用于处理用于流量计中的多相流动材料的传感器信号的流量计电子器件和方法

摘要

本发明的实施例提供一种用于处理用于流量计(5)的多相流动材料的传感器信号的流量计电子器件(20)。流量计电子器件(20)包括接收用于多相流动材料的第一传感器信号(210)和第二传感器信号(211)的接口(201)和处理系统(203)，处理系统(203)从接口(201)接收第一传感器信号(210)和第二传感器信号(211)，从第一传感器信号(210)产生第一90度相移(213)，从第二传感器信号(211)产生第二90度相移(214)，利用第一90度相移(213)或第二90度相移(214)中的一个计算频率(221)，利用第一90度相移(213)或第二90度相移(214)中的一个或多个计算相差(220)，计算用于多相流动材料的质量流量(223)、密度(224)或体积流量(225)中的一个或多个。

说明书

技术领域

本发明涉及用于处理用于流量计中的多相流动材料的传感器信号的流量计电子器件和方法。

背景技术

已知利用科里奥利质量流量计测量流过管道的材料的质量流量，密度和体积流量以及其它信息，如于1985年1月1日颁发给J.E.Smith等人的U.S.专利No.4,491,025和于1982年2月11日颁发给J.E.Smith的Re.31,450中所公开的。这些流量计具有不同结构的一个或多个流管。每一个管道结构可以被视为具有一组固有振动模式，该模式包括例如简单的弯曲，扭转，径向和耦合模式。在典型的科里奥利质量流量测量应用中，当材料流过管道时，以一个或多个振动模式激励管道结构，并且在沿着管道相距间隔的点处测量管道的运动。

通过流管和流管中材料的组合质量可部分地确定材料填充系统的振动模式。材料从流量计的入口侧上的相连管道流进流量计。该材料然后被导引通过一个流管或多个流管，并且离开流量计至在出口侧上相连的管道。

驱动器向流管施加压力。该压力引起流管振动。当没有材料流过流量计时，沿着流管的全部点以相同的相位振动。当材料开始流过流管时，科里奥利加速度引起沿着流管的每一个点具有关于沿着流管的其它点不同的相位。流管的入口侧上的相位滞后于驱动器，而出口侧上的相位领先于驱动器。在流管上的不同点处布置传感器，以便产生表示不同点处流管的运动的正弦信号。两个传感器信号之间的相差成比例于流过一个流管或多个流管的材料的质量流量。在现有技术的方法中，离散傅立叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)用于确定传感器信号之间的相差。该相差和流管装置的振荡频率响应用于获得质量流量。

在现有技术的方法中，独立的参考信号用于确定拾取信号频率，比如通过利用被发送至振动驱动器系统的频率。在另一方法中，锁相环(PLL)用于锁定拾取或参考信号的频率至驱动频率。在另一现有技术方法中，通过集中于陷波滤波器中的频率可以确定拾取传感器产生的振动响应频率，其中现有技术流量计试图在拾取传感器频率处保持陷波滤波器的陷波。在流量计中的流动材料是均匀的并且得到的拾取信号频率相对稳定的场合下，这些现有技术在静止条件下相当好地工作。然而，当流动材料不均匀时，比如在流动材料包括液体和固体或者在液体流动材料中存在气泡这样的两相流中，现有技术的相位测量受损坏。在这种情况中，现有技术确定的频率可以快速地波动。在快速和大的频率过渡的条件过程中，对于拾取信号，可能在滤波器带宽之外移动，获得不精确的相位和频率测量。在空-满-空配料中这也是问题，在这种情况中，在交替空和满的条件下重复操作流量计。此外，如果传感器的频率快速移动，解调过程将不能够跟上实际或测量频率，引起不正确频率处的解调。可以理解，如果确定的频率是不正确或不精确的，然后基本上得到的密度值，体积流量值等也将是不正确或不精确的。此外，在随后的流动特性确定中误差被混合。

在现有技术中，拾取信号可被数字化和数字处理，从而执行陷波滤波。该陷波滤波器仅接收窄带频率。因此，当目标频率改变时，在一个时间段内，陷波滤波器不能够跟踪目标信号。典型地，数字陷波滤波执行花费1-2秒对波动目标信号跟踪。由于用于确定频率现有技术需要的时间，该结果是：不仅频率和相位确定包含误差，而且误差测量包括超过在其过程中实际出现误差和/或两相流的时间间隔的时间间隔。这是由于陷波滤波执行的相对缓慢的响应。

结果是在流量计中的流动材料处于两相流过程中，现有技术流量计不能精确、快速或令人满意地跟踪或确定拾取传感器频率。因此，当现有技术利用确定的拾取频率驱动相差时，相位确定同样缓慢和容易产生误差。因此，在相位确定中混合频率确定中的误差。结果是频率确定中和相位确定中增大的误差，导致质量流量的确定中误差增大。此外，由于确定的频率值用于确定密度值(密度近似等于一除以平方频率)，在密度确定中重复或混合频率确定中的误差。当体积流量等于质量流量除以密度时，对于体积流量的确定这也是真实的。

