用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的振动流量计

摘要

一种用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的振动流量计(5)，所述振动流量计(5)包括一个或多个流量管道(103A、103B)。流量计组件(10)被配置为对于流流体而言生成在预定最小解耦频率之下的甚低频响应且对于流流体而言生成在预定最大解耦频率之上的甚高频响应，与外来材料尺寸或外来材料组成无关。仪表(100)还包括流量计电子装置(20)，其被配置为接收一个或多个甚低频振动响应和一个或多个甚高频振动响应并根据所述一个或多个甚低频振动响应和所述一个或多个甚高频振动响应确定所述一个或多个流流体特性。

权利要求

1.一种用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的振动流量计(5)，所述振动流量计(5)包括： 流量计组件(10)，其包括一个或多个流管道(103A、103B)，所述流量计组件(10)被配置为生成对于流流体而言在预定最小解耦频率之下的甚低频振动响应且生成对于流流体而言在预定最大解耦频率之上的甚高频振动响应，与外来材料尺寸或外来材料组成无关；

以及

流量计电子装置(20)，其被耦接到所述流量计组件(10)且被配置为接收一个或多个甚低频振动响应和一个或多个甚高频振动响应并根据所述一个或多个甚低频振动响应和所述一个或多个甚高频振动响应确定所述一个或多个流流体特性； 其中流量计电子装置被配置为使得解耦比Ap/Af对于甚低频振动而言为1∶1或接近

1∶1，并解耦比Ap/Af在甚高频振动下对于夹带气体而言为3∶1或接近3∶1且在甚高频振动下对于夹带固体而言等于3/(1+(2×ρp/ρf))，其中解耦比Ap/Af是外来材料颗粒振幅Ap与流管道振幅Af的比，其中ρp为外来材料颗粒的颗粒密度，而ρf为流体密度。

2.如权利要求1所述的振动流量计(5)，其中，所述流量计电子装置(20)被配置为使得在甚低频振动下对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上为无穷大，并且被配置为使得在甚高频振动下对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上为零。

3.如权利要求1所述的振动流量计(5)，其中，甚低频是低于预定最小声速/压缩性阈值，与外来材料尺寸或外来材料组成无关。

4.如权利要求1所述的振动流量计(5)，其中，所述甚低频振动响应对应于在3.5之上的反斯托克斯数，并且其中，所述甚高频振动响应对应于小于0.1的反斯托克斯数，其中反斯托克斯数δ为： 其中，η为流流体运动粘度，ω为以弧度为单位的振动频率，a 为颗粒半径。

5.如权利要求1所述的振动流量计(5)，其中，所述一个或多个流管道(103A、103B)被配置为通过流管道硬度、流管道长度、流管道纵横比、流管道材料、流管道厚度、流管道形状、或者一个或多个振动节点位置中的一个或多个的配置来实现所述甚低频振动响应和所述甚高频振动响应。

6.如权利要求1所述的振动流量计(5)，其中，所述振动流量计被配置为在第一弯曲模式和更高弯曲模式频率下工作。

7.如权利要求1所述的振动流量计(5)，其中，所述振动流量计在多个频率下工作以生成多个振动响应，其中，对所述多个振动响应进行比较，以便确定多相效应的近似开始。

8.如权利要求1所述的振动流量计(5)，其中，包括两个或更多个流量计组件(10)，所述两个或更多个流量计组件(10)被振动以生成所述甚低频振动响应和所述甚高频振动响应。

9.一种用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的方法，所述方法包括： 使振动流量计组件振动以产生对于所述流流体而言在预定最小解耦频率之下的一个或多个甚低频振动响应并使所述振动流量计组件振动以产生对于所述流流体而言在预定最大解耦频率之上的一个或多个甚高频振动响应，与外来材料尺寸或外来材料组成无关，其中甚低频振动导致1∶1或接近1∶1的解耦比Ap/Af且甚高频振动导致对于夹带气体而言为3∶1或接近3∶1和对于夹带固体而言等于3/(1+(2×ρp/ρf))的解耦比Ap/Af，其中解耦比Ap/Af是外来材料颗粒振幅Ap与流管道振幅Af的比，其中ρp为外来材料颗粒的颗粒密度，而ρf为流体密度； 接收一个或多个甚低频振动响应和一个或多个甚高频振动响应；以及

根据所述一个或多个甚低频振动响应和所述一个或多个甚高频振动响应来确定所述一个或多个流流体特性。

10.如权利要求9所述的方法，其中，甚低频振动导致对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上无穷大，且甚高频振动导致粘度实际上为零。

11.如权利要求9所述的方法，其中，甚低频是在预定最小声速/压缩性阈值之下，与外来材料尺寸或外来材料组成无关。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述甚低频振动响应对应于在3.5之上的反斯托克斯数，并且其中，所述甚高频振动响应对应于小于0.1的反斯托克斯数，其中反斯托克斯数δ为： 其中，η为流流体运动粘度，ω为以弧度为单位的振动频率，a为颗粒半径。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述振动流量计组件被配置为在第一弯曲模式和更高弯曲模式频率下工作。

14.如权利要求9所述的方法，其中，所述振动流量计组件在多个频率下工作以生成多个振动响应，其中，对所述多个振动响应进行比较，以便确定多相效应的近似开始。

15.如权利要求9所述的方法，其中，使振动流量计组件产生所述甚低频振动响应和所述甚高频振动响应的振动包括使两个或更多个振动流量计组件振动。

16.一种形成用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的振动流量计的方法，所述方法包括： 至少基于预期流流体来确定用于所述振动流量计的至少一个预 定甚低频振动响应和至少一个预定甚高频振动响应，对于所述流流体而言，所述至少一个预定甚低频振动响应在预定最小解耦频率之下且所述至少一个预定甚高频振动响应在预定最大解耦频率之上，与外来材料尺寸或外来材料组成无关，其中甚低频振动导致1∶1或接近1∶1的解耦比AD/Af且甚高频振动导致对于夹带气体而言为3∶1或接近3∶1且对于夹带固体而言等于3/(1+(2×ρp/ρf))的解耦比Ap/Af，其中解耦比Ap/Af是外来材料颗粒振幅Ap与流管道振幅Af的比，其中ρp为外来材料颗粒的颗粒密度，而ρf为流体密度； 基于所述至少一个预定甚低频振动响应和所述至少一个预定甚高频振动响应来选择一个或多个流管道设计特性，所述一个或多个流管道设计特性被选择为基本上实现所述至少一个预定甚低频振动响应和所述至少一个预定甚高频振动响应；以及 构造采用所选一个或多个流管道设计特性的所述振动流量计。

17.如权利要求16所述的方法，其中，至少一个预定甚低频振动导致对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上无穷大且至少一个甚高频振动导致粘度实际上为零。

18.如权利要求16所述的方法，其中，至少一个预定甚低频是在预定最小声速/压缩性阈值之下，与外来材料尺寸或外来材料组成无关。

19.如权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个预定甚低频振动响应对应于在3.5之上的反斯托克斯数且所述至少一个预定甚高频振动响应对应于小于0.1的反斯托克斯数，其中反斯托克斯数δ为： 其中，η为流流体运动粘度，ω为以弧度为单位的振动频率，a为颗粒半径。

20.如权利要求16所述的方法，其中，所述振动流量计被配置为在第一弯曲模式和更高弯曲模式频率下工作。

21.如权利要求16所述的方法，其中，所述振动流量计在多个频率下工作以生成多个振动响应，其中，对所述多个振动响应进行比较，以便确定多相效应的近似开始。

说明书

用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的振动流量

计

技术领域

[0001] 本发明涉及流量计，更特别地涉及用于确定多相流流体(flow fluid)的一个或多个流流体特性的振动流量计。

背景技术

[0002] 诸如Coriolis质量流量计和振动密度计等振动流量计通常通过检测包含流动或非流动流体的振动管道的运动进行操作。可以通过处理从与管道相关联的运动换能器接收到的测量信号来确定与管道中的材料相关联的性质，诸如质量流量、密度等等。充满振动材料的系统的振动模式通常受到容装管道和包含在其中的材料的联合的质量、硬度和阻尼特性的影响。

[0003] 典型振动流量计包括在管线或其它输送系统中连接的一个或多个管道并在系统中传送例如流体、浆料(slurry)等材料。可以将管道视为具有一组自然振动模式，包括例如简单弯曲、扭转、径向和耦合模式。在典型的测量应用中，随着材料流过管道，在一个或多个振动模式下激励管道，并在沿着管道间隔开的点处测量管道的运动。通常由以周期性的方法扰乱管道的致动器来提供该激励，所述致动器例如为机电装置，诸如音圈式驱动器。可以通过流流体的谐振频率来获得流体密度。可以通过在换能器位置处测量运动之间的时间延迟或相位差来确定质量流速。通常采用两个此类换能器(或运动敏感传感器，pickoff sensor)以便测量流管道的振动响应，且其通常位于所述致动器的上游和下游的位置处。所述两个运动敏感传感器通过电缆连接、诸如通过独立的两对导线连接到电子仪器。该仪器从两个运动敏感传感器接收信号并处理该信号以便导出质量流速测量结果。

[0004] 流量计用来执行用于多种流体流的质量流速和/或密度测量并提供用于单相流的高精确度。使用振动流量计的一个领域是油气井输出的测定。此类井的产物可以包括多相流，包括液体并且包括可以在流流体中夹带的气体和/或固体。因此，油田流流体可能包括例如油、水、空气或其它气体、和/或沙子或其它土壤颗粒。然而，当使用振动流量计来测量包括夹带气体和/或固体的流流体时，流量计的精确度可能明显降低。非常期望的是，即使是对于此类多相流而言，所得到的测定仍尽可能地精确。

[0005] 所述多相流可以包括夹带气体，尤其是有气泡的气流。多相流可以包括夹带固体或夹带固体颗粒、诸如凝结物的混合物等。此外，所述多相流可以包括不同密度的液体，例如，诸如水和石油组分。各相可以具有不同的密度、粘度或其它性质。

[0006] 在多相流中，流管道的振动不一定使夹带气体/固体与流流体完全同相地运动。这种振动异常称为解耦(或分离，decoupling)或滑动。例如，气泡可能变得从流流体解耦，影响振动响应和任何随后导出的流特性。在流量计振动时，小气泡通常与流流体一起运动。
然而，较大的气泡在流管道的振动期间不与流流体一起运动。作为替代，气泡可以从流流体解耦并可以独立地运动，夹带气泡在每个振动运动期间比流流体运动得更远且更快。这不利地影响流量计的振动响应。对于在流流体中夹带的固体颗粒也是如此，其中，固体颗粒在增加的颗粒尺寸或振动频率下越来越可能从流流体的运动解耦。该解耦甚至可以在多相流包括不同密度和/或粘度的液体的情况下发生。已发现解耦动作作用受到各种因素的影响，例如，诸如流流体的粘度和流流体与外来材料之间的密度差异。

