專利名稱：在開式和封閉管道中流動介質的相組份的確定方法
技術領域：
本發明涉及一種借助至少三塊全部主要沿管道的整個高度伸展的電容器板并借助一個控制和評估電路確定開式和封閉管道中介質的相組份的方法，該方法特別是結合一種確定體積流量的方法應用，在該方法中，由控制和評估電路向電容器板中的至少一個電容器板供以交流電壓并且控制和評估電路接收在被供以交流電壓的電容器板和至少另一電容器板之間流動的電流。
EP-A-0514964公開了上述方法。在該公開的方法中，在管道的四周最好設有十塊電容器板，這十塊電容器板受一個控制和評估電路的控制，使管道中產生一個旋轉的電場。在該公開的方法中，在電場旋轉一個整數次數后確定管道的包括處于管道中的介質的平均電容。在知曉介質電氣特性的前提下，人們可從該平均電容中算出介質的液相和氣相組份。該公開的方法存在的問題在于，如以上所述，介質的液相和氣相組份只有在知曉介質的電氣特性，特別是介電常數ε和導電能力δ的情況下才能得以確定。這所以成問題的原因在于，在不均勻的介質中，介質的電氣特性是經常變化的，并且介質的電氣特性也與其在大多情況下不恒定的溫度有關。
EP-A-0547751也公開了一種確定開式和封閉管道中的介質的相組份的方法，在該公開的方法中，與體積流量的磁感應測量原理相似，通過垂直于管道的磁場和在管道側部水平設置的電極確定介質的相組份。與前一公開的、作為本發明的出發點的方法一樣，該公開的方法存在的問題在于，為了確定相組份，必須知道介質的電氣特性。此外，該公開的方法的另一問題在于，在介質不流過管道，而是停留在管道內的情況下，根本不能確定相組份。
因此，本發明的任務在于改進用于確定開式和封閉管道中的介質的相組份的現有方法，使其在不知曉介質的電氣特性的情況下也能確定停留在管道中的介質的相組份。
解決以上任務的，用于確定開式和封閉管道中的介質的相組份的、按照本發明的方法的特征在于，由控制和評估電路接收處于兩個不同的、通過管道的垂直線分隔的電容器板組中的至少兩塊電容器板之間的電流，由控制和評估電路相繼接收處于第一電容器板組的各個電容器板與第二電容器板組的至少一塊電容器板之間的電流，由控制和評估電路借助第一電容器板組的處于低位的電容器板的電流使第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的電流歸一化，并且由控制和評估電路把第一電容器板組最高的、為介質平面所達的電容器板的歸一化電流作為衡量尺度對介質平面相對于第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的位置進行評估。
通過按照本發明的方法的實施例可確保，基于排除電氣特性影響的歸一化，可在與電氣特性，即介質的介電常數ε和導電能力δ無關的情況下確定管道中的介質的相組份。由于按照本發明的方法以確定其間有介質的兩塊電容器板之間的電容為基礎，所以該方法在與介質的速度無關的情況下提供管道中的介質相組份的測量值。
按照本發明的方法的第一優選的實施例在于，借助第一電容器板組的處于低位的電容器板的電流之和對第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的電流進行歸一化。由于第一電容器板組的處于低位的電容器板的電流之和具有高于譬如第一電容器板組的那塊最靠近最高的、為介質平面所達的的電容器板的電流的絕對值，所以在相組份的測量結果中，通過歸一化造成的測量不精確度更小。
按照本發明的方法的另一實施例在于，由控制和評估電路相繼接收第一電容器板組的所有的、以第一電容器板組的位置最低的電容器板起始的電容器板序列的電流，使按照本發明的方法的測量精度得到進一步提高。在該情況下，上一自然段描述的歸一化可借助第一電容器板組的以第一電容器板組的位置最低的電容器板起始的電容器板序列的電流的一個唯一的測量值來進行。因此，與各個接收的測量值相加相反，優于對第一電容器板組的處于低位的電容器板的電流之和的測量精度。