在典型的油井中，井输出通常不仅包括油，而且包括井输出流中变化量的水和天然气。该油井输出因此典型地包括多相流体流。结果，井流常常被供给进入分离器装置。该分离器装置从井流析取一个或多个成分。该分离器装置可以包括两相分离器，或者可以包括三相分离器。两相分离器典型地从多相流析取携带气体。两相分离器的输出可以包括气体输出和没有携带气体的两相液体。例如，在井流包括油，水和天然气的情况中，然后两相分离器液体输出可以包括两相油和水流。三相分离器可以分出携带气体，并且也可以分离水和油。

然而，分离器不完全分离流成分。例如，析取气体可以包括小量的剩余液体。这通常被称作汽中带水(carryover)或汽中带水液体(liquid carryover)，当典型地高于液体出口地物理定位分离器的气体出口时。此外，三相分离器的油输出(或者两相分离器的油和水输出)可以仍包括小量的携带气体。这被称作水中带汽(carryunder)或水中带汽气体(gas carryunder)，当典型地低于气体出口地物理定位分离器的液体/水出口时。

依据现有技术的分离器输出的测量包括利用某一类型的流量计测量每一个分离器输出流。该测量假定在分离器的气体输出中存在可以忽略的汽中带水液体，并且假定在油/水输出中存在可以忽略的水中带汽气体。进行该假定，因为在现有技术中，携带气体和/或液体不能被基本上瞬时确定，并因此不能被精确确定。然而，汽中带水和水中带汽是典型存在的，导致现有技术井产品测量中显著的不精确度。通过组合气体和液体现有技术测量混合该不精确度。

发明内容

通过用于处理用于流量计中的多相流动材料的传感器信号的电子器件和方法的提供解决了上面和其它问题，并且实现了现有技术的进步。

依据本发明的实施例提供用于处理用于流量计中的多相流动材料的传感器信号的电子器件。该流量计电子器件包括用于接收用于多相流动材料的第一传感器信号和第二传感器信号的接口，以及与接口通信的处理系统。该处理系统被布置成从接口接收第一传感器信号和第二传感器信号，从第一传感器信号产生第一90度相移，并且从第二传感器信号产生第二90度相移，利用第一90度相移或第二90度相移的一个来计算频率，利用第一90度相移和第二90度相移的一个或多个计算相差，并且计算用于多相流动材料的质量流量，密度或体积流量的一个或多个。

依据本发明的实施例提供用于处理用于流量计中的多相流动材料的传感器信号的方法。该方法包括接收用于多相流动材料的第一传感器信号和第二传感器信号，并从第一传感器信号产生第一90度相移，并且从第二传感器信号产生第二90度相移。该方法进一步包括利用第一90度相移和第二90度相移的一个来计算频率。该方法进一步包括利用第一90度相移和第二90度相移的一个或多个计算相差。该方法进一步包括计算用于多相流动材料的质量流量，密度或体积流量的一个或多个。

依据本发明的实施例提供用于处理用于流量计中的多相流动材料的传感器信号的方法。该方法包括接收用于多相流动材料的第一传感器信号和第二传感器信号，并从第一传感器信号产生第一90度相移，并且从第二传感器信号产生第二90度相移。该方法进一步包括利用第一90度相移和第二90度相移的一个来计算频率。该方法进一步包括利用第一90度相移和第二90度相移的一个或多个计算相差。该方法进一步包括计算用于多相流动材料的质量流量，密度或体积流量的一个或多个，并且计算多相流动材料中汽中带水液体或水中带汽气体的一个或多个。

发明的各个方面

在流量计电子器件的一个方面中，接口包括数字转换器，该数字转换器被布置成数字化传感器信号。

在流量计电子器件的另一方面中，处理系统被进一步布置成确定多相流动材料中水中带汽气体或汽中带水液体的一个或多个。

在流量计电子器件的又一另一方面中，产生包括利用希耳伯特变换产生第一90度相移和第二90度相移。

在流量计电子器件的又一另一方面中，计算频率包括从第一90度相移和第二90度相移计算频率。

在流量计电子器件的又一另一方面中，计算相差包括从第一传感器信号，第一90度相移和第二传感器信号计算相差。

在流量计电子器件的又一另一方面中，计算相差包括从第一传感器信号，第一90度相移，第二传感器信号和第二90度相移计算相差。

在流量计电子器件的又一另一方面中，处理系统被进一步布置成分离(break out)频率成至少气体频率分量和液体频率分量，从频率响应和气体频率分量和液体频率分量的一个或多个确定气体的空隙度或液体分数的一个或多个，利用气体的空隙度确定多相流动材料的液体流成分的液相密度或气体流成分的气相密度的一个或多个，并且利用气体的空隙度或液体分数的一个或多个确定多相流动材料的水中带汽气体或汽中带水液体的一个或多个。