[0007] 除由气泡和颗粒的相对运动引起的问题之外，当测量流体的声速低或流量计的振动频率高时，Coriolis流量计可能经历来自声速(SOS)、或压缩性的精确度退化效应。液体具有比气体高的声速，但是从两者的混合物得到最低的速度。在液体中夹带的甚至少量气体也导致混合物的声速的急剧降低，低于任一相的声速。

[0008] 流管的振荡产生声波，该声波在流量计的驱动频率下沿横向振荡。当流体的声速高时，如在单相流体中，用于跨越圆形管道的横向声波的第一声模处于比驱动频率高得多的频率。然而，当声速由于气体到液体的添加而下降时，声模的频率也下降。当声模和驱动模式的频率接近时，由于驱动模式产生的声模的非谐振激励而导致流量计误差。

[0009] 对于低频流量计和典型工艺压力而言，声速效应存在于多相流中，但通常相对于流量计的指定精确度而言是可忽略的。然而，对于在用有气泡的液体在低压力下工作的高频Coriolis流量计而言，声速可以低到足以由于驱动和流体振动模式之间的相互作用而引起显著的测量误差。

[0010] 气泡的尺寸可以根据存在的气体的量、流流体的压力、温度、以及气体到流流体中的混合程度而变。性能的下降程度不仅与总共存在多少气体有关，而且与流中的单独气泡的尺寸有关。气泡的尺寸影响测量的精确度。较大的气泡占用更多的体积并解耦至更大的程度，导致流流体的密度和测量密度的波动。由于气体的压缩性，气泡可能在气体量或质量方面变化，不一定在尺寸方面变化。相反，如果压力改变，则气泡尺寸可能相应地改变，随着压力下降而膨胀或随着压力增大而缩小。这还可能引起流量计的自然或谐振频率的变化。

[0011] 现有技术振动流量计通常被设计为用于约100至300赫兹(Hz)的工作频率，一些流量计在500与1000Hz之间的频率下工作。通常选择现有技术振动流量计中的工作频率，以便有助于流量计设计、生产和操作。例如，现有技术振动或Coriolis流量计被配置为在物理上是紧凑的且在尺寸方面基本上是统一的。例如，现有技术流量计的高度通常小于长度，提供低的高度与长度纵横比H/L和相应的高驱动频率。流量计用户优选小的总尺寸，以便简化安装。此外，流量计设计一般假设均匀、单相流体流且被设计为在此类均匀流流体的情况下最佳地工作。

[0012] 在现有技术中，流量计通常具有低的高度与长度纵横比H/L。直管道流量计的高度与长度纵横比为零，其通常产生高驱动频率。弯曲的流管道通常用来防止长度称为主维度并将增大高度与长度纵横比H/L。然而，现有技术流量计未设计有高的纵横比。现有技术中的弯曲或弯管道流量计可以具有例如接近1.3的高度与长度纵横比。

[0013] 在本领域中依然存在对能够准确且可靠地测量多相流流体的振动流量计的需要。

发明内容

[0014] 在本发明的一方面，一种用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的振动流量计包括：

[0015] 流量计组件，包括一个或多个流管道，所述流量计组件被配置为生成对于流流体而言在预定最小解耦频率之下的甚低频响应且生成对于流流体而言在预定最大解耦频率之上的甚高频响应，与外来材料尺寸或外来材料组成无关；以及

[0016] 流量计电子装置，其被耦接到所述流量计组件且被配置为接收一个或多个甚低频振动响应和一个或多个甚高频振动响应并根据所述一个或多个甚低频振动响应和所述一个或多个甚高频振动响应确定所述一个或多个流流体特性。

[0017] 优选地，所述流量计电子装置被配置为使得解耦比Ap/Af对于甚低频而言约为1∶1，并被配置为使得解耦比Ap/Af在甚高频下对于夹带气体而言约为3∶1且在甚高频下对于夹带固体而言约等于3/(1+(2×ρp/ρf))。

[0018] 优选地，所述流量计电子装置被配置为使得在甚低频下对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上为无穷大，并且被配置为使得在甚高频下对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上为零。

[0019] 优选地，所述甚低频低于预定最小SOS/压缩性阈值，与外来材料尺寸或外来材料组成无关。

[0020] 优选地，所述甚低频振动响应对应于在约3.5之上的反斯托克斯数δ且所述甚高频振动响应对应于小于约0.1的反斯托克斯数δ。

[0021] 优选地，所述一个或多个流管道被配置为通过流管道硬度、流管道长度、流管道纵横比、流管道材料、流管道厚度、流管道形状、流管道几何形状、或一个或多个振动节点位置中的一个或多个的配置来实现所述甚低频和所述甚高频。

[0022] 优选地，所述振动流量计被配置为在第一弯曲模式和更高弯曲模式频率下工作。

[0023] 优选地，所述振动流量计在多个频率下工作以生成多个振动响应，其中，对所述多个振动响应进行比较，以便确定多相效应的近似开始。

[0024] 优选地，所述流量计组件包括两个或更多个流量计组件，所述两个或更多个流量计组件被振动以生成所述甚低频响应和所述甚高频响应。

[0025] 在本发明的一方面，一种用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的方法包括：

[0026] 使振动流量计组件在对于流流体而言在预定最小解耦频率之下的一个或多个甚低频下振动并使振动流量计组件在对于流流体而言在预定最大解耦频率之上的一个或多个甚高频下振动，与外来材料尺寸或外来材料组成无关；

[0027] 接收一个或多个甚低频振动响应和一个或多个甚高频振动响应；以及

[0028] 根据所述一个或多个甚低频振动响应和所述一个或多个甚高频振动响应来确定所述一个或多个流流体特性。

[0029] 优选地，所述一个或多个甚低频导致约1∶1的解耦比Ap/Af且所述一个或多个甚高频导致对于夹带气体而言约为3∶1和对于夹带固体而言等于3/(1+(2×ρp/ρf))的解耦比Ap/Af。

[0030] 优选地，所述一个或多个甚低频导致对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上无穷大，且所述一个或多个甚高频导致粘度实际上为零。

[0031] 优选地，所述一个或多个甚低频在预定最小SOS/压缩性阈值之下，与外来材料尺寸或外来材料组成无关。

[0032] 优选地，所述一个或多个甚低频振动响应对应于在约3.5之上的反斯托克斯数δ且所述一个或多个甚高频振动响应对应于小于约0.1的反斯托克斯数δ。

[0033] 优选地，所述振动流量计被配置为在第一弯曲模式和更高弯曲模式频率下工作。

[0034] 优选地，所述振动流量计在多个频率下工作以生成多个振动响应，其中，对所述多个振动响应进行比较，以便确定多相效应的近似开始。

[0035] 优选地，使所述振动流量计组件在所述一个或多个甚低频下和在所述一个或多个甚高频下振动包括使两个或更多个振动流量计组件振动。

[0036] 在本发明的一方面，一种形成用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的振动流量计的方法包括：

[0037] 至少基于预期流流体来确定用于所述振动流量计的至少一个预定甚低频和至少一个预定甚高频，对于所述流流体而言，所述至少一个预定甚低频在预定最小解耦频率之下且所述至少一个预定甚高频在预定最大解耦频率之上，与外来材料尺寸或外来材料组成无关；

[0038] 基于所述至少一个预定甚低频和所述至少一个预定甚高频来选择一个或多个流管道设计特性，所述一个或多个流管道设计特性被选择为基本上实现所述至少一个预定甚低频和所述至少一个预定甚高频；以及

[0039] 构造采用所选一个或多个流管道设计特性的所述振动流量计。

[0040] 优选地，所述至少一个预定甚低频导致约1∶1的解耦比Ap/Af且所述至少一个预定甚高频导致对于夹带气体而言约为3∶1且对于夹带固体而言约等于3/(1+(2×ρp/ρf))的解耦比Ap/Af。

[0041] 优选地，所述至少一个预定甚低频导致对于所述流流体而言粘度关于粒子运动实际上无穷大且所述至少一个甚高频导致粘度实际上为零。

[0042] 优选地，所述至少一个预定甚低频在预定最小SOS/压缩性阈值之下，与外来材料尺寸或外来材料组成无关。

[0043] 优选地，所述至少一个预定甚低频对应于在约3.5之上的反斯托克斯数δ且所述至少一个预定甚高频对应于小于约0.1的反斯托克斯数δ。

[0044] 优选地，所述振动流量计被配置为在第一弯曲模式和更高弯曲模式频率下工作。

[0045] 优选地，所述振动流量计在多个频率下工作以生成多个振动响应，其中，对所述多个振动响应进行比较，以便确定多相效应的近似开始。

[0046] 优选地，使所述振动流量计组件在所述一个或多个甚低频下和在所述一个或多个甚高频下振动包括使两个或更多个振动流量计组件振动。

附图说明

[0047] 在所有图中，相同的附图标记表示相同的元件。应理解的是附图不一定按比例绘制。

[0048] 图1示出根据本发明的振动流量计。

[0049] 图2示出根据本发明的实施例的甚低频振动流量计。

[0050] 图3是对于图表所示的示例中的达到100Hz的甚低工作频率而言的解耦效应对比频率的图表。

[0051] 图4是对于图表所示的示例中的达到100Hz的甚低工作频率而言的解耦相位角对比频率的相应图表。

[0052] 图5是根据本发明的用于甚低或甚高频振动流量计的解耦比对比密度比的图表。

[0053] 图6示出根据本发明的甚低频振动流量计的一部分。

[0054] 图7示出举例说明振动流量计中的多相流中的误差源的简单自由体图示。

[0055] 图8描绘充满稠密流流体的振动流量计的管内部的半径的相对轻的颗粒的运动。

[0056] 图9示出流管的四分之一振荡上的颗粒与流体之间的总相对运动，包括重心(CG)的位置变化。

[0057] 图10给出颗粒和液体组分的重心的位置。图11是解耦密度误差对比颗粒密度的图表。

[0058] 图12是用于流体粘度对比颗粒尺寸的密度误差的表面图。

[0059] 图13是用于流体粘度对比颗粒密度的密度误差的表面图。

[0060] 图14是用于管道振幅对比振动频率的密度误差的表面图。

[0061] 图15是示出来自Coriolis流量计的甚低频模式、中频模式、甚高频模式的总密度误差的模拟结果的图表。

[0062] 图16示出根据本发明的实施例的甚高频振动流量计。

[0063] 图17是根据本发明的用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的方法的流程图。

具体实施方式

[0064] 图1～17和以下说明描绘特定示例以教授本领域的技术人员如何完成并使用本发明的最佳模式。出于教授本发明原理的目的，已将一些传统方面简化或省略。本领域的技术人员将认识到这些示例的在本发明范围内的偏离。本领域的技术人员将认识到可以以各种方式将下述特征组合以形成本发明的多个变体。结果，本发明不限于下述特定示例，而是仅仅由权利要求及其等价物来限制。

