用于确定管道流体系统的物理参数的方法

技术领域

本公开涉及工业流设备领域，尤其地涉及一种用于确定管道流体系统的物理参数的方法。

背景技术

密度传感是工业过程中一种有价值的测量方法，可提供有关产品和过程质量的相关信息。大多数可用的密度传感系统都为接触侵入式，需要在过程中插入与流体接触的设备，部分系统甚至是伸入侵入式，需要构件伸入流中。这导致安装时间长，并且在安装时需要中断过程，在进行改造的情况下，会使设备(例如科里奥利或振动叉传感器)原本已经很高的成本更高。由于插入附加设备而在工艺管道中形成的开口也涉及潜在泄漏的安全危险，这需要在密封和安全措施方面付出额外的努力。

对于非侵入式测量，主要使用基于核辐射的密度计，其中流体吸收的辐射量与密度相关，使用校准和理论模型。虽然这项技术即使在恶劣的条件下也能提供可靠和精确的测量，但使用这项设备的放射性危害和高成本使其相当不受欢迎，从而限制了其使用。

发明内容

现有技术的非侵入式密度传感系统依赖于安装在工业管道上的设备和额外的校准过程来将振动频率与实际密度变化相关联。在许多情况下，生产适合管道尺寸的夹紧设备仍然是相当昂贵的，并且使用探针进行校准也是繁琐且耗时的。如果在某些情况下，可以使用可移动且操作不受管道尺寸限制的服务设备(即，无需在管道上安装特定设备)来至少以可接受的近似密度传递关于例如当前填充管道的介质类型和/或空的或填充的流体状态和/或介质类型(例如，油或水或泥浆或清水)的相关信息，和/或在限定的时间跨度内监测管道流体系统的物理参数，例如由于化学反应过程引起的密度变化，和/或溶液成分变化等，则对于过程所有者来说是有价值的。

本发明的方面涉及用于确定管道流体系统的物理参数的方法、用于确定管道流体系统的物理参数的确定系统、确定系统的使用、计算机程序和机器可读存储介质，其主题如独立权利要求中所述。

从属权利要求中陈述了本发明的有利修改。说明书、权利要求书和附图中公开的特征中的至少两个特征的所有组合均落在本发明的范围内。为了避免重复，根据该方法公开的特征也应当适用，并且可以根据所提及的系统要求保护。

在本发明的整个描述中，程序步骤的顺序以该过程易于理解的方式呈现。然而，本领域的技术人员将认识到，许多过程步骤也可以以不同的顺序执行，并导致相同或相应的结果。在这个意义上说，可以相应地改变工艺步骤的顺序。有些特征具有数字统计，以提高可读性或使分配更加清晰，但这并不意味着存在某些特征。

为了实现这些和其他优点，并且根据本发明的目的，如本文所体现和广泛描述的，提供了一种用于确定管道流体系统的物理参数的方法，包括以下步骤。在一个步骤中，提供管道流体系统的机械振动频谱，该频谱由冲击管道流体系统的外表面的机械激励产生。在进一步的步骤中，提供管道流体系统的管道的特征数据。在进一步的步骤中，提供管道流体系统的过程流体数据。在进一步的步骤中，确定机械模型振动频谱，该振动频谱基于为管道流体系统提供的理论模型、所提供的管道特征数据以及所提供的过程流体数据。在进一步的步骤中，比较振动频谱和用于确定管道流体系统的物理参数的模型振动频谱，以确定管道流体系统的物理参数。

机械模型振动频谱包括由管道流体系统(包括管道)的单个机械振动模式和/或管道流体系统的多个不同机械振动模式产生的完整机械振动频谱的一部分或几个部分，其中管道可以部分或全部填充有流体，如气体和/或液体和/或混合物和/或浆料。特别地，机械模型振动频谱包括表征管道流体系统的机械振动模式的至少单个频率和/或多个频率。

