基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法技术

本发明专利技术公开基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法，具体步骤如下：步骤1：构建含流体科氏力传感器的集中参数动力学模型；步骤2：依据科氏力传感器的流体密度计算敏感管的等效体积；步骤3：获取参考环境下含流体科氏力传感器的动力学模型参数，将其应用于频率方程；步骤4：获得实时在线计算流体密度；步骤5：确定工况条件和参考条件间的科氏力传感器刚度变化关系，计算出该补偿系数，最终得到了流体密度。本发明专利技术方法搭建起了流体密度测量框架，提高了仪表的流体密度测量精度。提高了仪表的流体密度测量精度。提高了仪表的流体密度测量精度。

【技术实现步骤摘要】
基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法


[0001]本专利技术属于智能化仪器仪表
，具体涉及一种基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法。

技术介绍

[0002]随着石化、天然气和医药等领域对过程流体密度测量精度的要求越来越高，能够满足实时在线多参数测量需求的科氏力传感器受到了高度重视。科氏力传感器在密度测量方面表现出优越的性能，其测量原理是借助管内流体密度的变化来影响着敏感管在共振频率点处的振动特性，进而表征出流体密度和振动频率之间的映射关系。可是，实际中流体密度与敏感管频率之间的映射关系，通常是利用标准流体对科氏力传感器密度换算公式进行实验标定，这不仅需要考虑其数学映射模型的准确度，而且还对标定装置提出了苛刻的要求。同时，标定中外界环境不确定因素的干扰也会导致科氏力传感器密度测量精度受到限制，而且该方法缺乏对科氏力传感器制造不确定性参数的检验，例如管道加工精度、激振器输出力及科氏力传感器装配精度等，致使科氏力传感器的密度测量精度难以获得大幅度的提升。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供了一种基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法，将科氏力传感器的动力学模型与流体密度测量进行紧密联系，该方法具有良好的气体密度测量性能及良好的稳定性，可提升密度测量的精度。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法，具体步骤如下：
[0005]步骤1：构建含流体科氏力传感器的集中参数动力学模型；
[0006]步骤2：依据科氏力传感器的流体密度计算敏感管的等效体积；
[0007]步骤3：获取参考环境下含流体科氏力传感器的动力学模型参数，将其应用于频率方程；
[0008]步骤4：获得实时在线计算流体密度；
[0009]步骤5：确定工况条件和参考条件间的科氏力传感器刚度变化关系，计算出该温度刚度补偿系数，最终得到了流体密度。
[0010]本专利技术的特征还在于，
[0011]步骤1具体按照以下步骤实施：
[0012]根据科里奥利质量流量计振动管的动力学特性，依据集中质量法对科氏力传感器振动系统进行构建含流体科氏力传感器的集中参数动力学模型，具体如下：
[0013][0014]其中和x分别为敏感管的加速度、速度和位移，F为敏感管的激励力，m1和m2为
两敏感管及管内流体的等效质量，c1和c3为两敏感管的等效阻尼，k1和k3为两敏感管的等效刚度，c2和k2为两敏感管间激振器的等效阻尼和刚度。
[0015]步骤2具体按照以下步骤实施：求解科氏力传感器的流体密度计算公式中敏感管的等效体积，其中，科氏力传感器的流体密度计算公式如下：
[0016][0017]其中ρ
fluid
为流体密度，k
fluid
为含流体敏感管的等效刚度，V为敏感管的等效体积，m
t
为空敏感管的等效质量，f
fluid
为含流体科氏力传感器的振动频率；
[0018]然后，借助空气和水这两种介质来获取标定环境下通空气和通水的敏感管等效参数，将管内等效体积V描述为：
[0019][0020]其中ρ
n_water
、ρ
n_air
为标定环境下水和空气的密度，m
n_wt
、m
n_at
为标定环境下所辨识含水敏感管和含空气敏感管的等效质量。
[0021]步骤3中，将获取参考环境下含流体科氏力传感器的动力学模型参数应用于频率方程中，如式(4)所示：
[0022][0023]其中k
r_fluid
、m
r_ft
和f
r_fluid
分别为参考环境下含流体敏感管的等效刚度、等效质量及参考频率，m
r_ft
＝m
r_fluid
+m
t
，m
r_fluid
为参考流体质量。
[0024]步骤4具体按照以下步骤实施：
[0025]确定当科氏力传感器进行流体密度实时在线测量时，工况环境中的流体密度表示为：