為了確保對第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的歸一化電流定量評估。按照本發明的方法的另一實施例在于，在介質平面處于電容器板的上緣時在對第一電容器板組的每塊電容器板校準的過程中接收歸一化電流。
對于下列情況，即介質平面恰好達到第一電容器板組的一塊電容器板的下緣，或者在忽略僅由介質的氣相影響的電容的情況下假設電容器板的歸一化電流在該情況下為零，或者，為了提高測量精度，推出按照本發明的方法的另一實施例，即在介質平面處于電容器板的下緣時，在對第一電容器板組的每塊電容器板的校準過程中分別接收歸一化電流。在該情況下，考慮在第一電容器板組的那塊具體的電容器板和第二電容器板組的電容器板之間的、基本上通過介質的氣相決定的電容并從而提高測量精度。
評估第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的歸一化電流的簡化措施在于，由控制和評估電路在處于具體的電容器板的下緣的介質平面和處于具體的電容器板的上緣的介質平面之間使第一電容器板組的每塊電容器板的歸一化電流與介質的相對于具體的電容器板的高度線性對應。
如果第二電容器板組也由多塊電容器板構成，則按照本發明的方法的簡化措施在于，在第二電容器板組具有組合的電容器板的情況下由控制和評估電路進行電流接收。
作為最后提及的措施的替代措施，按照本發明的方法的實施例在于，在第二電容器板組具有其組合與第一電容器板組的電容器板的組合一致的電容器板的情況下由控制和評估電路進行電流接收，通過該措施可保證，基本上只有處于第一和第二電容器板組的兩塊面對的電容器板之間的介質影響電流。
按照本發明的方法的一個特別優選的實施例在于，在介質平面很低的情況下，直接從介質平面的高度中確定體積流量。介質的很低的平面指的是這樣的介質平面，在這些介質平面時，介質的流動速度主要取決于管壁的表面粗糙度和測值傳感器的傾斜度。在介質平面很低的這些情況下，公開的體積流量測量方法通常失效。在這些情況下，按照本發明的方法的實施例可提供補救。
最后，按照本發明的方法的另一實施例在于，由控制和評估電路確定介質的導電能力和/或介電常數。確定介質的導電能力和/或介電常數的可能性補充了上述相組份測量，即在知曉介質的成分的情況下，可從導電能力或介電常數中推導出譬如介質的液相密度。
除了按照本發明的方法的實施例外，為了實施發明的方法，一種用于實施該發明的方法的，具有至少三個全部主要沿管道的整個高度伸展的電容器板和一個控制和評估電路的設備的優選的實施例也扮演重要的角色。為了實施按照本發明的方法，這種本已由EP-A-0514964公開的設備的特別優選的實施例在于，至少兩塊，最好4塊電容器板構成第一電容器板組，至少一塊電容器板構成第二電容器板組并且通過管道的垂直線使第一電容器板組和第二電容器板組相互隔離。通過公開的設備的這種結構，才能實施按照本發明的方法。
由于為了實施按照本發明的方法需要第一電容器板組的至少兩塊起碼為介質平面所達的電容器板，所以設備的特別優選的實施例在于，第一電容器板組的最低的那塊電容器板所覆蓋的高度小于第一電容器板組的其它任一塊電容器板覆蓋的高度。通過該措施可保證，在介質平面低的情況下，第一電容器板的最低的那塊電容器板仍處在該介質平面之下。據此，確保對第一電容器板組的處于上方的電容器板的電流進行歸一化。
如前所述，通過如下措施簡化按照本發明的方法，即在處于具體的電容器板下緣的介質平面和處于具體的電容器板上緣的介質平面之間使第一電容器板組的每塊電容器板的歸一化電流與介質的相對于具體的電容器板的高度線性對應。為了使這一簡化措施不導致降低測量精度，用于實施按照本發明的方法的設備的優選的實施例在于，電容器板的與管道高度有關的寬度在具體的高度時總是與管道的寬度成比例。通過這一措施，保證分配給電容器板的電流與介質平面的高度成比例。