各个振动模式的特征可以对应于管道的几何数据和/或管道的材料特性、管道的温度和管道的内部压力以及管道流体系统的过程流体数据。

替代地或附加地，机械振动频谱可以包括适于确定管道内流体的物理参数(例如密度)的多个不同振动模式。

如果使用机械振动频谱的至少两种不同模式的数据，即确定查找表中机械模型振动频谱的密度相关频率值，并测量至少两种不同振动模式，则可以提高确定物理参数的准确性和可靠性。在这种情况下，两种振动模式均必须满足用于估计流体密度或其他物理参数的“接受标准”，从而提高确定的可靠性。

机械激励包括任何机械激励，包括冲击管道流体系统的管道外表面的脉冲。用于产生机械激励脉冲以在管道流体系统内产生机械振动频谱的设备可以是具有高硬度和刚度(即大于200GPa的高杨氏模量E)和低重量(例如小于50g)的任何坚硬、可能是金属的或陶瓷的物体，例如优选为冲击锤。

替代地或附加地，机械激励脉冲可以由操作者使用普通扳手或螺丝刀手动冲击管道流体系统的外表面来产生。

在该方法的另一步骤中，可以例如使用接口和/或屏幕来输出所确定的物理参数。输出所确定的物理参数可以包括最可能的流体密度和/或来自预选类别的估计流体。

替代地或附加地，该方法包括连续评估机械振动频谱的频率峰值偏移并确定相应的物理参数(例如流体的密度)的步骤。

替代地或附加地，该方法包括稍后提供另一个机械振动频谱，其中先前提供的机械振动频谱可以用作参考测量，该参考测量用一次性探针提取和离线密度测量来校准，以提高确定物理参数(例如管道流体系统的流体密度)的准确性。

管道流体系统可以是配置成包括流体的任何管道。优选地，管道流体系统可以是管道，其配置成包括流体，并且可以包括振动模式限制元件，振动模式限制元件有助于在管道的限定部段内限定管道流体系统的管道的振动模式。管道的这种部段可以通过管道的特征数据、管道的表征几何形状和材料特性来描述。优选地，管段是直的，无接头或附加物。

每个单独的限制元件可以是连接到管道的任何法兰，如焊接法兰和/或对焊法兰和/或螺纹连接件。替代地或附加地，至少一个限制元件可以是这样的限制元件，其配置成机械耦接到管道，以针对振动模式限定管道流体系统的管道的一部分，修改管道流体系统，使得可以产生包括特定机械振动模式的特定机械振动频谱。

限制元件之间的距离可以限定管道流体系统的长度。

管道流体系统的管道的特征数据可以包括管道和/或管道流体系统的几何数据，该数据可以本地测量产生，可以由移动设备提供，和/或由技术数据提供，和/或关于管道材料的数据和/或预期频率范围和/或预期振动频谱和/或管道表面温度。

过程流体数据可以包括预期流体类型(如气体和/或液体)和/或流体的预期密度和/或流体压力值和/或流体温度和/或预期流体。

可以使用移动设备(例如配备有传感器的移动电话)来比较振动频谱和模型振动频谱以确定物理参数。这些传感器可以包括用于采集声信号的传感器，例如麦克风和/或加速度计，包括用于分析声信号的功能，这意味着例如频谱分析。移动设备可以包括距离测量设备和/或尺寸测量设备。这种设备可以包括基于超声波的传感器和/或激光系统和/或相机，以确定管段长度和/或管直径和/或管壁厚度。

替代地或附加地，移动设备可以包括用于测量表面温度的系统，例如红外传感器或接触温度传感器。

管道流体系统的表面的机械振动频谱随着管道内部流体的变化而改变，从而改变了管道流体系统的物理参数，使得能够基于管道的参数(例如管道的材料和/或壁厚和/或直径和/或管道的温度等)利用对管道的振动和振动模式的模型计算来确定管道流体系统的流体的参数和/或条件，如下文进一步所讨论。

机械模型振动频谱可由管道流体系统的理论模型提供，优选使用有限元计算或可选的分析计算。这些结果通常能使物理参数的测定准确度在±5％的公差范围内或更好。导致密度变化的流体成分变化通常会导致更大的频率变化。因此，可以预测不同过程流体填充的频率，并且测量的频率与预测值的关联性具有良好的置信度。