[0065] 图1示出根据本发明的振动流量计5。振动流量计5被设计为测量流流体的流体特性，包括测量流动或静止的流流体。在一个实施例中，振动流量计5包括Coriolis流量计。在另一实施例中，振动流量计5包括振动密度计。

[0066] 振动流量计5包括流量计组件10和流量计电子装置20。流量计电子装置20经由引线100连接到流量计组件10并被配置为通过通信路径26来提供密度、质量流速、体积流速、总质量流量、温度中的一个或多个的测量结果、及其它信息。本领域的技术人员应认识到可以在任何类型的振动流量计中使用本发明，与驱动器、运动敏感传感器、流管道、或振动的工作模式的数目无关。应认识到流量计5包括振动密度计和/或Coriolis质量流量计。

[0067] 流量计组件10包括一对凸缘101和101′、歧管102和102′、驱动器104、运动敏感传感器105和105′、以及流管道103A和103B。驱动器104和运动敏感传感器105和105′连接到流管道103A和103B。

[0068] 在一个实施例中，如图所示，流管道103A和103B包括基本上为U形的流管道。替代性地，在其它实施例中，所述流管道可以包括基本直的流管道。然而，还可以使用其它形状且其在本说明书和权利要求的范围内。

[0069] 凸缘101和101′被附着于歧管102和102′。歧管102和102′可以附着于隔离物106的相对末端。隔离物106保持歧管102和102′之间的间距，以避免流管道103A和103B中的不期望振动。当流量计组件10被插入载送被测量的流流体的管道系统(未示出)中时，流流体通过凸缘101进入流量计组件10，经过进口歧管102，在那里，流流体的总量被指引进入流管道103A和103B，流流体流过流管道103A和103B并返回到出口歧管102′，在那里，其通过凸缘101′离开流量计组件10。

[0070] 流管道103A和103B被选择并适当地安装到进口歧管102和出口歧管102′，从而具有分别关于弯曲轴线W-W和W′-W′的基本上相同的质量分布、惯性动量和弹性模数。流管道103A和103B以基本平行的方式从歧管102和102′向外延伸。

[0071] 流管道103A和103B被驱动器104沿着关于各弯曲轴线W和W′相反的方向且在流量计5的所谓第一异相弯曲模式下驱动。然而，如果需要，可以替代性地在第二异相弯曲模式或更高模式下使流管道103A和103B振动。这可以针对校准或测试活动、流体粘度测试进行，或者用于获得不同振动频率下的测量值。驱动器104可以包括许多众所周知的布置之一，诸如安装到流管道103A的磁体和安装于流管道103B的反作用线圈。交流电通过所述反作用线圈而促使两个管道振荡。可以由流量计电子装置20经由引线110向驱动器104施加适当的驱动信号。

[0072] 流量计电子装置20分别在引线111和111′上接收传感器信号。流量计电子装置20在引线110上产生驱动信号，该驱动信号导致驱动器104使流管道103A和103B振荡。
流量计电子装置20处理来自运动敏感传感器105和105′的左和右速度信号以便计算质量流速。通信路径26提供允许流量计电子装置20与操作员或与其它电子系统相交互的输入和输出装置。图1的说明仅仅是作为振动流量计的操作示例而提供的且并不意图限制本发明的教导。

[0073] 当作为密度计操作时，流量计5可以测量单相或多相流的密度。多相流密度的测量存在问题，因为密度测量将受到包括夹带气体或夹带固体的多相流的组分的影响。流量计5将测量混合物的密度，但通常期望的是密度测量结果仅仅是液体组分的密度，因为任何夹带气体或固体一般将包括不期望的组分。不仅气泡或固体引起真实混合物密度的变化，而且解耦及其它多相误差机制也引起远离混合物密度的附加误差。

[0074] 通过确定流管道振荡的谐振(即自然)频率在振动流量计中测量密度。流流体的密度越大，流量计组件10的质量越大且总体上流量计组件10的自然频率越低。流量计5的密度测量与流速无关且可以用流动或不流动流体来测量。

[0075] 流量计5可以测量存在两个或更多个组分时的密度且可以生成用于多相流流体的混合物密度ρmixture。如果假设不存在由于解耦、不对称、声速或其它多相效应而引起的误差，则如下面的等式(1)所示，由振动流量计所测量的密度将非常接近于实际混合物密度。如果流组分的密度是已知的，则可以估计单独组分的质量流速，假设没有气泡滑移。 项表示该组分的体积分数。单独的分数相加必须为一。

[0076]

[0077] 如果存在单个夹带相，则对仅测量液体密度感兴趣的用户将遭受与体积分数成比例的误差。可以将用于多相流流体的密度误差表示为：

[0078]3

[0079] 例如，如果用户预期1000kg/m 的液体密度，但流体具有10％体积分数的夹带气体，则现有技术Coriolis质量流量计(在现有技术振动频率下工作)将粗略地测量到3 3
900kg/m，产生(-100)kg/m 的密度误差。即使现有技术流量计已正确地测量包括液体组分和气体组分两者的混合物密度，用户将其解释为与期望液体密度的-10％的误差。随后通过用测量的多相质量流速除以测量的多相密度来得到体积流速，因此混合物体积流速高于液体流速约10％。然而，用户通常期望多相流流体的仅液体组分的质量流速或体积流速。

[0080] 密度的误差由于因解耦效应和SOS/压缩性效应引起的误差而进一步混杂，解耦效应和SOS/压缩性效应两者都是由于多相流流体的振动而引起的。单相的振动将不表现出解耦和SOS/压缩性效应。

[0081] 测量误差在包括夹带气体的多相流流体中被加剧。夹带气体将比夹带固体表现出更多的解耦和更多的SOS/压缩性效应。这是由于导致相之间相对运动的气体和液体之间的大密度差和导致不期望的非谐振振动响应的混合物压缩性而引起的。夹带固体将不遭受压缩性效应，但是将表现出由于解耦和粘度效应而引起的误差。固体的解耦效应不像气体的那么严重，但仍将影响测量。

[0082] 在本文中通过使流量计5在特定振动频率(产生已知解耦和压缩性效应的频率)下工作来解决测量误差。已经发现流量计5在这些振动极限下的工作允许确定用于密度、质量流量及其它变量的正确测量结果。

[0083] 已经发现在甚低振动频率下，外来材料(无论是气体还是固体)的解耦实际上是不存在的，且解耦比约为1∶1，即夹带气体或固体颗粒与流流体的液体组分运动相同的距离。同样地，在甚低振动频率下，流流体的粘度如同其近似无穷大一样起作用，其中，夹带外来材料与流流体一起运动。此外，在甚低振动频率下，不存在SOS/压缩性效应。结果，可以将解耦比(Ap/Af)假设为一，可以将压缩假设为零(其中，声速c被假设为流流体的SOS)，并且粘度被假设为无穷大值(即，类似于固体)。

[0084] 应理解的是，最常见并最容易且费用最低的方法是避免多相流流体。然而，这并不总是实际或可能的。本文所讨论的方法不是为了避免多相解耦和SOS/压缩性效应，而是以产生已知且基本上恒定的误差效应的方式来操作流量计。结果，流测量结果的推导被简化。然后可以消除测量误差。

[0085] 已经发现在非常高的振动频率下，解耦效应可以达到上限。此上限提供在此以前未被意识到的益处。因此，解耦是已知且可预测的。例如，对于夹带气体而言，解耦接近约3∶1的解耦比，其中，气泡的运动距离约为流流体的液体组分运动距离的三倍。对于夹带固体而言，在非常高的振动频率下，解耦比将约等于量3/(1+(2×ρp/ρf))。如果固体颗粒的密度比液体大得多，则夹带固体颗粒将在液体组分随着流管道振动而运动的同时基本上保持静止。在非常高的振动频率下，流流体的粘度如同其近似为零一样起作用，夹带外来材料不受流体粘度的约束。

[0086] 压缩性将不适用于夹带固体。因此，甚高频振动流量计5可以在等于或大于用于解耦的上限频率的频率下振动。可以使用常规技术来补偿所得到的任何SOS/压缩性效应。

[0087] 液体具有比气体高的声速，但是从两者的混合物得到最低的速度。向液体添加甚至少量的气体也导致混合物的声速的急剧降低，低于任一相的声速。少量气体显著地增加混合物压缩性，而混合物密度保持与液体的密度接近。

[0088] 当流体的声速高时，如在单相流体中，用于跨越圆形管道的横向声波的第一声模处于比驱动频率高得多的频率。然而，当声速由于气体到液体的添加而下降时，声模的频率也下降。

[0089] 对于低频流量计和典型工艺压力而言，声速效应存在于多相流中，但通常相对于流量计的指定精确度而言是可忽略的。然而，对于在有气泡的液体的情况下在低压力下操作的高频振动流量计而言，声速可以低到足以由于驱动和流体振动模式之间的相互作用而引起显著的测量误差。

[0090] 振动流量计中的声速效应的更物理学的解释是当混合物的压缩性高到足以允许管中的流体在每个振荡上被抵靠着管的外壁压缩时使流体进行此类运动。这样，声速效应与解耦效应的相似之处在于由重心位置的运动而引起实际误差。差别在于，声速效应导致更重流体被推到管的外壁，而解耦导致更重的流体被推到管的内壁。因此，声速误差是正的而解耦误差是负的。

[0091] 因此，流量计5可以在甚低频或甚高频下工作。可以如下文所讨论的采用所得到的测量结果(参见图17的随附讨论)。特别地，可以使用以上假设或已知值以便导出改善的密度和/或质量流量测量结果，以及其他测量结果。

[0092] 振动流量计5被设计为当流流体包括多个相时准确且可靠地测量流流体。在一些实施例中，多相流流体可以包括夹带气体，其中，所述夹带气体可以包括有气泡的流。所述夹带气体可以包括各种尺寸的气泡。夹带气体在现有技术振动流量计是成问题的。夹带气体、尤其是中等至大气泡，能够独立于流流体而运动并引起测量误差或不确定性。另外，由于气体的压缩性随着流流体的工作压力而变，所述夹带气体能够引起变化的测量效果。

[0093] 在一些实施例中，多相流流体可以包括夹带固体，其中，所述夹带固体可以包括浆料。一个示例包括石油流中的沙子或土壤颗粒。所述夹带固体可以独立于流流体而运动并引起测量误差和/或不确定性。

[0094] 在一些实施例中，所述多相流可以包括不同的液体，诸如不能被混合在一起的不可混合液体。例如，所述流流体可以包括水和油两者。在流体流组分具有不同密度的情况下，流体流组分可能在流量计振动期间经历一些解耦。外来物体的密度可能比流流体低。外来物体的密度可能比流流体高。