在流量计电子器件的又一另一方面中，分离包括利用一个或多个滤波器处理频率响应，该一个或多个滤波器基本上拒绝气体频率分量和液体频率分量的一个。

在流量计电子器件的又一另一方面中，分离包括利用第一滤波器滤波频率响应，该第一滤波器基本上拒绝气体频率分量，并且基本上通过液体频率分量，并且利用第二滤波器滤波频率响应，该第二滤波器基本上拒绝液体频率分量，并且基本上通过气体频率分量，其中第一滤波器输出液体频率分量，并且第二滤波器输出气体频率分量。

在流量计电子器件的又一另一方面中，确定气体的空隙度或液体分数的一个或多个包括从频率响应计算总密度，从液体频率分量计算液体成分密度，从气体频率分量计算气体成分密度，以及计算气体的空隙度为液体成分密度减去总密度除以液体成分密度减去气体成分密度的比。

在流量计电子器件的又一另一方面中，处理系统被进一步布置成分离频率响应成至少气体频率分量和液体频率分量，从频率响应确定总密度，从气体频率分量确定气体密度，从频率响应和气体频率分量和液体频率分量的一个或多个确定气体的空隙度，并且从与气体密度除以总密度的比相乘的气体的空隙度确定质量分数。

在流量计电子器件的又一另一方面中，处理系统被进一步布置成从频率响应确定流动材料的质量流量，并且利用质量分数和质量流量确定第一流成分质量和第二流成分质量的至少一个。

在流量计电子器件的又一另一方面中，处理系统被进一步布置成平方频率响应，以便产生平方的频率响应，倒置平方的频率响应，以便产生基本上瞬时的流路(flow stream)密度，比较基本上瞬时的流路密度与表示气体流动材料的气体流量分数的预定气体密度和表示液流部分的预定液体密度的至少一个，并从该比较确定液流部分或气体流量分数的一个或多个。

在本方法的一个方面中，该方法包括确定多相流动材料中水中带汽气体或汽中带水液体的一个或多个。

在本方法的另一方面中，产生包括利用希耳伯特变换产生第一90度相移和第二90度相移。

在本方法的又一另一方面中，计算频率包括从第一90度相移和第二90度相移计算频率。

在本方法的又一另一方面中，计算相差包括从第一传感器信号，第一90度相移和第二传感器信号计算相差。

在本方法的又一另一方面中，计算相差包括从第一传感器信号，第一90度相移，第二传感器信号和第二90度相移计算相差(220)。

在本方法的又一另一方面中，该方法进一步包括分离频率成至少气体频率分量和液体频率分量，从频率响应和气体频率分量和液体频率分量的一个或多个确定气体的空隙度或液体分数的一个或多个，利用气体的空隙度确定多相流动材料的液体流成分的液相密度或气体流成分的气相密度的一个或多个，以及利用气体的空隙度或液体分数的一个或多个确定多相流动材料的水中带汽气体或汽中带水液体的一个或多个。

在本方法的又一另一方面中，分离包括利用一个或多个滤波器处理频率响应，该一个或多个滤波器基本上拒绝气体频率分量和液体频率分量的一个。

在本方法的又一另一方面中，分离包括利用第一滤波器滤波频率响应，该第一滤波器基本上拒绝气体频率分量，并且基本上通过液体频率分量，以及利用第二滤波器滤波频率响应，该第二滤波器基本上拒绝液体频率分量，并且基本上通过气体频率分量，其中第一滤波器输出液体频率分量，并且第二滤波器输出气体频率分量。

在本方法的又一另一方面中，确定气体的空隙度或液体分数的一个或多个包括从频率响应计算总密度，从液体频率分量计算液体成分密度，从气体频率分量计算气体成分密度，以及计算气体的空隙度为液体成分密度减去总密度除以液体成分密度减去气体成分密度的比。

在本方法的又一另一方面中，该方法进一步包括分离频率响应成至少气体频率分量和液体频率分量，从频率响应确定总密度，从气体频率分量确定气体密度，从频率响应和气体频率分量和液体频率分量的一个或多个确定气体的空隙度，以及从与气体密度除以总密度的比相乘的气体的空隙度确定质量分数。

在本方法的又一另一方面中，该方法进一步包括从频率响应确定流动材料的质量流量，以及利用质量分数和质量流量确定第一流成分质量和第二流成分质量的至少一个。

在本方法的又一另一方面中，该方法进一步包括平方频率响应，以便产生平方的频率响应，倒置平方的频率响应，以便产生基本上瞬时的流路密度，比较基本上瞬时的流路密度与表示气体流动材料的气体流量分数的预定气体密度和表示液体流量分数的预定液体密度的至少一个，以及从该比较确定液体流量分数或气体流流量分数的一个或多个。