為了防止電容器板受化學侵蝕性介質的侵蝕，實施按照本發明的方法的設備的優選的實施例在于，電容器板至少基本上埋在管道的隔絕內襯中。在一般情況下，管道總設有這種內襯。該內襯的材質例如是聚四氟乙烯、PFA、聚胺酯、橡膠或類似物質。
特別是在結合一種用于測量體積流量的磁感應方法應用時，實施按照本發明的方法的設備的一個特別優選的實施例在于，第一和第二電容器板組的各一塊與介質接觸的電容器板用作磁感應體積流量測量儀的電極。通過該措施可保證，毋須把作為磁感應體積流量測量儀構件的其它電極裝入管道。
通過如下措施，即至少由兩塊，最好由4塊電容器板構成第二電容器板組，保證也能以置換的第一和第二電容器板組的角色實施發明的方法，由于提供了說明管道中的介質的相組份的兩個測量結果，因此，在相繼以兩個電容器板組的被置換的角色來實施按照本發明的方法的條件下，該措施可提高測量精度。在電容器板組之間的分離線不精確對準管道的垂直線的情況下，置換電容器板組的角色也能提高測量精度。
在電容器板組的角色被置換并在采取如下措施的情況下，即在第二電容器板組具有其組合與第一電容器板組的電容器板的組合一致的情況下由控制和評估電路進行電流接收，使按照本發明的方法得到特別簡化的措施在于實施按照本發明的方法的設備的如下特征，即第一和第二電容器板組相對于管道的垂直線為對稱結構。
用于確定開式的和封閉的管道中的流動介質的相組份的按照本發明的方法和實施按照本發明的方法的設備特別適于結合一種用于測量體積流量的方法和設備應用。因為公開的體積流量測量儀，以磁感應體積流量測量儀或超聲波體積流量測量儀只測量流動介質的速度，所以在該用于確定只部分地充有流動介質的液相的管道中體積流量的方法中，有必要確定液相組份。如前所述，借助按照本發明的方法和實施按照本發明的方法的設備能夠以特別有利的方式保證相組份的確定。
具體地說，存在許多可能性，用以構成用于確定開式和封閉管道中介質的相組份的、按照本發明的方法和實施按照本發明的方法的設備的實施例。為此，一方面參見前面說明的按照本發明的方法及其實施設備，另一方面，結合附圖參見對一個優選的實施例的說明。附圖所示為

圖1一個用于實施按照本發明的方法的設備的第一實施例的透視圖；圖2一個用于實施按照本發明的方法的設備的第二實施例的透視圖；圖3一個用于實施按照本發明的方法的設備的第三實施例的透視圖；圖4一個用于實施按照本發明的方法的設備的第二實施例與一磁感應體積流量測量儀相結合的透視圖；圖5一個用于實施按照本發明的方法的設備的第二實施例與一超聲波體積流量測量儀相結合的透視圖。
在圖1中示出了實施用于確定一個封閉管道中流動介質的相組份的、按照本發明的方法的設備的第一實施例。該設備的在圖1中所示的第一實施例具有四個全部基本上沿管道1的整個高度伸展的電容器板2、3、4、5。此外，在圖1中還示出了一個規定按照本發明的方法過程的控制和評估電路6。
圖1所示的電容器板2、3構成第一電容器板組7，電容器板4、5構成第二電容器板組8。在圖1中還可清楚地看出，第一電容器板組7和第二電容器板組8通過管道1的用點劃線表示的垂直線相互隔離。
在圖1中所示的、最低的電容器板2、4所覆蓋的高度分別低于被相應的電容器板組7、8的第2塊電容器板3、5所覆蓋的高度。由于圖1所示的管道1具有圓的截面，所以電容器板2、3、4、5的寬度自管道1的等高線起朝管道1的底部方向和朝管道1的頂部方向均逐漸縮窄，使電容器板2、3、4、5的與管道1的高度有關的寬度在具體的高度時與管道1的寬度成比例。
因為圖1中所示的、實施按照本發明的方法的設備沒有與用于確定體積流量的設備結合，所以在該情況下，雖在圖中沒有示出，但把電容器板2、3、4、5埋到管道1的隔絕內襯內是合適的。
在圖1所示的、實施按照本發明的方法的設備的第一實施例中，第一電容器板組7和第二電容器板組8相對于管道1的垂直線為對稱結構。
在對其它各圖所示的、實施按照本發明的方法的設備的實施例的說明中，用與圖1中的同樣標號表示其它實施例中其功能與第一實施例一致的構件。