[0095] 在操作中，可以使振动流量计5在甚低频和/或甚高频下振动。甚低频可以包括第一弯曲模式振动。然而，可以预期其它振动模式且其在本说明书和权利要求的范围内。例如，在一些实施例中，可以在预定低频下非谐振地驱动流量计组件10，其中，随后测量出质量流速(和/或其它流特性)。因此，所述预定低频可以小于谐振频率。所得到的质量流量测量结果将基本上不受解耦和SOS效应的影响且可以通过预定低频下的相测量来确定。所述预定低频可以被选择为对应于大于阈值的反斯托克斯数δ，所述阈值被选择为基本上消除多相误差。由于频率是被特别选择而不是测量的这一事实，所以非谐振频率下的密度测量将是不可能的。此类操作的困难是管道的响应振幅由于非谐振振动而将是小的。然而，可以通过输入附加驱动功率或通过对相测量结果求平均以帮助拒绝噪声来克服此困难。

[0096] 如前文所讨论的，流流体可以是静止或流动的。结果，当在甚低频下振动时，流量计5产生甚低频振动响应。

[0097] 替代性地，流量计5可以产生甚高频振动响应。该甚高频可以包括第一弯曲模式振动。替代性地，所述甚高频可以包括第二、第三或更高弯曲模式振动。然而，可以预期诸如非谐振振动等其它振动且其在本说明书和权利要求的范围内。结果，甚高频振动流量计5产生甚高频振动响应。处理所述甚高频振动响应以便确定例如响应频率、响应振幅、以及传感器之间的响应相位延迟。所述甚高响应频率可以用来确定一个或多个流流体特性，包括质量流速、密度、粘度等等。

[0098] 处理所述甚低频或甚高频振动响应以便至少确定响应频率。所述响应频率可以用来确定一个或多个流流体特性，包括质量流速、密度、粘度等等。下面进一步讨论流量计5的甚低频和/或甚高频性质。

[0099] 振动流量计5的优点是，在一些实施例中，如果需要可以使流量计5在较高频率下工作。这可以在未预期多相流的情况下进行。例如，如果流量计5被安装在分离器设备的下游，则流流体可以是可接受地均匀的且没有夹带外来材料。在这种情况下，可以使流量计5在较高频率下、诸如在第二、第三或第四弯曲等模式下操作，其中，所述较高阶弯曲模式例如包括流量计谐振频率的多次波或谐波。

[0100] 在一些实施例中，可以使振动流量计5在多个振动频率下工作。所述多个振动频率可以包括在不同的时间使振动流量计组件10以交替频率或不同的频率振动。替代性地，可以同时使流量计组件10以多个振动频率振动。

[0101] 可以比较在不同的谐振或非谐振频率下获得的多个质量流量测量结果以确定是否存在多相流并确定多相误差幅值。例如，如果在10、20和30Hz下获得的质量流量测量结果是基本相同的，但在40Hz下获得的质量流量测量结果明显偏离先前的测量结果，则可以确定在30Hz振动频率之上的某处正在发生多相误差，并且可以生成多相指示。

[0102] 驱动频率是这样的频率，在该频率处使一个或多个流管道103A和103B振动以便测量流流体的流特性。例如，可以将驱动频率选择为处于流流体谐振频率，或者其可以包括一个或多个谐振频率谐波、较高弯曲模式频率或谐振频率之上或之下的非谐振频率。因此，所述驱动频率可以不同于振动响应频率且可以根据流流体的构成而变。另外，驱动频率可能受到流量计的硬度特性的影响。随着硬度特性的增加，驱动频率将增加。结果，降低流管道硬度将导致较低的流管道谐振频率。如下文所讨论的，流管道硬度可以以多种方式改变。

[0103] 可以通过适当的设计参数来实现流量计5的甚低频或甚高频能力。制造振动流量计5时的基本考虑因素是可以改变流量计的有效弯曲模式硬度以便修改工作频率和/或谐振(或自然)频率。可以以任何方式来实现流量计硬度的变化且如何实现流量计硬度变化是不重要的。然而，下面讨论了多种可能方式。

[0104] 流量计硬度中的一个因素是流管道长度。所述流量计长度基本上与流量计硬度相关联，其中，增大流量计长度将转换为流量计硬度和工作频率的一些下降。因此，可以选择流量计长度以便实现至少一些流量计硬度变化。

[0105] 流量计硬度中的一个因素是流管道纵横比。出于本讨论的目的，流量计纵横比被定义为流量计高度H除以流量计长度L，其中，纵横比＝H/L(参见图2)。在高度H小于长度L的情况下，高度与长度纵横比H/L将小于一。在流量计是直流量计的情况下，高度与长度纵横比H/L将实际上为零。在高度H大于长度L的情况下，高度与长度纵横比H/L将大于一。例如，在图2的流量计5中，高度与长度纵横比H/L将明显大于一且能够达到相对高的数。结果，可以增大高度与长度纵横比H/L以便降低流量计硬度，并且可以减小纵横比H/L以便增加流量计硬度。

[0106] 一些流量计制造商使用包括长度与高度L/H纵横比的相反规则。按照此类规则的直管流量计将具有接近无穷大的长度与高度纵横比，使得此纵横比规则相对无益。

[0107] 流量计硬度中的一个因素是流管道材料。可以选择流管道材料以便增加或降低流量计硬度。

[0108] 流量计硬度中的一个因素是流管道厚度。可以改变流管道厚度以便修改流量计硬度。然而，实际上，流管道厚度的显著减小可能导致压力能力降低和不足的耐用性或坚固性。

[0109] 流量计硬度中的一个因素是流管道形状。可以以任何期望的方式来修改流管道形状，包括使用基本上为圆形、椭圆形、矩形、不规则形状或其它适当形状的管道。

[0110] 流量计硬度中的一个因素是流管道几何结构。可以以任何期望的方式来实现流管道几何结构，例如，包括使用适当的直和弯曲区段。例如，U形流管道的硬度低于具有相同长度的直管流量计的硬度。

[0111] 流量计频率中的一个因素是流管道质量。在所有其它因素不变的情况下，流量计组件10的谐振频率将随着流管道质量的增加而下降。可以以任何方式来增大或减小流管道质量。例如，可以通过添加例如配重或其它质量来增加流管道质量。在离散的点或位置处添加质量将在不增加流管道硬度的情况下降低工作频率。

[0112] 流量计硬度中的一个因素是流管道节点限制器(nodal restrictor)和振动节点位置。流量计组件10可以包括一个或多个节点限制器，其控制振动节点位置和弯曲轴线，并因此影响振动响应。所示的实施例中，普通的节点限制器包括隔离物106与歧管102和102′的组合。替代性地，在其它实施例中，节点限制器可以包括在基本上接近于凸缘101和101′的限定点处在两个流管道之间(即，基本上在流量计5的两个末端处)刚性地延伸的一个或多个支撑杆(brace bar)。其它节点位置在图6中示出。包括一个或多个节点限制器是为了固定弯曲流管道103A和103B的振动节点，产生期望的弯曲轴线。可以对所述一个或多个节点限制器进行定位(或去除)以便增大经历振动的流管道的长度，或者可以将所述一个或多个节点限制器定位成减小流管道103A和103B的振动部分的长度。在图6中，区段102和102′的扭转也降低弯曲模式硬度并因此降低频率。

[0113] 图2示出根据本发明的实施例的甚低频振动流量计5。如图所示，流管道103A和103B可以在壳体203内。壳体203可以保护流管道103A和103B且可以进一步用于在流管道故障或失灵的情况下包含泄漏物。振动流量计5包括高度H和长度L。从图中可以看到在本实施例中，高度H明显大于流量计长度L。高度与长度纵横比H/L是这两个流量计特性的比。可以增大高度与长度纵横比H/L以便降低频率，或者替代性地，可以减小高度与长度纵横比H/L以便增加频率。可以将高度与长度纵横比H/L变为任何所需数，例如，包括比一大得多或小得多的数。

[0114] 在一个实施例中，流量计总长度L基本上是流量计5的凸缘101和101′之间的距离，而流量计总高度H基本上是进口/出口歧管102和102′的中心线与离中心线最远处之间的距离(即，弯曲部分的顶点的中心)。因此，纵横比是流量计5的总体形状和尺寸的近似量化。根据此定义，高的纵横比H/L意味着流量计具有与其长度L相比较大的高度H。

[0115] 应理解的是可以替代性地将纵横比定义为长度与高度之比L/H。根据此替代定义，本图的流量计将具有非常低的纵横比。

[0116] 图3是对于图中所示示例中的高至100Hz的甚低工作频率而言的解耦效应与频率的关系图。该图表示出用于一定范围的振动振幅的解耦效应与频率的关系。在低于约5至10Hz下工作的流量计将如期望地运行，因为解耦比将保持在约1∶1的解耦比，即几乎不会发生解耦。对于5Hz或更小的甚低振动频率而言，可以看到响应解耦幅值Ap/Af将保持处于沿着图的左轴的最暗区域中，处于约1∶1的解耦比，如沿着图表的右侧的比例条(scaling bar)所指示的。还可以看到对于高振动振幅而言，解耦效应减小。结果，夹带气泡将与流流体一起运动，引起质量流量或混合物密度测量结果的误差。对于此类低频而言，声速效应也将是可忽略的，因为SOS/压缩性效应通常在振动频率超过约200Hz之前不会变得明显。

[0117] 图4是对于图中所示示例中的高至100Hz的甚低工作频率而言的解耦相位角 与频率的对应关系图。由此图表可以看到当振动频率不超过5Hz时，解耦相位角 保持很低。

[0118] 与流体振荡幅度、颗粒尺寸、流体密度、颗粒密度、以及流体粘度无关，对于甚低振荡频率而言，在颗粒与流体之间不存在相对运动。振幅比(即解耦比Ap/Af)接近1∶1比率且解耦相位角 接近零。因此，不需要计算解耦比Ap/Af或解耦相位角 此外，结果独立于工艺流体和管道布置。流量计生成精确且可靠的测量结果，因为在多相组分之间不存在相对运动。这对于浆料、有气泡的流体、乳状液或任何其它多密度复合流体而言均是成立的。

[0119] 非限制性地，诸如上述的振动流量计还可以在其第二、第三、或第四弯曲模式下被驱动。如上文所讨论的，解耦随着频率增加而恶化。因此，随着工作频率的增加，在密度测量结果中将出现越来越多的负误差。因此，振动流量计可以非谐振地工作。

[0120] 这一事实可用作诊断。可以将流量计配置为确定测量结果是否受到SOS或解耦效应的影响，并且在什么频率下该效应变得可忽略。例如，可以在10、20、30、40、50、60、70、80、90和100Hz的频率下同时谐振和非谐振地驱动流量计。对于给定流流体而言，10、20和30Hz下的测量结果可以全部是等效的，指示SOS/解耦效应在约40Hz之下不影响测量结果。如果夹带更多的气体或气泡尺寸增大，则可能只有10和20Hz下的测量结果是等效的，意味着解耦较在以上示例中差且要求较低的频率测量。此诊断能力可以用来确定多个相的存在，或者可以用来为用户提供每个频率下的测量结果的精确度的指示。