附图说明

在所有附图中相同的附图标记表示相同的元件。

图1描述了本发明的例子中的科里奥利流量计；

图2示出了依据本发明的实施例的流量计电子器件；

图3是依据本发明的实施例处理流量计中的传感器信号的方法的流程图；

图4示出了依据本发明的实施例的流量计电子器件；

图5是依据本发明的实施例处理流量计中的第一和第二传感器信号的方法的流程图；

图6是依据本发明的实施例的处理系统的一部分的方块图；

图7示出了依据本发明的实施例的希耳伯特变换块的细节；

图8和9是依据本发明的实施例的分析块的两个独立分支的方块图；

图10是正常条件下流量计的拾取传感器信号的功率谱密度曲线图；

图11示出了依据单独的相移实施例的希耳伯特变换块；

图12示出了用于单独的相移实施例的分析块；

图13示出了如相比较于现有技术的本发明的传感器处理，其中比较每一个的时间差(Δt)值；

图14示出了依据本发明的另一实施例的流量计电子器件；

图15是对于空气，对于液体，以及对于组合空气/液体混合物(也就是对于包括携带气体的液体)的流量计频率响应的曲线图；

图16是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图；

图17是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图；

图18是依据本发明的实施例示出可以用于分离液体频率分量和气体频率分量的低通和高通滤波器响应的频率曲线图；

图19是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图；

图20是陷波滤波器频率响应的曲线图；

图21是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图；

图22是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中流成分的质量分数的方法的流程图；

图23是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中流成分的质量分数的方法的流程图；

图24是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的气体流动材料中的液流部分的方法的流程图；

图25是天然气密度相对于乙二醇百分比(也就是液体流量分数)的图表；

图26是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的气体流动材料中的液体流量分数的方法的流程图；

图27是依据本发明的实施例处理流量计中的传感器信号的方法的流程图。

具体实施方式

图1-27和下面的说明描述了具体的例子，以便教导本领域技术人员如何获得和利用本发明的最佳模式。为了教导发明原理，已经简化或省略了一些传统方面。本领域技术人员可以理解落入本发明的范围的这些例子的变形。本领域技术人员可以理解可以以各种方式组合在下面所述的特征，以便形成本发明的多个变形。因此，本发明不局限于下面所述的具体例子，而是仅通过权利要求和它们的等价物来限定。

图1示出了包括流量计装置10和流量计电子器件20的科里奥利流量计5。流量计装置10响应于加工材料的质量流量和密度。经由引线100，流量计电子器件20被连接至流量计装置10，以便在路径26之上提供密度、质量流量和温度信息，以及与本发明无关的其它信息。描述了一种科里奥利流量计结构，对本领域技术人员来说显而易见，本发明可以实现为振动管密度计，而不具有科里奥利质量流量计所提供的附加测量能力。

流量计装置10包括一对歧管150和150′、具有凸缘颈部110和110′的凸缘103和103′、一对平行的流管130和130′、驱动机构180、温度传感器190、以及一对速度传感器170L和170R。流管130和130′具有两个基本上直的入口管腿131和131′和出口管腿134和134′，其在流管装配块120和120′处朝向彼此地收敛。流管130和130′在沿着它们的长度的两个对称位置处弯曲，并且贯穿它们的长度基本上平行。撑杆140和140′用于确定轴W和W′，每一个流管关于该轴振动。

流管130和130′的侧管腿131，131′和134，134′固定连接至流管装配块120和120′，并且这些块进而固定连接至歧管150和150′。这提供了通过科里奥利流量计装置10的连续的封闭材料路径。

当具有孔102，102′的凸缘103和103′经由入口端104和出口端104′连接到加工线(未示出)时，该加工线运载被测量的加工材料，材料通过凸缘103中的孔101进入流量计的末端104，通过歧管150被引导至具有表面121的流管装配块120。在歧管150内部，材料被分开并且路由通过流管130和130′。在流出流管130和130′后，加工材料在歧管150′中重新组合为单一流，并且其后路由从出口端104′流出，该出口端104′通过具有螺栓孔102′的凸缘103′连接至加工线(未示出)。

流管130和130′被选择和合适地装配至流管装配块120和120′，从而分别具有基本相同的质量分布、关于弯曲轴W-W和W′-W′的惯性矩和杨氏模量。这些弯曲轴通过撑杆140和140′。由于流管的杨氏模量随着温度改变，并且该改变影响流量和密度的计算，电阻式温度检测器(RTD)190被装配至流管130′，以便连续地测量流管的温度。流管的温度以及对于通过其中的给定电流由此横越RTD显现的电压受到通过流管的材料的温度控制。横越RTD显现的取决于温度的电压以熟知的方法由流量计电子器件20使用，以便补偿由于流管温度的任何变化而产生的流管130和130′的弹性模量的变化。通过引线195，该RTD被连接至流量计电子器件20。

在关于它们各个弯曲轴W-W和W′-W′的相对方向上，由驱动器180驱动两个流管130和130′，并且被称为流量计的第一异相弯曲模式。该驱动机构180可以包括多个熟知布置的任何一个，比如装配至流管130′的磁体，以及装配至流管130的相对线圈，并且为了使两个流管振动，交流电通过所述线圈。经由引线185，由流量计电子器件20施加适当的驱动信号至驱动机构180。