上述计算的结果可以编译在各种特征管道配置的查找表中。查找表便于在移动设备中存储，并且可以配置为针对查找表未提供的频谱值进行插值。这种查找表可以提供一系列工业管道尺寸组合和流体类型(包括管道直径和/或管道壁厚和/或管道流体系统长度和/或流体类别(如气体和/或液体)和/或管道温度)的密度敏感机械振动模式的振动频率值。

附加地或替代地，查找表可以包括作为机械振动频谱的频率和/或流体和/或管道温度和/或流体压力的函数的密度变化灵敏度值。

这意味着将所提供的机械振动频谱与所提供的基于预期频率的机械模型振动频谱进行比较。

换句话说，描述了一种使用手持移动设备来确定管道内的过程流体的密度和/或密度变化的方法。可以通过激励管道流体系统振动来产生管道流体系统的机械振动频谱，并且测量激励响应，以使用测量的振动特征(例如振动频率)来导出物理特性和物理特性变化(例如流体密度)的估计。基于测量的振动特征确定物理参数可以使用算法基于振动特征和/或基于对管道几何形状的测量和/或利用管道材料特性的知识或估计和/或测量的管道表面温度来利用预先建立的查找表或用于提供振动特征和物理特性的相互依赖性(为上述参数的函数)的建模机构来进行。该估计使得能够例如区分填充管道和空管道，区分同一管内两种可能的、明显不同的流体，例如水或油，以及量化密度随时间相对于初始状态的变化。

基于用于提供机械振动频谱的频率测量过程，通过将管道的机械振动频率与包括各种预选流体的计算频率值的机械模型振动频谱进行比较，可以非侵入地确定管道内的流体类型。

有利地，该方法提供了对管道流体系统的管道内的过程流体的物理参数的非侵入式估计和/或确定。该估计可以是关于流体(例如液体或气体和/或组合物，例如水、水-油或水-砂混合物)的物理状态的表述，和/或关于密度随时间变化的定量值，该定量值根据密度和/或密度变化和/或利用管道内可预期流体的预选列表的流量确定导出。

根据一个方面，管道流体系统的长度由管道流体系统两端的振动模式限制元件限定。

使用机械耦接到管道流体系统的管道的这种限制元件可以提高精度，并且为管道流体系统提供用于产生期望的机械振动频谱的特定尺寸。

根据一个方面，管道流体系统的机械振动频谱由声学耦合到管道流体系统的声学信号采集系统和/或机械耦接到管道流体系统的外表面的加速度采集系统提供。

有利地，声学信号采集系统和/或加速度采集系统由移动设备提供，以便在本地容易且快速地确定管道流体系统的物理参数。

根据一个方面，该方法包括使用过程流体数据和与过程流体数据对应的模型振动频谱来对所提供的振动频谱进行滤波，以比较振动频谱和模型振动频谱。

根据过程流体数据和与过程流体数据对应的模型振动频谱，对所提供的振动频谱的这种滤波可以将振动频谱的频率范围限制在较高和较低的频率值，以提高该方法的准确性和可靠性。

根据一个方面，该方法包括提供管道流体系统的外表面的温度，并且另外基于管道流体系统的外表面的温度来确定机械模型振动频谱。

有利地，与估计的流体温度和/或管道流体系统的管道材料的温度相比，确定的管道流体系统外表面温度提高了精度。

根据一个方面，物理参数包括管道流体系统的过程流体的密度和/或管道流体系统的过程流体的粘度和/或管道流体系统的过程流体的流量。

为了至少确定过程流体的粘度，针对频谱的形式(例如峰的宽度)，将机械振动频谱的一部分与机械模型振动频谱进行比较。

根据一个方面，管道流体系统的管道的特征数据包括管道流体系统的管道的直径和/或管道的厚度和/或管道的材料和/或管道流体系统的长度。

根据一个方面，管道流体系统的振动频谱的理论模型基于多个管道流体系统的有限元计算，包括各个管道的不同特征数据和/或包括多个过程流体，其中每个过程流体包括不同的过程流体数据。

