电磁场交替地磁化并且对可磁化材料进行消磁。
6、在实施方式中，质量流量计的管状容纳部可以是非磁化材料的衬管。压力容纳部可以布置在衬管的外部。
7、在另外的方面，本发明提供了一种用于对通过至少一个管状容纳部的质量流量进行测量的方法。该方法包括：对通过至少一个管状容纳部的流体流进行接纳，其中，管状容纳部包括：柔性板，该柔性板沿至少一个管状容纳部的至少部分延伸并且该柔性板在柔性板的相反的纵向端部处至少部分地联接至至少一个管状容纳部的内壁，使得柔性板能够以扭转的方式振动。该方法还包括：通过向柔性板施加使柔性板以扭转的方式振动的至少两个振荡扭矩，来由至少一个致动器系统驱动柔性板在至少一个管状容纳部内在扭转模式下以选定频率进行振动；通过至少两个传感器系统对柔性板的多个振动进行测量，该至少两个传感器系统被配置成对由所施加的至少两个振荡扭矩引起的柔性板在至少两个位置处根据时间的振荡进行测量；以及基于所测得的在至少两个位置处的振荡之间的相移，对在至少一个管状容纳部内流动的流体的质量流量进行确定。
8、施加至柔性板的至少两个振荡扭矩的净和可以为零或为大致零。至少两个振荡扭矩可以具有相反的方向。至少两个振荡扭矩的和可以小于至少两个振荡扭矩中的最大的振荡扭矩。如果例如施加三个振荡扭矩，则所有振荡扭矩的和应该为零或为大致零。
9、在另外的方面中，如上面所公开的质量流量计或如上面所公开的方法可以用于以对co2、nh3、h2或天然气的流体流的质量流量进行测量。
10、所公开的改进的质量流量计特别地对于诸如气体(例如co2、nh3、h2或天然气)的具有较低密度和较低粘度的流体提供了更高的灵敏度。质量流量计对于通常以高压运输的液态co2、液态nh3、液态h2或液态天然气(lng)也提供了更高的灵敏度。质量流量计还能够对双相流体流或多相流体流的质量流量进行测量。
11、使用围绕柔性板的纵向中央对称布置的至少两个致动系统提供了更高的灵敏度。两个致动系统可以激励柔性板进行2阶谐波振荡或更高的偶阶谐波振荡。这使得质量流量计能够适应将要测量的特定流体流。使用两个扭矩有助于激发所需的模式。扭矩处于相反指向并且扭矩的和可能为约零或为大致零。对于下面所描述的原因，2阶谐波振荡和4阶谐波振荡可能是最实用的选择，而3阶谐波还可以通过使用不对称扭矩来实现。更高的奇阶谐波可能同样是可行的。
12、使用两个致动系统为质量流量计提供了更高的q(质量)因子。较高的q因子为柔性板提供了更尖锐的共振高峰。更尖锐的共振高峰和因此更窄的频率范围导致质量流量计不易受到来自周围环境噪声的影响。高q因子还意味着从致动器输入到柔性板中的能量与由于柔性板振荡产生的能量之间的比率是高的。因此，驱动系统所需的能量将会减少。质量流量计的更高的q因子会导致信号增强、噪声降低和测量灵敏度提高。
13、在某些应用中，不希望也不可能使用电传导的管状容纳部。在一些应用中，例如对于高操作压力(例如，典型地高于200bar)和/或大直径管道(例如，典型地高于24英寸)，承载压力的金属管状容纳部也可能太厚而无法电磁致动柔性管的扭转。在这些应用中，可能需要将致动器和传感器布置在管状容纳部的内部，然后应该保护致动器和/或传感器线圈。来自管状容纳部内部流动流体的压力也应该传递至外部承载压力的容纳部。这可以通过使用充满液态(例如油)或模制塑料的金属膜来实现，其可以将过程压力传递至承载压力的金属管状容纳部。管状容纳部可以是衬管。压力容纳部可以布置在衬管外部。电磁致动器可以布置在压力容纳部的内部，但在衬管的外部。压力容纳部与衬管之间的空间可以用液态或固态填充材料进行填充，以将压力从衬管内部上的流体流传递至压力容纳部。填充材料还可以用于保护电磁致动器。由于管状容纳部可以是衬管，因此它不需要承受流体流的高压。柔性板还应足够柔软，以对如例如co2、nh3、h2或以液态或气体形式的天然气的气体的质量流量或多相流的质量流量进行测量并且对甚至在高压下的co2、nh3、h2或以液态或气体形式的天然气的气体的质量流量或多相流的质量流量进行测量。质量流量计可以用于大直径管道，因为带有柔性板的衬管本身不需要能够承受高压，并且柔性板的设计即使在大直径下也足够灵活和柔软。