流量计电子器件20在引线195上接收RTD温度信号，并且左和右速度信号分别在引线165L和165R上显现。流量计电子器件20产生显现在引线185上的驱动信号，以便驱动元件180和振动管130和130′。流量计电子器件20处理左和右速度信号和RTD信号，以便计算通过流量计装置10的质量流量和密度。通过路径26，这一信息与其它信息一起由流量计电子器件20应用于应用装置29。

图2示出了依据本发明的实施例的流量计电子器件20。流量计电子器件20可以包括接口201和处理系统203。流量计电子器件20从流量计装置10接收第一和第二传感器信号210和211，比如拾取/速度传感器信号。流量计电子器件20可以作为质量流量计工作，或可以作为密度计工作，包括作为科里奥利流量计工作。流量计电子器件20处理第一和第二传感器信号210和211，从而获得流过流量计装置10的流动材料的流动特性。例如，流量计电子器件20可以确定例如传感器信号的相差、频率、时间差(Δt)、密度、质量流量和体积流量中的一个或者多个。此外，依据本发明可以确定其它流动特性。下面将讨论该确定操作。

相差确定和频率确定比现有技术中的这种确定快速和精确和可靠的多。在一个实施例中，从仅一个传感器信号的相移直接获得该相差确定和频率确定，而不需要任何频率参考信号。这有利地减小了需要的处理时间，以便计算流动特性。在又一实施例中，从两个传感器信号的相移获得相差，同时，仅从一个相移信号获得频率。这增大了两个流动特性的精确度，并且可以比现有技术更快速地确定频率和相差。

现有技术频率确定方法典型地花费1-2秒钟用以执行。相反，依据本发明的频率确定可以在仅仅50毫秒(ms)中执行。甚至可以预期更快速的频率确定，取决于处理系统的类型和配置、振动响应的采样率、滤波器尺寸、抽取率等。在50ms频率确定比率处，依据本发明的流量计电子器件20可以比现有技术快大约40倍。

经由图1的引线100，接口201从速度传感器170L和170R中的一个接收传感器信号。接口201可以执行任何需要的或期望的信号条件，比如任何方式的格式化、放大、缓冲等。可替代地，在处理系统203中可以执行其中的一些或全部信号调整。

此外，接口201可以允许流量计电子器件20和外部装置之间的通信。接口201能够进行任何方式的电、光或无线通信。

一个实施例中的接口201与数字转换器202耦合，其中传感器信号由模拟传感器信号构成。数字转换器202对模拟传感器信号进行采样和数字化，并产生数字传感器信号。数字转换器202也可以执行任何需要的抽取，其中抽取数字传感器信号以便减小需要的信号处理量并减小处理时间。下面将更详细地讨论抽取操作。

处理系统203管理流量计电子器件20的操作，并且处理来自流量计装置10的流测量。处理系统203执行一个或多个处理程序，并因此处理流测量，从而产生一个或多个流动特性。

处理系统203可以包括通用计算机，微处理系统，逻辑电路或一些其它通用或定制处理装置。可以在多个处理装置中分布处理系统203。处理系统203可以包括任何方式的整体式或独立的电子存储介质，比如存储系统204。

处理系统203处理传感器信号210，从而从传感器信号210确定一个或多个流动特性。例如对于流动材料，一个或多个流动特性可以包括相差、频率、时间差(Δt)、质量流量和/或密度。

在示出的实施例中，处理系统203根据两个传感器信号210和211和单一传感器信号的相移213确定流动特性。处理系统203根据两个传感器信号210和211和单一的相移213可以至少确定相差和频率。结果，通过依据本发明的处理系统203可以处理任一第一或第二相移传感器信号(比如上游或下游拾取信号)，从而确定用于流动材料的相差、频率、时间差(Δt)和/或质量流量。

存储系统204可以存储流量计参数和数据，软件程序，常量和变量。在一个实施例中，存储系统204包括处理系统203所执行的程序。在一个实施例中，存储系统204存储相移程序212，相差程序215，频率程序216，时间差(Δt)程序217和流动特性程序218。

在一个实施例中，存储系统204存储用于操作流量计比如科里奥利流量计5的变量。一个实施例中的存储系统204存储变量，比如第一传感器信号210和第二传感器信号211，其从速度/拾取传感器170L和170R接收。此外，存储系统204可以存储为了确定流动特性而产生的90度相移213。

在一个实施例中，存储系统204存储从流动测量获得的一个或多个流动特性。在一个实施例中的存储系统204存储流动特性，比如相差220，频率221，时间差(Δt)222，质量流量223，密度224和体积流量225，全部从传感器信号210确定。