圖2中所示的、實施按照本發明的方法的設備的第二實施例與圖1所示的第一實施例的區別在于，在第二實施例中，由四塊電容器板組9、10、11、12構成第一電容器板組7，第二電容器板組8只由一塊電容器板13構成。
圖3所示的、用于實施發明的方法的設備的第三實施例與上述實施例的區別之一是，管道14是一個開式管道，區別之二是，由四塊電容器板15、16、17、18及19、20、21、22分別構成第一電容器板組7及第二電容器板組8。因為在圖3所示的第三實施例中管道14的寬度與管道14的高度無關，所以電容器板15、16、17、18、19、20、21、22的寬度也與高度無關。
在圖4中示出了圖2所示的、實施按照本發明的方法的設備的第二實施例與一個磁感應體積流量測量儀相結合的形式。磁感應體積流量測量儀具有兩個以示意形式表示的、用于建立一個垂直于管道1的軸線的垂直磁場的勵磁線圈23、24和一個處理電路25。實施按照本發明的方法的設備的電容器板10、13用作該磁感應體積流量測量儀的電極。為能完成這一功能，在該與一磁感應體積流量測量儀結合的第二實施例中，至少電容器板10、13起碼部分地不是埋在管道1的隔絕內襯中，而是與管道1中的介質直接接觸。在圖4所示的磁感應體積流量測量儀中，處理電路25以公知的方式控制勵磁線圈23、24并且也以公知的方式評估用作電極的電容器板10、13的信號，以便據此提供流動介質流速的測量結果。在圖4中還示出了一個中央處理電路26，該中央處理電路26借助由控制和評估電路提供的相組份測量值和由處理電路25提供的流速測量值計算出通過管道1的流動介質的體積流量。
最后，在圖5中示出了實施按照本發明的方法的設備的第二實施例與一超聲波體積流量測量儀相結合的形式。該超聲波體積流量測量儀的結構本來與實施按照本發明的方法的設備完全無關。在管道1的面對的兩側相對地設有兩個相對于介質流動方向交錯的超聲波換能器27、28。該超聲波換能器27、28的發射信號和接收信號被一個處理電路29觸發和評估。與應用磁感應體積流量測量儀時一樣，通過該評估以本來公知的方式得出流動介質的一個速度值。與圖4所示的一個實施按照本發明的方法的設備與一個體積流量測量設備的結合形式一樣，在圖5所示的結合設備中，也通過一個中央的處理電路26借助由控制和評估電路6和處理電路29提供的測量信號計算出經過管道1的流動介質的體積流量。
下面借助對作為按照本發明的方法的基礎的物理過程的數學表達式來說明按照本發明的、用于確定開式和封閉管道中介質的相組份的方法。
按照本發明的方法基本上建筑在對第一電容器板組的一塊電容器板和譬如僅由一塊電容器板構成的第二電容器板組之間的電容的評估上。這兩塊電容器板之間的電容與處于這兩塊電容器板之間的介質的介電常數ε有很大的關系。其中，液相組份的介電常數遠遠大于介質的氣相組份的介電常數ε。在按照本發明的方法中，電容器板之間的電容的確定方式在于，向電容器板之一供以交流電壓并且測量通過從該電容器板出發的電場在第二塊電容器板上感應的電流。其中，交流電壓頻率的選擇準則在于能確保電容的良好測量精度，據此，交流電壓的頻率最好處于高頻范圍。在導電的介質中，在電容器板之間流動的電流除與介電常數ε有關外，還與介質的導電能力δ有關。與介電常數ε完全一樣，導電能力δ的變化與與介質有很大關系。導電能力δ的變化范圍可在10到5000μs/cm之間。據此，對電容器板裝置的電容的測量與介質的電氣特性有很大關系。
在具有所加的交流電壓的情況下，在電容器板之間實際流動的電流與電容器板裝置的阻抗有很大關系，阻抗中的容抗組份通過電容器板裝置的電容來確定。具有表面S和相互間距D的兩塊板的電容C為C=ϵ·SD]]>方程式1在該情況下，阻抗的第二組份通過兩塊電容器板之間的電阻來確定，對作為計算電容的基礎的電容器板裝置而言，上述電阻值為R=1σ·DS]]>方程式2據此，對上述裝置而言，得出的阻抗公值為Z=1R+jωC,]]>方程式3j＝虛數單位ω＝交流電壓的頻率。