有利地，基于有限元计算确定振动频谱的理论模型可以提高精度。

根据一个方面，使用计算机系统来计算模型振动频谱的理论模型，和/或通过包括不同过程流体数据的多个管道流体系统的列表来提供振动频谱的模型。

以查找表的形式(例如以表格列表的形式)向移动设备提供理论模型可以使得移动设备能够以高精度执行该方法，因为移动设备的计算性能可受到限制。

根据另一方面，公开了一种用于确定管道流体系统的物理参数的确定系统，该确定系统配置成执行根据前述权利要求所述的方法。

这种确定系统使得用户能够在不同的位置以简单的方式执行该方法。

根据一个方面，该确定设备包括用于提供管道流体系统的机械振动频谱的声信号采集系统和/或用于提供管道流体系统的温度的温度采集系统和/或用于提供管道流体系统的机械振动频谱的加速度采集系统，和/或该确定设备配置成电耦接到加速度采集系统，和/或该确定设备包括用于提供管道流体系统的机械振动频谱的第一接口和/或该确定设备包括用于提供管道流体系统的管道的特征数据的第二接口，和/或该确定设备包括用于提供管道流体系统的过程流体数据的第三接口，和/或该确定设备包括用于输出确定的物理参数的屏幕。

根据一个方面，第一接口和/或第二接口和/或第三接口包括屏幕和/或触摸屏。

有利地，使用确定设备使得操作者能够使用仅通过例如使用锤子和/或高刚度冲击装置产生机械激励(例如激励脉冲)来确定物理参数的方法来确定物理参数。

根据一个方面，确定系统配置成耦接到外部系统和/或就信号交换而言耦接到多个不同的外部系统，其中至少一个外部系统配置成执行上述方法中的至少一种和/或方法的至少一个步骤。

有利地，配置成耦接到外部系统的确定系统可以配置成将其功能和/或其功能的至少一部分外部化，优选地，如果确定系统的操作能力受到限制，则可将上述方法的更复杂的操作外部化，并且确定系统可以接收外部化操作的结果以输出给操作者。

根据一个方面，使用移动设备来实现确定系统。

有利地，使用包括确定系统的功能的这种移动设备使得操作者能够仅通过例如在本地使用锤子和/或高刚度冲击装置产生机械激励脉冲来非侵入式地确定物理参数，而无需大量准备测量设置。这种移动设备可以实现为手持设备，例如经改进的移动电话。

这种移动设备可以包括声学振动传感器和振动分析软件、提供管道材料的输入接口和提供管道流体系统的管道材料和几何数据的接口。移动设备还可以包括查找表或用于将机械模型振动频谱建模为管道的特征数据和管道流体系统的过程流体数据的函数的机构，并且包括用于确定物理参数的计算软件和用于输出物理参数的输出接口，例如显示器。

根据另一方面，公开了用于确定管道流体系统的过程流体的密度和/或用于确定管道流体系统的过程流体的粘度和/或用于确定管道流体系统的过程流体的流量和/或确定管道流体系统的过程流体的压力的确定系统的用途。

根据另一个方面，公开了一种计算机程序，特别是应用程序，其包括指令，当该程序由计算机执行时，使得计算机执行所描述的方法之一。

这种计算机程序使得能够在不同的系统中使用所描述的方法。

根据本发明的另一个方面，公开了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序。

附图说明

包括附图是为了提供对本发明的进一步理解，并且附图结合在本申请中并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是具有示例性振动模式的管道流体系统的示意图；