相移程序212对输入信号执行90度的相移，也就是对传感器信号210。一个实施例中的相移程序212执行希耳伯特变换(下面讨论)。

利用单独的90度相移213，相差程序215确定相差。也可以使用附加信息，从而计算相差。从第一传感器信号210、第二传感器信号211和90度相移213计算一个实施例中的相差。确定的相差可被存储于存储系统204的相差220中。当从90度相移213确定时，可以比现有技术更快速地计算和获得相差。这可以在具有高流量或者其中出现多相流的流量计应用中提供临界差。此外，可以与任一传感器信号210或211的频率无关地确定相差。此外，由于与频率无关地确定相差，相差中的误差分量不包括频率确定的误差分量，也就是说在相差测量中不存在混合误差。因此，相比现有技术的相差，减小了相差误差。

频率程序216从90度相移213确定频率(比如由第一传感器信号210或第二传感器信号211显示出的)。确定的频率可被存储于存储系统204的频率221中。当从单个的90度相移213确定时，可以比现有技术更快速地计算和获得频率。这可以在具有高流量或者其中出现多相流的流量计应用中提供临界差。

时间差(Δt)程序217确定第一传感器信号210和第二传感器信号211之间的时间差(Δt)。时间差(Δt)可被存储于存储系统204的时间差(Δt)222中。该时间差(Δt)基本上包括被确定的频率除的确定相位，并因此用于确定质量流量。

流动特性程序218可以确定一个或多个流动特性。流动特性程序218例如可以利用确定的相差220和确定的频率221，从而实现这些附加的流动特性。可以理解，对于这些确定可以需要附加的信息，比如质量流量或密度。流动特性程序218可以根据时间差(Δt)222并因此根据相差220和频率221确定质量流量。在Titlow等人的U.S.专利No.5,027,662中给出用于确定质量流量的公式，并且于此被参考结合。质量流量涉及流量计装置10中流动材料的质量流。同样地，流动特性程序218也可以确定密度224和/或体积流量225。确定的质量流量、密度和体积流量可被分别存储于存储系统204的质量流量223、密度224和体积225中。此外，通过流量计电子器件20可以传送流动特性至外部装置。

图3是在依据本发明的实施例处理流量计中的传感器信号的方法的流程图300。在步骤301中，接收第一和第二传感器信号。第一传感器信号可以包括上游或下游拾取传感器信号。

在步骤302中，可以调节传感器信号。在一个实施例中，调节可以包括用以移除噪声和不想要的信号的滤波。在一个实施例中，滤波可以包括在流量计的预期基频周围处于中央的带通滤波器。此外，可以执行其他调节操作，比如放大，缓冲等。如果传感器信号包括模拟信号，该步骤可以进步包括可被执行的任何方式的采样、数字化和抽取，从而生成数字传感器信号。

在步骤303中，产生单个的90度相移。该90度相移包括传感器信号的90度相移。通过任何方式的相移机构或操作可以执行该90度相移。在一个实施例中，利用希耳伯特变换执行该90度相移，操作数字传感器信号。

在步骤304中，利用单个的90度相移计算相差。也可以利用附加信息，从而计算相差。在一个实施例中，从第一传感器信号，第二传感器信号和单个的90度相移确定相差。该相差包括响应信号中的相差，也就是拾取传感器中的相差，由于振动流量计装置10中的科里奥利效应，其可被看到。

确定得到的相差，而在计算中不需要任何频率值。可以比利用频率计算的相差快得多地获得所得到的相差。得到的相差比利用频率计算的相差具有更大的精确度。

在步骤305中，计算频率。从90度相移有利地计算依据本发明的频率。一个实施例中的频率利用90度相移和对应的传感器信号，从该传感器信号获得90度相移。该频率是第一传感器信号和第二传感器信号中的一个的振动响应频率(在操作中两个传感器信号的频率基本上相等)。该频率包括流管对通过驱动器180产生的振动的振荡频率响应。

获得因此导出的频率，而不需要任何无关的频率参考信号。在操作中从单独的90度相移获得该频率，这比现有技术要快得多。得到的频率比现有技术中计算的频率具有更大的精确度。

在步骤306中，计算流动材料的质量流量。从在步骤304和305中计算的得到的相差和得到的频率计算质量流量。此外，质量流量计算从相差和频率可以计算时间差(Δt)，时间差(Δt)最终用于计算质量流量。

在步骤307中，可以任意确定密度。该密度可被确定为流动特性的一个，并且例如可从频率被确定。

在步骤308中，可以任意确定体积流量，该体积流量可被确定为流动特性的一个，并且例如可从质量流量和密度被确定。

图4示出了依据本发明的实施例的流量计电子器件20。和图2相同的元件共有相同的参考数字。

该实施例中的流量计电子器件20包括第一传感器信号210和第二传感器信号211。处理系统203处理第一和第二(数字)传感器信号210和211，从而从该信号确定一个或多个流动特性。如先前讨论的，一个或多个流动特性可以包括用于流动材料的相差，频率，时间差(Δt)，质量流量，密度和/或体积流量。