[0121] 甚低频振动流量计的主要应用可以是上游(预分离器)油和天然气测量。此类多相流量计将消除对分离器这种极其昂贵的设备的需要。在这种严酷的应用中，以+/-5％的精确度工作的振动流量计对于油气团体而言将是非常期望的，其希望测量每个油井的大致输出。另一应用是在混合和/或测定黏合物时，其中，黏合物包含岩石颗粒和夹带气体，使其成为三相混合物。在低频时任何相之间没有相对运动的情况下，流量计将如同存在一个均质相一样工作并提供正确的混合物质量流量和混合物密度测量结果，与组分或相的数目无关。

[0122] 虽然可以在低频或高频下非谐振地驱动流量计，但在一些方面中，被谐振地驱动的甚低频振动流量计的可行性可以取决于管道将必须多长以便达到期望的甚低频。例如，对于通常在用于测量水的70Hz频率下振动的Micro Motion型E200Coriolis流量计而言，流管道延伸超过支撑杆约18英寸。作为估计，考虑用于固定-自由悬臂梁的频率的等式：

[0123]

[0124] 其中，E是弹性模数，I是横截面的惯性矩，m是每单位长度的质量，并且1是长度。对于70Hz的频率f和18英寸的长度L而言，可以针对EI/m分量找到比例常数。例如，对于E200型号Micro Motion Coriolis流量计而言，流管道在长度上必须约为六十七英寸，以便在不改变E、I或m项的情况下实现5Hz的振动频率。

[0125] 另一种方法是先前所讨论的因素的组合。例如，一种解决方案将是略微地延长管道，略微地减小壁厚度，并在驱动器或传感器附近添加很少的质量和/或在谐振之上或之下工作。降低频率的另一有效方法将是允许管道在支撑杆之前弯曲成与管线成一直线，或者事件以消除支撑杆。这将由于附加转矩分量而相当大地降低驱动模式下的硬度(参见图5)。

[0126] 可以针对特定的应用设计甚低频振动流量计5。因此，流量计5可以具有甚低工作频率，其实现预定甚低振动频率和甚低振动响应频率及甚高振动响应振幅。

[0127] 可以以多种方式来指定振动频率。可以将所述振动频率指定为频率阈值或极限。可以将振动频率指定为在预定解耦阈值或极限之下。可以将振动频率指定为预定SOS/压缩性阈值或极限。可以将振动频率指定为符合预定反斯托克斯数阈值或极限(下文讨论)。
例如，可以将所述预定反斯托克斯数阈值选择为基本上消除多相误差。

[0128] Coriolis质量流量计和振动密度计要求流流体在流量计的自然频率下的振荡期间与流管道一起运动。当引入外来材料时，此假设不再有效，因为在两个或更多相之间存在相对运动或解耦。对于给定特定的流量计工作条件，已经开发了模型以预测良好的混合物密度测量所需的条件。已在实验上得到确认的流体模型可以预测解耦效应。找到解耦比Ap/Af和解耦相位角 的等式是：

[0129]

[0130] 解耦比Ap/Af包括颗粒(外来材料)振幅Ap与流管道振幅Af的比。所述颗粒可以包括任何外来材料，包括气泡、固体颗粒、乃至夹带在流流体内的不同流体的一些部分。等式(4)的单独项被定义为：

[0131] Fdrag＝6πμfa(u-v)φ(Re) (5)

[0132]

[0133]

[0134]

[0135] 假设流流体的运动与流管道的运动匹配。气泡或颗粒的运动被计算为：

[0136] 流体速度＝u＝Afcos(ωt) (9)

[0137] 颗粒速度＝v＝Apcos(ωt+φ) (10)

[0138] 以上等式可以用来得到振动流量计的振荡环境下的颗粒运动，在大多数情况下对于振动振幅和相位差而言达到约加减百分之十的精确度。

[0139] 对于气泡运动，求解上述等式所需的六个输入是：振动响应频率f、振动响应振幅Af、流体密度ρf、夹带在流流体中的外来材料颗粒的颗粒密度ρp、流流体动态粘度μf和夹带在流流体中的外来材料的颗粒尺寸分布a。可以根据一个或多个流管道103A、103B的振动响应、诸如根据传感器105、105′生成的振动响应信号来确定振动响应频率f和振动响应振幅Af。可以由客户来指定流体密度ρf，诸如在已知流流体的情况下，或者可以通过测量来获得。可以由客户来指定颗粒密度ρp，或者替代性地，对于给定的流流体的测量温度和压力，颗粒密度ρp能够根据夹带气体情况下的理想气体定律来确定。可以由客户来指定动态粘度μf，诸如在已知流流体的情况下，或者可以通过测量来获得。可以由客户来指定颗粒尺寸分布a，诸如在已知流流体的情况下，或者可以通过测量来获得，包括流流体中的外来材料颗粒或气泡的声学或辐射测量。

[0140] 图5是根据本发明的用于甚低或甚高频振动流量计5的解耦比与密度比的关系图。所述图表还包括用于各种反斯托克斯数δ的结果。反斯托克斯数δ可以用来更简便地表征用于避免频率相关解耦和SOS/压缩性效应的条件。

[0141] 该图表示出五个不同的反斯托克斯数δ和所得到的解耦比。从图表可以看到夹带气体和夹带固体在解耦方面起相反作用，夹带气体表现出比整体流体(bulk fluid)更大的运动而固体颗粒表现出更小的运动。无论如何，理想情况是在流管道内部的所有相以精确相同的振幅和相位运动(即Ap/Af＝1)时。还可以看到随着气泡尺寸的增大，解耦量增大。当固体颗粒尺寸增大时，固体颗粒解耦也远离理想情况的1∶1运动。

[0142] 反斯托克斯数δ包括：

[0143]

[0144] 其中，反斯托克斯数δ考虑如下因素：外来材料的流量计中的流流体运动粘度η、以弧度为单位的振动频率ω、以及颗粒或气泡半径a。运动粘度η包括动态粘度μ除以流体的密度ρ，即η＝μ/ρ。如前文所讨论的，外来材料可以包括夹带气体或夹带固体。因此，相比仅通过频率规格所可能确定的，可以使用反斯托克斯数δ来更完全且准确地确定更高或更低的振动频率极限。

[0145] 增大反斯托克斯数δ使解耦比Ap/Af变得更接近于一，指示相对运动的降低。随着密度比增大到超过约50，解耦比主要依赖于反斯托克斯数δ。这特别重要，因为所有气体/液体混合物都具有高密度比，通常在100之上。因此，对于振动流量计中的最常见多相流条件而言，测量误差的程度主要取决于反斯托克斯数δ。如果反斯托克斯数δ非常小，则结果接近于3∶1解耦比的无粘性情况，而如果该参数大，则相对运动受到限制且解耦比接近1∶1。反斯托克斯数δ表示出流体运动粘度、颗粒尺寸以及频率之间的平衡是重要的，而不是这些变量中单独的任何一个。然而，频率由流量计设计特性来控制，而粘度和颗粒或气泡尺寸取决于复杂且常常不可控制的工艺条件。

[0146] 在一些甚低振动频率实施例中，反斯托克斯数δ包括约3.5之上的数。在一些甚低振动频率实施例中，反斯托克斯数δ包括约1.0之上的数。在一些甚低振动频率实施例中，反斯托克斯数δ包括约0.5之上的数。

[0147] 出于使振动流量计相对于解耦效应而言在高振动频率下工作的目的，可以使用反斯托克斯数δ来确定甚高振动频率是否足够高。在一些甚高振动频率实施例中，反斯托克斯数δ包括低于约0.1的数。在一些甚高振动频率实施例中，反斯托克斯数δ包括低于约0.01的数。

[0148] 在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为在高至约5Hz的甚低振动响应频率下工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为在高至约10Hz的甚低振动响应频率下工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为在高至约20Hz的甚低振动响应频率下工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为在高至约30Hz的甚低振动响应频率下工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为在高至约40Hz的甚低振动响应频率下工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为在高至约49Hz的甚低振动响应频率下工作。可以通过流量计设计考量或替代性地通过指定较低或较高频率下的非谐振振动来达到期望的弯曲模式频率。

[0149] 在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为以高于约1mm的振动响应振幅工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为以高于约2mm的振动响应振幅工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为以高于约5mm的振动响应振幅工作。在一些实施例中，可以将振动流量计5设计为以高于约10mm的振动响应振幅工作。

[0150] 图6示出根据本发明的甚低频振动流量计5的一部分。此图示出根据本发明的一些实施例的采用大的高度与长度纵横比H/L的流量计5。大的高度与长度纵横比H/L降低流量计硬度和流量计工作频率。

[0151] 另外，该图示出振动节点位置的变化。图中的虚线示出典型的支撑杆120和120′。支撑杆一般被用来固定弯曲节点并建立弯曲轴线。支撑杆将流管道相对于彼此固定，其中，采用两个流管道，并且形成振动弯曲节点。支撑杆120和120′确立弯曲轴线W-W，其中，只有弯曲轴线W-W之上的流管道部分被允许振动。弯曲轴线W-W限制振动频率并通常保持高的频率。

[0152] 为了修改工作频率，可以移动弯曲轴线的位置。因此，可以通过适当的弯曲轴线定位(诸如通过适当地确定振动节点的位置)来降低工作频率。在一些实施例中，这可以通过移动如图中支撑杆122和122′所示的支撑杆来实现。支撑杆122和122′确立弯曲轴线W″-W″。在其它实施例中，这可以通过将支撑杆一起消除来实现。在此类实施例中，可以由凸缘101和101′来确定弯曲轴线，或者可以由歧管102和102′来实现。应注意的是，这仅仅是两种通过流管道几何结构修改来降低频率的可能方法。可以预期其它方法且其在本说明书和权利要求的范围内。

[0153] 多相流流体的结果是在此类多相周期中精确的流体测量受到影响和妨碍。即使在存在中等至轻微多相流条件的情况下，也可能存在多相效应。多相流流体的性质可以在压缩性/声速(SOS)效应和多相流流体的组分之间的解耦效应中表明。可以通过振动频率和振幅的适当选择来控制或消除这两种效应。

[0154] 所述多相流可以包括夹带气体，尤其是有气泡的气流。多相流可以包括夹带固体或夹带固体颗粒、诸如凝结物的混合物、浆料等。此外，所述多相流可以包括不同密度的液体，例如，诸如水和石油组分。各相可以具有不同的密度或粘度。