图2是表征机械振动频谱的图；

图3是一个移动式非侵入确定系统；

图4是用于测量管道流体系统的机械振动频谱的方法的一系列步骤；

图5是用于确定管道流体系统的物理参数的方法的一系列步骤；以及

图6是用于确定密度变化的方法的一系列步骤。

具体实施方式

图1示意性地描绘了管道116的一个部段，管道116设置为管道流体系统110，包括位于管道116的所述部段两端的振动模式限制元件112、114，其中流体120在管道116内部流动。作为示例，示出了各个振动模式140、160。每种模式的特征在于两个平面上的变形，即周向变形140和纵向变形160。这两种变形类型的任何组合都是可能的，其特征为特征数n和m的组合，特征数与给定平面中振动节点的数量有关。这些示例涉及组合n2m1，但是也可以使用其他振动模式来进行确定。

图2示意性地描绘了振动频谱210(其中示出了振动模式的振动幅度取决于机械振动的频率)以及由于管道116内的流体120的物理参数的变化而偏移的振动频谱220的示例。

图3示意性地描绘了确定系统310，其配置成测量管道116的所述部段的振动频谱210、220，管道116的所述部段机械耦接到振动模式限制元件112、114和装置320(例如锤子)，以通过机械激励脉冲产生机械振动频谱。

图4示意性地描绘了用于测量管道流体系统110的机械振动频谱210、220的方法的一系列步骤。在步骤410，选择一管道部段作为管道流体系统110。在下一个步骤420，测量管道116的几何形状，如管道流体系统110的长度、管道流体系统110的管道直径和管道壁厚。在步骤430，将管道流体系统110的管道的特征数据，例如管道的几何形状和管道的材料数据以及管道内的压力输入到移动设备中。在步骤440，将假定过程流体信息(诸如对可能情况的估计，例如，液体或气体、管道填充状态(满或空)、纯水、水-油或水-砂混合物等)输入到移动设备中。在步骤450，基于为管道流体系统110提供的理论模型以及提供的管道特征数据和提供的过程流体数据确定机械模型振动频谱210、220，和/或基于查找表，优选使用插值计算，进行针对潜在场景的灵敏度预测计算。在步骤460，限定对机械振动频谱210、220进行滤波的预期频率范围。在步骤470，使用机械激励脉冲(类似于小硬物体320的冲击)和/或通过管道流体系统110的固有振动生成机械振动频谱210、220。在步骤480，使用移动设备310(例如通过使用红外感测系统)测量管道流体系统110的外表面温度。在步骤490，例如通过声学信号采集系统测量机械振动频谱210、220，并且至少确定机械振动频谱210、220的预期范围内的相关频率。

附加地或替代地，机械模型振动频谱210、220可适合在步骤480测量的管道流体系统110的表面温度。

图5示意性地描绘了用于确定管道流体系统110的物理参数的方法的一系列步骤，在第一步骤510，将机械振动频谱210、220的至少一个测量频率与在用于测量机械振动频谱210、220的方法的步骤450确定的机械模型振动频谱的至少一个频率值进行比较。在步骤520，基于机械振动频谱210、220的至少一个频率值与机械模型振动频谱的至少一个频率之间的最小偏差来确定最可能的流体状态。在步骤530，必要时(即如果偏差太大)重复用于测量机械振动频谱210、220的方法的步骤450和460以及步骤510和520，从而需要选择另一种参考流体。在步骤540，移动设备310输出最可能的流体状态(例如流体为液体或气体状态)和/或管道为空或满和/或流体包含纯水或水-油混合物或水-砂混合物等。

图6示意性地描绘了用于确定密度变化的方法的一系列步骤。在步骤610，将在用于测量管道流体系统110的机械振动频谱210、220的方法的步骤490中确定的至少一个频率值存储在第一存储位置。在步骤620，将物理参数(例如过程流体的密度)的初始值存储在第二存储位置，其中初始值基于校准和/或来自用于确定物理参数的方法的步骤540的输出值。在步骤630，连续或间歇地重复用于测量机械振动频谱的方法的步骤470、480和490，以产生多个机械振动频谱。在步骤640，对于每次测量机械振动频谱210、220，基于用于测量机械振动频谱的方法的步骤450的灵敏度估计来确定管道流体系统110的物理参数，例如流体的密度。在步骤650，如果例如密度的变化超过限定的阈值，则设置可选警报。