在示出的实施例中，处理系统203仅从两个传感器信号210和211确定流动特性，而不需要任何外部频率测量，并且不需要外部频率参考信号。处理系统203从两个传感器信号210和211可以至少确定相差和频率。

如先前讨论的，存储系存储相移程序212，相差程序215，频率程序216，时间差(Δt)程序217和流动特性程序218。存储系统204存储第一传感器信号210和第二传感器信号211。存储系统204也存储从传感器信号产生的第一90度相移213和第二90度相移，从而确定流动特性。如先前讨论的，存储系统204存储相差220、频率221、时间差(Δt)222、质量流量223、密度224和体积流量225。

相移程序212对输入信号执行90度相移，包括对第一传感器信号210和第二传感器信号211。一个实施例中的相移程序212实施希耳伯特变换(下面讨论)。

相差程序215利用第一90度相移213和第二90度相移214来确定相差。还可以利用附加信息，从而计算相差。在一个实施例中从第一传感器信号210，第二传感器信号211，第一90度相移212和第二90度相移213计算相差。确定的相差可被存储于存储系统204的相差220中，如先前讨论的。当利用第一和第二90度相移确定时，可以比现有技术快得多地计算和获得相差。这可以在具有高流量或者其中出现多相流的流量计应用中提供临界差。此外，可以与任一传感器信号210或211的频率无关地确定相差。此外，由于与频率无关地确定相差，相差中的误差分量不受频率确定的误差分量的影响，也就是说在相差测量中不存在混合误差。因此，相比现有技术的相差，减小了相差误差。

频率程序216从第一90度相移213和第二90度相移214确定频率(比如通过第一90度相移210或第二90度相移211显示的)。确定的频率可被存储于存储系统204的频率221中，如先前讨论的。当利用第一和第二90度相移确定时，可以比现有技术快得多地计算和获得频率。这可以在具有高流量或者其中出现多相流的流量计应用中提供临界差。

时间差(Δt)程序217确定第一传感器信号210和第二传感器信号211之间的时间差(Δt)。时间差(Δt)可被存储于存储系统204的时间差(Δt)222中，如先前讨论的。该时间差(Δt)基本上包括被确定的频率相除的确定相位，并因此用于确定质量流量。

如先前讨论的，流动特性程序218可以确定质量流量，密度和/或体积流量的一个或多个。

图5是在依据本发明的实施例处理流量计中的第一和第二传感器信号的方法的流程图500。在步骤501中，接收第一传感器信号。在一个实施例中，第一传感器信号包括上游或下游拾取传感器信号。

在步骤502中，接收第二传感器信号。在一个实施例中，第二传感器信号包括上游或下游拾取传感器信号(与第一传感器信号相反)。

在步骤503中，可以调节传感器信号。在一个实施例中，调节可以包括用以移除噪声和不想要的信号的滤波。在一个实施例中，滤波可以包括带通滤波，如先前讨论的。此外，可以执行其他调节操作，比如放大，缓冲等。如果传感器信号包括模拟信号，该步骤可以进步包括可被执行的任何方式的采样、数字化和抽取，从而生成数字传感器信号。

在步骤504中，产生第一90度相移。该第一90度相移包括第一传感器信号的90度相移。通过任何方式的机构或操作可以执行该90度相移。在一个实施例中，利用希耳伯特变换执行该90度相移，操作数字传感器信号。

在步骤505中，产生第二90度相移。该第二90度相移包括第二传感器信号的90度相移。如在第一90度相移中的，通过任何方式的机构或操作可以执行该90度相移。

在步骤506中，利用第一90度相移和第二90度相移，在第一传感器信号和第二传感器信号之间计算相差。也可以利用附加信息，从而计算相差。在一个实施例中，根据第一传感器信号，第二传感器信号，第一90度相移和第二90度相移确定相差。该相差包括响应信号中的相差，也就是在两个拾取传感器中，由于振动流量计装置10中的科里奥利效应，其可被看到。

确定得到的相差而在计算中不需要任何频率值。和利用频率计算的相差相比，可以更快速地获得得到的相差。得到的相差比例用频率计算的相差具有更大的精确度。

在步骤507中，计算频率。从第一90度相移和第二90度相移有利地计算依据本发明的频率。一个实施例中的频率利用90度相移和对应的传感器信号，从该传感器信号获得90度相移。该频率是第一传感器信号和第二传感器信号中的一个的振动响应频率(在操作中两个传感器信号的频率基本上相等)。该频率包括对流管对于通过驱动器180产生的振动的振荡频率响应。

获得因此导出的频率，而不需要任何无关的频率参考信号。在操作中从90度相移获得该频率，这比现有技术要快得多。得到的频率比现有技术中计算的频率具有更大的精确度。

在步骤508中，计算流动材料的质量流量。根据在步骤506和507中计算的得到的相差和得到的频率来计算质量流量。此外，质量流量计算根据相差和频率可以计算时间差(Δt)，时间差(Δt)最终用于计算质量流量。