[0026][0027]其中，k
fluid
、m
ft
和f
fluid
分别为工况条件下含流体敏感管的等效刚度、等效质量以及谐振频率，m
ft
＝m
fluid
+m
t
，m
fluid
为流体质量；
[0028]据此，通过捕捉含流体敏感管的刚度变化量和质量变化量，利用下式(6)～(8)实现实时在线计算流体密度：
[0029][0030]Δm＝m
fluid
‑
m
r_fluid
ꢀꢀ
(7)
[0031][0032]式中，Δk为相对参考刚度的刚度变化量，Δm为质量变化量，ρ
r_fluid
为参考环境下流体密度，ρ
fluid
为工况环境下流体密度。
[0033]步骤5具体按照以下步骤实施：
[0034]将工况条件和参考条件间的科氏力传感器刚度变化关系表示为：
[0035]k
real
＝k
ref
(1+C
t
Δt)
ꢀꢀ
(9)
[0036]其中，k
real
、k
ref
分别为工况和参考条件下利用刚度方程所计算的刚度，C
t
为温度补偿系数，Δt为温度变化量；
[0037]然后，将在工况环境下含流体科氏力传感器的振动频率f
r_fluid
及参考环境下含流体敏感管的参考频率f
fluid
分别表示为：
[0038][0039][0040]在已知该流体密度与环境之间的变化关系的条件下，计算出该温度补偿系数C
t
为：
[0041][0042]其中，Δρ为该流体理论密度变化量；
[0043]通过上述理论推导，最终得到了流体密度计算公式为：
[0044][0045]其中，ρ
fluid
为待测流体密度，ρ
r_fluid
为参考流体密度，k
r_fluid
为含流体敏感管的参考等效刚度，C
t
为温度补偿系数，Δt为温度变化量，f
fluid
为工况下科氏力传感器振动频率，m
r_ft
为含流体敏感管的参考等效质量，V为敏感管的等效体积。此外，考虑液体和气体之间的差异性，由于气体的可压缩性，导致其密度值受压力影响，必须进行压力补偿才能正确计算出气体密度。据此，类比上述温度补偿，建立工况和参考条件之间关于压力的刚度变化关系。换而言之，将温度补偿Δt项更改为压力补偿Δp项，通过求解压力补偿系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：构建含流体科氏力传感器的集中参数动力学模型；步骤2：依据科氏力传感器的流体密度计算敏感管的等效体积；步骤3：获取参考环境下含流体科氏力传感器的动力学模型参数，将其应用于频率方程；步骤4：获得实时在线计算流体密度；步骤5：确定工况条件和参考条件间的科氏力传感器刚度变化关系，计算出该温度刚度补偿系数，最终得到了流体密度。2.根据权利要求1所述的基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法，其特征在于，步骤1具体按照以下步骤实施：根据科里奥利质量科氏力传感器振动管的动力学特性，依据集中质量法对科氏力传感器振动系统进行构建含流体科氏力传感器的集中参数动力学模型，具体如下：其中和x分别为敏感管的加速度、速度和位移，F为敏感管的激励力，m1和m2为两敏感管及管内流体的等效质量，c1和c3为两敏感管的等效阻尼，k1和k3为两敏感管的等效刚度，c2和k2为两敏感管间激振器的等效阻尼和刚度。3.根据权利要求1所述的基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：首先，求解科氏力传感器的流体密度计算公式中敏感管的等效体积，其中，科氏力传感器的流体密度计算公式如下：其中ρ
fluid
为流体密度，k
fluid
为含流体敏感管的等效刚度，V为敏感管的等效体积，m
t
为空敏感管的等效质量，f
fluid
为含流体科氏力传感器的振动频率；再借助空气和水这两种介质来获取标定环境下通空气和通水的敏感管等效参数，将管内等效体积V描述为：其中ρ
n_water
、ρ
n_air
为标定环境下水和空气的密度，m
n_wt
、m
n_at
为标定环境下所辨识含水敏感管和含空气敏感管的等效质量。4.根据权利要求1所述的基于科氏力传感器动力学模型的流体密度解算方法，其特征在于，步骤3中，将获取参考环境下含流体科氏力传感器的动力学模型参数应用于频率方程中，如式(4)所示：其中k
r_fluid
、m
r_ft
和f
r_fluid
分别为参考环境下含流体敏感管的等效刚度、等效质量及参考频率，m
r_ft
＝m
r_fluid
+m
t
，m
r_fluid
为参考流体质量。5.根据权利要求1所述的基于科氏力传感器动力学模型的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令飞，张朝辉，李鹏飞，王珂轩，
申请(专利权)人：陕西精奥明测控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：