據此，則下列方程式代表電容器板之間的電流與所加的電壓的關系。I=(σ+jϵω)SDU]]>方程式4
按照發明，由控制和評估電路相繼接收第一電容器板組的各塊電容器板和第二電容器板組的至少一塊電容器板之間的電流。為各個測出的電流得出如下關系式I1＝K1(σ+jεω)·f·U.
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I2＝K2(σ+jεω)·f·U.
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Ir＝Kr(σ+jεω)·f·U方程式5在方程式5中，常數K1、K2……Kr包含具體被控制的電容器板對的固有特性，如幾何設置、管道的內襯中的外圍材料等待。此外，方程式5中的f表示在第一電容器板組的分別被控制的電容器板上為介質平面所達的高度尺度。如果介質平面恰好接觸第一電容器板組的具體的電容器板的下緣，則f值近似于零。如果介質平面達到第一電容器板組具體的電容器板的上緣，則f值為1。
本發明的基本點是，借助第一電容器板組的其所處位置較低的電容器板的電流對第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的電流進行歸一化。如果借助第一電容器板組的其所處位置較低的電容器板的電流之和對第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的電流進行歸一化，則得出的最高的、譬如第i塊電容器板的歸一化電流αi如下αi=Ki(σ+jϵω)·f·UΣl=1i-1K1(σ+jϵω)·U=fKiΣl=1i=1K1]]>方程式6從方程式6中可看出按照本發明的方法的特殊優點，即介質的電氣特性在對電流進行歸一化時相互抵消。
按照本發明的方法，第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的歸一化電流作為衡量介質平面相對于該最高的電容器板的位置的尺度供支配。如果按照本發明的方法的一個實施例在介質平面分別處于電容器板的上緣和下緣時在為第一電容器板組的每塊電容器板的校準過程中接收歸一化電流，則在相宜設計電容器板的寬度的情況下，可根據管道的具體高度通過簡單的比例法計算出相對于該電容板的介質平面高度。當然由此高度可得出介質平面在管道內的高度，因為電容器板的位置是已知的。
權利要求
1.借助至少三塊全部主要沿管道的整個高度伸展的電容器板并借助一個控制和評估電路確定開式和封閉管道中介質的相組份的方法，該方法特別是結合一種確定體積流量的方法應用，在該方法中，由控制和評估電路向電容器板中的至少一個電容器板供以交流電壓并且由控制和評估電路接收在被供以交流電壓的電容器板和至少另一電容器板之間流動的電流，其特征在于，由控制和評估電路接收處于兩個不同的、通過管道的垂直線分隔的電容器板組中的至少兩塊電容器板之間的電流，由控制和評估電路相繼接收處于第一電容器板組的各個電容器板與第二電容器板組的至少一塊電容器板之間的電流，由控制和評估電路借助第一電容器板組的處于低位的電容器板的電流對第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的電流歸一化，并且由控制和評估電路以第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的歸一化電流作為衡量尺度對介質平面相對于第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的位置進行評估。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，借助第一電容器板組的處于低位的電容器板的電流之和對第一電容器板組的最高的、為介質平面所達的電容器板的電流進行歸一化。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于，由控制和評估電路相繼接收第一電容器板組的所有的、以第一電容器板組的位置最低的電容器板為起始的電容器板的序列的電流。