14、致动器系统和传感器系统可以布置在与柔性板的4阶谐波扭转振荡的最大振幅相对应的位置中；即，致动器系统和传感器系统可以布置在管状容纳部的长度的1/8、3/8、5/8、7/8处。这些位置还为质量流量传感器的致动器系统和传感器系统两者留出了足够的空间。
1.一种质量流量计，所述质量流量计包括：
2.根据权利要求1所述的质量流量计，其中，施加至所述柔性板的所述至少两个振荡扭矩的净和为零或为大致零。
3.根据权利要求1或2所述的质量流量计，其中，所述至少两个振荡扭矩具有相反的方向。
4.根据权利要求1所述的质量流量计，其中，所述至少两个振荡扭矩的和小于所述至少两个振荡扭矩中的最大的振荡扭矩。
5.根据权利要求1所述的质量流量计，其中，所述至少一个电磁致动器系统包括：电磁设备，所述电磁设备布置在所述管状容纳部的外部；以及可磁化材料，所述可磁化材料布置在所述管状容纳部的内部。
6.根据权利要求1所述的质量流量计，其中，所述电磁设备包括至少一个线圈，所述至少一个线圈布置在所述管状容纳部的外部。
7.根据权利要求5所述的质量流量计，其中，所述可磁化材料布置在所述柔性板上。
8.根据权利要求5所述的质量流量计，其中，所述可磁化材料包括至少一个永磁体。
9.根据权利要求5所述的质量流量计，其中，所述可磁化材料包括至少一组永磁体，其中，所述永磁体并排对称地布置，从而形成偶极子。
10.根据权利要求5所述的质量流量计，其中，所述可磁化材料包括形成四极子的四组永磁体。
11.根据权利要求5所述的质量流量计，其中，所述可磁化材料包括形成偶极子的四组永磁体。
12.根据权利要求1至11中一项所述的质量流量计，其中，所述两个传感器系统中的每个传感器系统都包括拾取器。
13.根据权利要求1至12中一项所述的质量流量计，其中，所述至少一个电磁致动器系统还适于用作传感器系统。
14.根据权利要求1至13所述的质量流量计，其中，所述管状容纳部是非磁化材料的衬管。
15.根据权利要求14所述的质量流量计，所述质量流量计还包括压力容纳部，所述压力容纳部布置在所述衬管的外部。
16.根据权利要求6至15所述的质量流量计，其中，所述至少一个线圈被布置成提供交变电磁场，所述交变电磁场交替地磁化并且对所述可磁化材料进行消磁。
17.一种用于对通过至少一个管状容纳部的质量流量进行测量的方法，所述方法包括：
18.根据权利要求17所述的方法，其中，施加至所述柔性板的所述至少两个振荡扭矩的净和为零或为大致零。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述至少两个振荡扭矩具有相反的方向。
20.根据权利要求17至19中一项所述的方法，其中，所述至少两个振荡扭矩的和小于所述至少两个振荡扭矩中的最大的振荡扭矩。
21.一种使用根据权利要求1至16中一项所述的质量流量计用于对co2、nh3、h2或天然气的流体流的质量流量进行测量的用途；或者一种使用根据权利要求17至20中一项所述的方法用于对co2、nh3、h2或天然气的流体流的质量流量进行测量的用途。