[0155] 在多相流中，流管道的振动不一定使夹带气体/固体与流流体完全同相地运动。这种振动异常称为解耦或滑动。例如，气泡可能变得从流流体解耦，影响振动响应和任何随后导出的流特性。在流量计振动时，小气泡通常与流流体一起运动。然而，较大的气泡在流管道的振动期间不与流流体一起运动。作为替代，气泡可以从流流体解耦并可以独立地运动，夹带气泡在每个振动运动期间比流流体运动得更远且更快。这不利地影响流量计的振动响应。对于在流流体中夹带的固体颗粒也是如此，其中，固体颗粒在增加的振动频率下越来越可能从流流体的运动解耦。该解耦甚至可以在多相流包括不同密度和/或粘度的液体的情况下发生。已发现解耦动作作用受到各种因素的影响，例如，诸如流流体的粘度和流流体与外来材料之间的密度差异。

[0156] 气泡的尺寸可以根据存在的气体的量、流流体的压力、温度、气体到流流体中的混合程度以及其它流性质而变。性能的下降程度不仅与总共存在多少气体有关，而且与流中的单独气泡的尺寸有关。气泡的尺寸影响测量的精确度。较大的气泡占用更多的体积，导致流流体的密度和测量密度的波动。由于气体的压缩性，气泡可能在质量方面变化，不一定在尺寸方面变化。相反，如果压力改变，则气泡尺寸可相应地改变，随着压力下降而膨胀或随着压力增大而缩小。这还可能引起流量计的自然或谐振频率的变化。

[0157] 在振动管道中，振动管道的加速度促使气泡运动。由振动频率和振动振幅来确定管道加速度。在夹带气体的情况下，沿着与管道加速度相同的方向使气泡加速。气泡比流管道运动得更快且更远。更快的气泡运动(以及所得到的流体位移)促使一些流体比流管道更慢地运动，引起流体混合物的重心从振动管道的中心向后进行净移位。这是解耦问题的基础。结果，当存在夹带空气时，流速和密度特性被低估(负的流量和密度误差)。

[0158] 浆料呈现出类似的问题。然而，在浆料的情况下，固体颗粒常常重于液体组分。在振动管道的加速度下，较重颗粒运动得少于液体。但是由于重颗粒运动得较少，所以流体混合物的重心从管道的中心向后轻微运动。这再次导致负的流量和密度误差。

[0159] 在气体-液体、固体-液体、以及液体-液体情况下，夹带相与液体组分之间的密度差促成夹带相的差速运动。如果气体的压缩性被忽略，则可以使用相同的等式来描述全部三种情况的行为。

[0160] 补偿流体解耦是困难的，因为在确定气泡相对于流体运动多少上存在多个因素。流体粘度是明显的因素。在粘性非常大的流体中，气泡(或颗粒)被有效地冻结在流体中的适当位置且几乎不导致流量误差。在甚低振动频率下，流流体将充当粘性非常大的流体，即，如同粘度无穷大一样。在非常高的振动频率下，流流体将充当无粘性流体，即，如同粘度近似为零一样。

[0161] 粘度是由于剪切应力或拉伸应力而变形的流体的阻力的度量。通常，其为液体流动的阻力，流体厚度的量化。可以将粘度视为流体摩擦的度量。所有真实流体均具有对于应力的一些阻力，但对于剪切应力不具有阻力的流体称为理想流体或无粘性流体。

[0162] 对气泡运动性的另一影响是气泡尺寸。在气泡上的阻力与表面面积成比例，而浮力与体积成比例。因此，非常小的气泡具有高的阻力与浮力比且趋向于与流体一起运动。小的气泡随后引起小的误差。相反，大的气泡不趋向于与流体一起运动且导致大的误差。这也适用于固体颗粒，因为小的颗粒趋向于与流体一起运动并导致小的误差。

[0163] 由振动引起的另一问题是声速(SOS)或压缩性效应。这些效应使得质量流量和密度测量随着振动频率增加而对于气体流而言越来越不准确。

[0164] 密度差是另一因素。浮力与流体和气体之间的密度差成比例。高压气体可以具有高到足以影响浮力并降低解耦效应的密度。另外，大的气泡占用更多的体积，导致流流体的密度的真实波动。由于气体的压缩性，气泡可以在气体量方面变化，但不一定在尺寸方面变化。相反，如果压力改变，则气泡尺寸可相应地改变，随着压力下降而膨胀或随着压力增大而缩小。这还可以引起流量计的自然或谐振频率的变化以及实际二相密度的变化。

[0165] 二阶因素也可以对气泡和颗粒运动性有影响。高流速流体中的湍流可以将大的气泡破坏成较小的气泡，因此减小解耦误差。表面活性剂降低气泡的表面张力并降低其聚结的趋势。阀门可以通过增大的湍流来减小气泡尺寸，而管线弯头可以通过经由离心力迫使气泡在一起来增大气泡尺寸。

[0166] 作为谨慎的流量计设计的结果，可以使振动流量计5在甚低频率或在甚高频下工作。甚低频工作将导致气体解耦或固体解耦被保持在约1∶1的解耦比，其中，多相流流体中的外来材料基本上与流流体一起运动。另外，甚低频工作将导致流特性与粘度非常高的流类似。

[0167] 无论外来材料包括气体、液体还是固体组分，都是如此。无论外来材料具有与流流体适度不同的密度还是外来材料具有大大不同的密度，都是如此。结果，夹带外来材料将基本上不影响由流量计5执行的测量且流量计5将产生令人满意地准确且可靠的测量结果。此外，振动流量计5将一致地且可预测地工作，与气体空隙率(GVF，gas void fraction)和/或固体分数无关，同时能够即使在多相流流体的组成改变时也令人满意地测量流流体。此外，通过使流量计5在甚低频下工作，将不遭遇压缩性效应，因为横向声模以高得多的频率出现。

[0168] 甚高频工作将导致气体解耦比被保持在约3∶1的解耦比。甚高频工作将导致固体解耦比被保持在约3/(1+(2×ρp/ρf))的解耦比。另外，甚高频工作将导致流特性与粘度实际上为零的流类似。

[0169] 流量计电子装置20向驱动器104生成驱动信号，因此可以被配置为在甚低频或甚高频下对流量计组件10进行驱动/振动。如振动流量计中的一般惯例一样，这伴随着流量计电子装置20生成预定频率和振幅的驱动信号，其中，可以通过从传感器信号获取的反馈来影响并修改所述预定频率和振幅。例如，可以根据反馈来控制驱动信号，以便在由运动敏感传感器105和105′测量的振动响应中实现谐振(即自然)频率。

[0170] 流量计电子装置20可以被配置为以各种方式来生成甚低频或甚高频。可以在制造期间来配置流量计电子装置20，诸如通过适当地对流量计电子装置20的存储器进行编程。替代性地，例如，可以在校准过程期间用频率来配置流量计电子装置20，其中，在一些实施例中，频率编程可以取决于由校准过程确定的经测量或经确定的流量计硬度。在另一替代中，可以在流量计启动操作期间导出或确定频率。例如，所述频率可以基于预存储的或用户输入的值。例如，这可以包括基于关于多相流流体性质的预存储的或用户输入信息的频率。

[0171] 解耦随着频率的增加而恶化，直至对于气体而言约3∶1的解耦比的最大值，其中，在最坏情况下，气体在振动期间的运动距离约为液体组分所穿过距离的三倍。液体组分可以主要与流管道一起运动。对于固体颗粒而言，最坏情况是约0∶1的解耦比，其中，固体颗粒在管道振荡期间基本上是静止的。这在频率高且颗粒密度高时发生。

[0172] 通常，解耦是许多输入参数的复杂函数，这使得很难在流量计测量中进行补偿。然而，已经发现对于小气泡而言，解耦效应是可忽略的。类似地，在流流体非常粘的情况下，解耦可不发生或可仅在非常高的振动频率的情况下发生。此外，在夹带气体的情况中，如果外来材料很好地与流流体混合，减小气泡尺寸和/或均匀地分布气体，则在一些情况下可以减少或实际上消除解耦。并且，高的流流体粘度减少或消除解耦并增加测量精确度。然而，流流体的特性本质上可能是固定的，并且气泡尺寸和粘度可能必须被原样接受。

[0173] 可以将甚低频振动流量计设计为不受包括SOS/压缩性效应和解耦效应两者的多相效应的影响。当然，在夹带外来材料的体积变得足够大的情况下，即使甚低频振动流量计也可能遭受一些效应，但甚低频流量计仍将表现出比中或高频现有技术振动流量计高得多的精确度和可靠性。

[0174] 图7示出简单自由体图示，其表示了振动流量计中的多相流中的误差源。如图的左侧所示，考虑在流管振荡期间由于湍流导致的流体混合而引起的两个相等密度和尺寸的流体块交换位置。

[0175] 由于在左流管道的单相情况中，流体块的密度是相等的，所以不发生重心CG位置的变化且系统的自然频率不受影响。然而，在多相混合物中，如图中的右流管道所示，在振荡期间交换位置的两个流体块或颗粒具有不同的密度，引起管的CG位置的变化。例如，如果气泡在每个振荡上运动得比管远，则一些流体必须沿着相反的方向运动以填充气泡留下的空隙。因为假设了恒定的气泡尺寸和质量及不可压缩液相，所以情况一定是这样的。

[0176] 当颗粒密度不同于流体密度时，诸如添加的质量和阻力等附加力引起每个振荡上的相对于流体的颗粒运动。这些力沿着相同的方向作用在每个颗粒上，引起与每个振荡周期一致的非随机位移。因此，管的CG位置根据驱动频率而发生变化。

[0177] 图8描绘充满较稠密流流体的振动流量计的管内部的半径a的相对轻颗粒的运动。颗粒相对于静止的惯性坐标系运动Ap的总距离，管的每四分之一振荡从中线到顶点。此相对运动被定义为Ap-Af，因为管在每四分之一振荡期间向前运动距离Af。

[0178] 当气泡在振荡期间在流体中向前运动太远时，一定量的流体必须回填空出的体积。这引起CG位置的变化。可以根据流量计和流体参数来计算CG位置变化，以确定例如用于多相流情况下的振动流量计的预期密度测量误差。可以针对质量流量进行相同的操作，不过随后必须将解耦考虑成沿着流管道的长度的函数。在对解耦引起的密度误差的以下推导中进行多个假设。振荡流体介质的颗粒运动被振幅比和相位角很好地限定，然而当假设颗粒与流体之间的相位角为零时，只可能使用CG法导出流量计中的解耦引起的密度误差的解析表达式。对于无穷大粘度的流体或无粘性流体的情况而言，例如当流管道分别在甚低频或甚高频下振动时，完美地满足零相位角的假设。对于其它情况，相位角通常小于二十度，因此，对于流量计的范围以及所找到的振动流量计的流体参数，预期到密度误差的良好的第一近似值。还假设了振荡器间的恒定的管体积、颗粒尺寸和颗粒质量。对于任何外来材料杂物类型而言，很好地满足这些假设，与杂物密度无关。