4.按照權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在介質平面處于電容器板的上緣時在對第一電容器板組的每塊電容器板校準的過程中分別接收歸一化電流。
5.按照權利要求4所述的方法，其特征在于，在介質平面處于下緣時在對第一電容器板組的每塊電容器板的校準過程中分別接收歸一化電流。
6.按照權利要求4或5所述的方法，其特征在于，由控制和評估電路在處于具體的電容器板下緣的介質平面和處于具體的電容板的上緣的介質平面之間使第一電容器板組的每塊電容器板的歸一化電流與介質的相對于具體的電容器板的高度線性對應。
7.按照權利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在第二電容器板組具有組合的電容器板的情況下由控制和評估電路進行電流接收。
8.按照權利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在第二電容器板組具有其組合與第一電容器板組的電容器板的組合一致的電容器板的情況下由控制和評估電路進行電流接收。
9.按照權利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在介質平面很低的情況下，直接從介質平面的高度中確定體積流量。
10.按照權利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，由控制和評估電路確定介質的導電能力和/或介電常數。
11.按照權利要求1至10之一所述的方法的實施設備，具有至少三塊全部主要沿管道(1)的整個高度伸展的電容器板(2～5、9～13、15～22)并具有一個控制和評估電路(6)，其特征在于，至少兩塊，最好是4塊電容器板(2、3、9～12、15～18)構成第一電容器板組(7)，至少一塊電容器板(4、5、13、19～22)構成第二電容器板組(8)，并且通過管道(1)的垂直線使第一電容器板組(7)和第二電容器板組(8)相互隔離。
12.按照權利要求11所述的設備，其特征在于，第一電容器板組(7)的最低的電容器板(2、9、15)所覆蓋的高度小于第一電容器板組(7)的其它任一塊電容器板(3、10～12、16～18)覆蓋的高度。
13.按照權利要求11或12所述的設備，其特征在于，電容器板(2～5、9～13、15～22)的與管道(1)的高度有關的寬度在具體的高度時總是與管道(1)的寬度成比例。
14.按照權利要求11至13之一所述的設備，其特征在于，電容器板(2～5、9～13、15～22)至少基本上埋在管道(1)的隔絕內襯中。
15.按照權利要求14所述的設備，其特征在于，第一電容器板組(7)和第二電容器板組(8)的各一塊與介質接觸的電容器板(10、13)用作磁感應體積流量測量儀的電極。
16.按照權利要求11至15之一所述的設備，其特征在于，至少由兩塊，最好由4塊電容器板(4、5、19～22)構成第二電容器板組(8)。
17.按照權利要求16所述的設備，其特征在于，第一電容器板組(7)和第二電容器板組(8)相對于管道(1)的垂直線為對稱結構。
全文摘要
一種開式和封閉管道中流動介質相組分的確定方法，由控制評估電路向電容板供以交流電并且接收管道垂直線分隔的兩組中的至少兩塊電容板間的電流。并相繼接收第一組中的每一塊與第二組中的至少一塊電容板間電流。對第一組的最高的、為介質平面所達的電容板電流歸一化，以此作為衡量尺度對電容板的位置進行評估。
文檔編號G01F1/64GK1158420SQ9611149
公開日1997年9月3日 申請日期1996年8月23日 優先權日1995年8月24日
發明者B·J·普特曼, H·尼波爾, A·J·范貝卡姆 申請人:克洛納有限公司