[0179] 图9示出流管的单一的四分之一振荡上的颗粒与流体之间的总相对运动，包括CG位置的变化。可以计算振荡流管中的颗粒的解耦运动所引起的CG的运动。CG的运动引起测量误差，其取决于组分密度以及颗粒解耦得多远。颗粒相对于流体运动的路径勾画出三维柱体，该三维柱体在两端处具有半径a的半球。

[0180] 如下定义在四分之一振荡上颗粒相对于流体的运动所影响的颗粒和流体的总体积。

[0181] 被移位的液体体积＝(Ap-Af)(πa2) (12)

[0182]

[0183] 将以上表达式乘以各自的密度以得到被移位的每个组分的质量。质量方面的工作允许任意的流体和颗粒密度。

[0184] 被移位的液体质量＝ρf(Ap-Af)(πa2) (14)

[0185]

[0186] 使用图9，在振荡之前和之后计算颗粒和液体组分中的每一个的CG位置。

[0187] 图10给出颗粒和液体组分的CG位置，从图9中的虚线参考至每个分量的CG，标记为(1)至(4)。注意在第一质量m1(1)的计算中包括的负号。这是所要求的，因为该质量将从流体柱体(2)被减去，否则其将充满流体。

[0188] 运动的复合材料的总质量定义为：

[0189]

[0190] 如下定义颗粒从零运动至峰值之前的被移位流体的CG：

[0191]

[0192] 如下定义颗粒从零运动至峰值之后的被移位流体的CG：

[0193]

[0194] 可以通过从等式(18)减去等式(17)来得到CG在相对参照系中运动的总距离。

[0195]

[0196] 可以简化该表达式以便更清楚地显示重要参数。

[0197]

[0198] 如果关于单相流体，密度比精确地为一(ρf/ρp＝1)，则可以不存在CG位置的变化。如果气泡难以察觉地小，则Ap＝Af，且可以不存在CG位置的变化。在小密度比(ρf/ρp＜＜1)的限制中，如同具有可忽略密度的流体中的重固体颗粒的情况，CG位置的变化减小至-Af，因为根据模型的要求，Ap接近于零。在这种情况下，颗粒如此重，以致于当流体在其周围运动时其在惯性参照系中保持静止。最后，对于液体中的无质量颗粒的情况而言，密度比接近于无穷大(ρf/ρp→∞)且CG位置的变化仅仅取决于颗粒尺寸，ΔQ＝-4a/3。

[0199] 由等式(16)定义的复合质量M在每次振荡上经历由等式(19)定义的CG移位(ΔQ)。对CG的运动的此认识并不立即提供用于密度测量误差的表达式。作为替代，在流管的每次振荡期间在惯性坐标系中静止的虚构质量被确定为产生相同的CG总运动。然后可以假设此静止的流体质量是密度测量所缺少的，因为其运动完全从管运动解耦。结果，系统的自然频率增大，并且在振动密度计的情况下，得到负密度误差。

[0200] 从惯性坐标系中的静止观察员的角度出发，振动流量计的管中的质量mf的单相流体具有由流体的质量乘以正弦管速度来定义的动量p，给出p＝mfAfωcos(ωt)。从与管一起运动的观察员的角度出发，单相流体不具有动量，因为流体的CG的速度精确地为零(ΔQ＝0)。然而，当存在多个相时，可以表明混合物的CG的运动相对于与管一起运动的相对参照系而言是非零的(ΔQ≠0)。这导致相对坐标系中的非零动量。可以证明，由于解耦而引起的此动量导致了密度测量误差。

[0201] 首先根据已知的颗粒运动来计算由已知的质量和CG运动(M、ΔQ)产生的动量。然后，得到在每个振荡上产生相同净动量的虚构静止质量。用于复合质量的动量仅仅是总质量乘以复合材料的CG的速度。对于已解耦流体和颗粒的情况而言，质量M的CG在每四分之一振荡上移位幅值ΔQ。由于运动被假设为正弦的，具有角频率ω和零相位，所以可以根据CG的谐波位移来定义动量p。

[0202]

[0203] 图9表示使质量在距离上运动的一种可能配置，其产生等式(21)中所定义的动量。然而，存在使一定质量运动一定距离的无穷多的其它可能配置，其均能够在相对坐标系中产生相同的净动量。期望有产生等效动量且由在惯性参照系中保持静止的质量组成的配置。此质量不由振动流量计测量，因为其完全从管运动解耦。

[0204] 等式(22)得出流体的总有效质量M′，其必须在惯性坐标系中静止以产生如等式(21)所产生的等效动量。出现(-Af)项是因为根据惯性坐标系，需要有效静止质量。上述CG计算已参考具有坐标q的相对坐标系。然而，需要q的值，其中，质量的CG在惯性坐标系中是静止的。由于x＝q+Af，所以对于静止质量而言，得到x＝0且q＝-Af。这描述这样的事实，即在q坐标系中运动距离-Af的质量实际上相对于惯性坐标系而言静止。假设等效动量要求如下定义静止质量M′。

[0205]

[0206]

[0207]

[0208] 等式(24)给出在相关联的解耦比和密度的情况下，由于特定半径的单个颗粒的运动而引起的有效静止质量。该质量取决于颗粒的体积、密度差以及解耦运动的程度。对于一定范围的颗粒尺寸和颗粒密度的更一般情况而言，用于静止质量的表达式要求在流管中的每个颗粒上求和。假设每个颗粒的位移振幅可以是不同的，取决于颗粒尺寸和颗粒密度。然而，假设流体密度和流体位移振幅对于每个颗粒而言是恒定的。因此，ρf和Af在以下求和中不需要下标，而关于颗粒的任何量需要下标。考虑由悬浮在充满水的管中的固体颗粒和气泡组成的混合物，所述充满水的管以振幅Af振荡。解耦比Ap/Af对于气泡大于一且对于固体颗粒小于一，因此，M′将由两个单独项组成，这两个项表示来自每个颗粒的单独解耦运动的有效质量损失。假设存在N个颗粒，其中的每一个具有相关联的密度、半径以及振幅响应，由以下等式给出解耦流体的总有效质量M′：

[0209]

[0210] 如果假设恒定的颗粒密度和尺寸，则对于每个颗粒而言都预期到等效的运动，从而在a、ρp或Ap上不再需要下标。这允许去除等式(25)的求和，得到：

[0211]

[0212] 应认识到，N乘以每个颗粒的体积仅仅是流管内部的总颗粒体积。等式(26)现在除以总管体积，总管体积为颗粒和流体体积的和，得到：

[0213]

[0214] 从先前是质量的量除以已知体积显示出密度的量。颗粒体积分数α的定义简单地为颗粒体积除以总体积。因此，根据颗粒体积分数α来定义密度的有效非贡献部分，如在下式中：

[0215]

[0216] 根据分散相的体积分数α来定义实际混合物密度和解耦密度，得到：

[0217] ρactual＝ρf(1-α)+ρpα (29)

[0218]

[0219] 回想由等式(29)给出的振动流量计中的多相流体的实际密度是混合物密度，而不是液体密度。等式(30)表示由于颗粒的解耦运动而引起的将由振动流量计测量的密度。可以通过从等式(30)减去等式(29)来得到由于解耦而引起的与真实混合物密度的误差，得到：

[0220]

[0221] 替代性地，可以以百分数形式来表示密度误差，其允许在大范围变化的流体密度之间进行更好的比较。

[0222]

[0223] 这里，ρf项是流流体的密度，ρp项是夹带颗粒的密度，Ap/Af项是解耦比，并且α项是颗粒体积分数(即颗粒尺寸或颗粒尺寸分布)。作为这些结果的检查，考虑无粘性流体或粘度无穷大的流体中的气泡的极端情况，对于这些情况而言解耦比是明确已知的。这里，假设颗粒密度为零，不过对于粘度无穷大的情况而言，这是不必要的，因为对于任何密度的颗粒，解耦都被完全消除。对于无粘性流体和无质量颗粒而言，解耦比精确地为三(即3∶1)，并且对于粘度无穷大的流体而言，解耦比精确地为一。对于这些条件中的每一个，等式(30)归纳为下式：

[0224] ρdecoupled，inviscid，bubble＝ρf(1-3α) (33)

[0225] ρdecoupled，viscous，bubble＝ρf(1-α) (34)

[0226] 这些结果与在诸如Hemp&Yeung(2003)等先前工作中得出的那些等效。对于无粘性流体中的气泡而言，得到最大被忽略密度，其两倍于空隙率乘以流体密度，而对于粘度无穷大的流体中的气泡而言，未预测到被忽略的密度。因此，如果存在具有1％气体空隙率的混合物，则密度误差被预期在0与-2％之间，取决于粘度、气泡尺寸、流量计频率以及其它参数。应注意的是，此经验法则仅仅对于具有可忽略质量的颗粒有效。例如，如果颗粒的质量大于液体，则密度误差的幅值可以实际上大于颗粒体积分数的两倍。

[0227] 根据等式(31)，有气泡的流体的测量密度将是错误地低的，因为解耦比大于一。这是直观的，因为气泡在每个振荡上通过流体运动更远，促使流体向后运动以填充空出的体积。结果是小于真实混合物密度的表观密度。如预期的那样，误差还被发现对于较大气泡而言负值越来越大，因为大的气泡进一步解耦并增加了不参与的质量。对于液体中的稠密固体颗粒的情况而言，解耦比小于一且密度差ρf-ρp是负的，促使等式(30)中的最后一项为负，类似于气泡的情况。这可以预期，因为固体颗粒不像流体运动得那么远，因此再次地，存在管的CG的向后移位，其中，重的组分平均起来比管本身运动得少。

[0228] 图11是解耦密度误差与颗粒密度的关系图。流体是水，其具有1cP的粘度、998kg/3
m 的密度以及分别为100Hz和0.37mm(0.015in)的振荡频率和振幅。如在图表中可以看到的，由于解耦而引起的密度误差总是负的，与颗粒密度无关(除非在无解耦的情况下，对于该情况而言密度误差是零)。当颗粒与流体密度相同时或当粘滞力如此高以致于不发生相对运动时，发生无解耦情况。图11基于以百分比形式表示的用于密度误差的等式(32)，假设在颗粒与流体之间无相位角。对于无质量的气泡而言，密度误差接近于-2a的理论最大
3
值，不过其略微受到粘滞效应的限制。如果粘度将接近零，则处于0kg/m 颗粒密度的密度误差将接近-2％的预期值。

[0229] 还已经研究了其它流量计设计参数和流体性质在多相流期间对密度误差的影响。假设在颗粒与流体之间不存在相位差。采用由等式(32)给出的密度误差近似。

[0230] 图12是用于流体粘度对比颗粒尺寸的密度误差的表面图。如图所示，主要由解耦比而不是相位角来控制密度误差。如预期的那样，密度误差对于高粘度流体中的小气泡而言被最小化且随着气泡尺寸增大和/或随着粘度降低而增加。由于颗粒密度是可忽略的，所以结果遵循经验规则，其中，密度误差在零与空隙率的负两倍之间变化，取决于诸如气泡尺寸和粘度等参数。对于低粘度流体中的大颗粒而言，可以达到对于1％气体体积分数而言的-2％密度误差的几乎无粘性情况。

[0231] 图13是用于流体粘度对比颗粒密度的密度误差的表面图。如预期的那样，误差随着流体与颗粒密度的比偏离1∶1的单相比而增大。最严重的密度误差源于相对无粘性流体中的气泡或高度稠密的颗粒。对于高密度颗粒的情况而言，请注意，密度误差的幅值可以超过颗粒体积分数的两倍。随着颗粒密度的增大，振幅比Ap/Af变小，意味着从实验室观察员的角度出发，颗粒几乎不随着每个振荡而运动。因此，越重的颗粒越是静止的，引起流管的CG的大的向后运动以及相应的大的负密度误差。

[0232] 图14是用于管道振幅对比振动频率的密度误差的表面图。该图给出密度误差作为流量计设计参数的函数。可以通过使用甚低频振动流量计来使密度误差最小化。另外，与非常低的频率同时，流量计可以以非常低的振幅振动。例如，在约0.5mm的恒定管振幅下，密度误差对于在400Hz下振动的振动流量计而言比对在100Hz下振动的振动流量计而言高0.35％，并且对于1000Hz流量计而言高0.5％。在相同振幅下，密度误差对于在10Hz下振动的流量计而言仅仅为-0.4％，并且对于小于1Hz的频率而言实际上消除了误差。

[0233] 可以通过使流量计组件10在第一弯曲模式下振动来实现甚低振动频率。第一弯曲模式包括流量计组件10的谐振频率，其中，流管道的长度沿单一方向运动。高振动频率可以包括使流量计组件10在第二或更高弯曲模式下振动。在较高弯曲模式下，在流管道上存在附加振动节点。在此振动节点的任一侧的管道部分沿着相反的方向运动。

[0234] 在一些实施例中，甚高频振动流量计5可以由于流量计设计而在甚高频下工作。在一些实施例中，甚高频振动流量计5可以由于驱动信号的配置而在甚高频下工作。

[0235] 图15是示出来自Coriolis流量计的甚低频模式、中频模式和甚高频模式的总密度误差的模拟结果的图表。可以看到在非常小的颗粒尺寸下，任何解耦都是可忽略的，诸如在解耦比Ap/Af近似为一且密度误差相应地微不足道的情况下。在此小颗粒情况下，声速(SOS)/压缩性效应占支配地位。结果，中频和高频模式具有正误差且低频模式根本没有多少误差。

[0236] 然而，当气泡变得在直径上大于几十毫米时，解耦效应开始支配SOS/压缩性效应且误差变为负。请注意，随着颗粒尺寸增大，观察到的误差将渐进地向无粘性模型结果收敛，即在约3∶1的解耦比Ap/Af处收敛。当振荡频率高时，对于气泡尺寸，此渐近线更早地发生。因此，如果流量计在足够高的频率下振动，则可以采用等式(32)。等式(32)与气泡尺寸和流流体粘度无关。

[0237] 图16示出根据本发明的实施例的甚高频振动流量计5。如前文所讨论的，所述甚高频可以基于一个或多个流管道103A、103B的有效长度以及流量计5的几何结构。在一些实施例中，可以由流管道几何结构来控制该有效长度。另外，根据需要，还可用一个或多个平衡质量来进一步影响驱动频率，该一个或多个平衡质量可任选地附着于一个或多个流管道103A、103B。

[0238] 在图中，流量计5具有与相对小的高度H相比的大的长度L。因此，甚高频振动流量计5可以具有低的高度与长度纵横比H/L。例如，高度与长度纵横比H/L可以比一小或小得多。因此，根据本发明的甚高频振动流量计5是相对小的，并因此易于容纳在大多数测定应用中。

[0239] 在一些实施例中，所述甚高频包括1500Hz之上的振动频率。在一些实施例中，所述甚高频包括2000Hz之上的振动频率。在一些实施例中，所述甚高频包括3000Hz之上的振动频率且超过该振动频率。然而，应理解的是所述振动频率可以处于这些阈值之上的任何频率，因为所需的甚高频将最终取决于各种因素，例如包括流流体组成和夹带外来材料的性质。

[0240] 应理解的是，替代性地，可以将甚低频振动流量计和甚高频振动流量计一起使用，以便实现本文所讨论的结果。例如，两个流量计可以在不同频率下测量流流体且可以根据本发明的各种实施例来处理所得到的测量信号。可以在任一流量计的流量计电子装置中执行该处理，或者可以在单独的设备中执行该处理。

[0241] 应理解的是，振动流量计5无论是被配置为甚低频振动流量计还是甚高频振动流量计，都可以在多个振动频率下工作。例如，振动流量计可以在多个频率下工作以生成多个振动响应，其中，对所述多个振动响应进行比较，以便确定多相效应的近似开始。

[0242] 图17是根据本发明的用于确定多相流流体的一个或多个流流体特性的方法的流程图1700。在步骤1701中，振动流量计在一个或多个甚低工作频率和一个或多个甚高工作频率下工作。在一些实施例中，可以操作振动流量计以基本上在多个频率下依次振动。替代性地，可以操作振动流量计以基本上同时在一个或多个甚低频以及在一个或多个甚高频下振动。

[0243] 例如，可以基于预期流流体来确定所述一个或多个甚低频和所述一个或多个甚高频。替代性地，所述一个或多个甚低频和所述一个或多个甚高频可以至少略微地取决于其它约束，例如，诸如流体压力或流量计的可用物理空间。可以预期其它约束且其在本说明书和权利要求的范围内。

[0244] 例如，预期流流体中的夹带气体可以导致测量误差。根据气泡尺寸和流流体粘度，给定振动水平下的有气体或有气泡的流流体可能比等效夹带固体多相流表现出更多的测量误差。夹带固体通常不表现出压缩性效应且趋向于比气泡解耦至较轻的程度。因此，取决于条件，夹带气体多相流流体可能要求比夹带固体多相流流体更极端的频率。

[0245] 预期的流体流可以允许基于流中的预期颗粒或气泡尺寸或预期尺寸范围的频率设计。例如，在一些实施例中，可以将振动流量计设计为在包括小至中气泡/颗粒的二相流期间进行可靠地流体测量。在一些实施例中，可以将振动流量计设计为针对有气泡的流而不是段塞流(slug flow)可靠地测量夹带气体。替代性地，用谨慎的设计，可以将振动流量计设计为准确且可靠地测量甚至段塞流。此外，可以将振动流量计设计为准确且可靠地测量例如包括气泡和固体(诸如凝结物或其它黏合混合物)的多相流流体。

[0246] 所述确定还可以将振动流量计的工作约束考虑在内。所述工作约束可以包括流流体压力。所述工作约束可以与流流体粘度无关，或者可以包括流流体粘度。所述工作约束可以包括一种或多种预期外来材料类型。所述工作约束可以包括一种或多种预期外来材料尺寸。所述工作约束可以包括振动流量计的可用物理空间。

[0247] 在步骤1702中，接收一个或多个甚低频振动响应和一个或多个甚高频振动响应。将响应于用来使流量计组件10振动的甚低和甚高驱动频率来接收振动响应。

[0248] 在步骤1703中，根据一个或多个甚低频振动响应和一个或多个甚高频振动响应来确定一个或多个流流体特性。所述一个或多个流流体特性可以包括混合物质量流速和混合物密度ρmix，它们高度精确且基本上不受多相流效应影响。所述一个或多个流流体特性还可以包括流体质量流速 和夹带颗粒/质量流速 它们精确且基本上不受多相流效应影响。所述一个或多个流流体特性还可以包括组分流体密度ρf，其精确且基本上不受多相流效应影响。所述一个或多个流流体特性还可以包括流体分数φf、颗粒分数φp以及混合物声速cmix。可以预期其它另外的流流体特性且其在本说明书和权利要求的范围内。

[0249] 所述确定可以包括将已知或假定的值用于解耦比Ap/Af。在甚低频下，无论是对于夹带气体还是夹带固体而言，假设解耦比Ap/Af约为1∶1。在甚高频下，可以将用于夹带气体的解耦比假定为约3∶1，而可以将用于夹带固体的解耦比假定为约等于3/(1+(2×ρp/ρf))。

[0250] 在甚低频下，可以将流流体粘度假定为近似无穷大。在甚高频下，可以将流流体粘度假定为近似为零。

[0251] 例如，可以将多个等式用于处理所得到的甚低频和甚高频振动响应。以下等式(35)可以在无论高或低的任何振动频率下应用。然而，在甚低频下，如前文所讨论的，解耦比Ap/Af将是一。结果，等式(35)中的右侧项实际上为零，因此由振动流量计测量的密度是实际混合物密度ρmix。作为甚低频的结果，已知此测量的混合物密度ρmix是精确且可靠的。并且，在甚低振动频率下，如前文所讨论的，所测量的混合物质量流量 也被已知是精确且可靠的。

[0252] 还可以在一个或多个甚高频下应用等式(35)，诸如以下等式(45)～(46)所示的示例。在每种情况下，解耦比将遍及所述一个或多个甚高频保持基本恒定，并且例如独立于气泡尺寸(虽然SOS项将随着频率ω的增大而增大)。

[0253]

[0254] ρmix＝ρfφf+ρpφp (36)

[0255]

[0256]

[0257]

[0258]

[0259] 在一个示例中，使用振动流量计来确定来自井的油的一个或多个流流体特性，其中，在油中夹带气体。在最坏的情况下，油和气的密度和分数是未知或者假定的，虽然通常测量或已知流流体压力和温度。使用至少一个甚低频和至少一个甚高频使振动流量计振动。期望的流流体特性一般至少包括混合物质量流速 和混合物密度ρmix。另外，(流体)油组分质量流速 和密度ρf很可能是期望的。这可能要求或使得需要确定多相流的油/液体分数。气体组分(其中气泡是夹带颗粒p)的质量流速 和密度ρp可能是也可能不是期望的。可以根据理想气体定律P＝ρpRT来计算(颗粒/气泡)气体密度ρp。然而，仍将需要流体密度ρf。在甚高频下所执行的附加振动将提供附加等式，使得能够对等效数目的未知量求解。因此，在期望φf、φp和cmix项的情况下，需要两个附加甚高频振动，这将提供等式(45)和(46)所示的结果。这两个甚高频ω1和ω2可以包括任何适当的频率。

[0260] ρmix＝ρfφf+ρpφp (41)

[0261]

[0262]

[0263]

[0264]

[0265]

[0266] 等式(35)的两个或更多个型式的使用，即产生等式(45)和(46)所示的结果，使得能够消除公共SOS项cmix。可以对所得到的两个等式求解，以便确定未知量φp和φf。然后，可以使用等式(41)至(44)导出另外的流流体特性。可以预期其它等式且其在本说明书和权利要求的范围内。