在步骤509中，可以可选地确定密度，如先前讨论的。

在步骤510中，可以可选地确定体积流量，如先前讨论的。

图6是依据本发明的实施例的处理系统203的一部分的方块图600。在该图中，方块表示处理电路或处理动作/程序。方块图600包括1阶滤波器块601，2阶滤波器块602，希耳伯特变换块603和分析块604。LPO和RPO输入包括左拾取信号输入和右拾取信号输入。LPO或RPO可以包括第一传感器信号。

在一个实施例中，1阶滤波器块601和2阶滤波器块602包括数字有限脉冲响应(FIR)多相抽取滤波器，在处理系统203中被实施。这些滤波器提供用于滤波和抽取一个或两个传感器信号的最佳方法，在相同的时序时间处和以相同的抽取率执行滤波和抽取。作为替代的，1阶滤波器块601和2阶滤波器块602可以包括无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它合适的数字滤波器或滤波处理。然而，可以理解，可以预期其它滤波处理和/或滤波实施例，并且在说明书和权利要求书的范围内。

图7示出了依据本发明的实施例的希耳伯特变换块603。在示出的实施例中，希耳伯特变换块603包括LPO分支700和RPO分支710。该LPO分支700包括与LPO滤波器块702并联的LPO延迟块701。同样地，RPO分支包括与RPO滤波器块712并联的RPO延迟块711。LPO延迟块701和RPO延迟块711引入采样延迟。LPO延迟块701和RPO延迟块711因此选择LPO和RPO数字信号采样，该LPO和RPO数字信号采样比通过LPO滤波器块702和RPO滤波器块712滤波的LPO和RPO数字信号采样在时序时间上要晚。该LPO滤波器块702和RPO滤波器块712对输入的数字信号采样执行90度相移。

希耳伯特变换块603是第一步骤，用以提供相位测量。该希耳伯特变换块603接收滤波的、抽取的LPO和RPO信号，并且执行希耳伯特变换。该希耳伯特变换产生LPO和RPO信号的90度相移版本，也就是它产生原始、同相信号(I)分量的正交分量(Q)。希耳伯特变换块603的输出因此提供新的正交(Q)分量LPO Q和RPO Q，连同原始、同相信号(I)分量LPO I和RPO I一起。

至希耳伯特变换块603的输入可以被表示为：

LPO＝A_lpo cos(ωt)                                      (2)

RPO＝A_rpo cos(ωt+φ)                                   (3)

利用希耳伯特变换，输出变成：

LPO_hilbert＝A_lpo sin(ωt)                               (4)

RPO_hilbert＝A_rpo sin(ωt+φ)]                           (5)

组合原始项与希耳伯特变换的输出获得：

LPO＝A_lpo[cos(ωt)+i sin(ωt)]＝A_lpoe^j(ωt)             (6)

RPO＝A_rpo[cos(ωt+φ)+isin(ωt+φ)]＝A_rpoe^j(ωt+φ)    (7)

图8和9是依据本发明的实施例的分析块604的两个独立分支的方块图。分析块604是频率、差分相位和德耳塔T(Δt)测量的最后阶段。图8是包括第一分支的相位部分604a，该第一分支从同相(I)和正交(Q)分量确定相差。图9是从单个的传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量确定频率的频率部分604b。单个的传感器信号可以包括LPO信号，如示出的，或者可以可替代地包括RPO信号。

在图8的实施例中，分析块604的相位部分604a包括结合块801a和801b，共轭块802，复数乘法块803，滤波器块804和相角块805。

该结合块801a和801b接收传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量，并且传送它们。共轭块802对传感器信号(在这里是LPO信号)执行复共轭，并形成假象信号的负值。复数乘法块803使RPO信号和LPO信号相乘，下面执行方程(8)。滤波器块804执行数字滤波，比如上面讨论的FIR滤波。滤波器块804可以包括多相抽取滤波器，该多相抽取滤波器用于从传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量移除谐波内容，以及抽取信号。滤波系数可被选择为提供输入信号的抽取，比如以例如因数10抽取。相角块805根据LPO信号和RPO信号的同相(I)和正交(Q)分量确定相角。相角块805执行下面示出的方程(11)。

图8中示出的相位部分604a执行下面的方程：

$\overline{\mathrm{LPO}}\times \mathrm{RPO}=A_{\mathrm{lpo}}{e}^{-j\left(\mathrm{\omega t}\right)}\times A_{\mathrm{Rpo}}{e}^{j(\mathrm{\omega t}+\phi )}=A_{\mathrm{lpo}}\times A_{\mathrm{Rpo}}{e}^{j(-\mathrm{\omega t}+\mathrm{\omega t}+\phi )}---\left(8\right)$

其中LPO是LPO的复共轭，假定

A_Rpo＝A_Lpo＝A    (9)

然后：

$\overline{\mathrm{LPO}}\times \mathrm{RPO}=A^2{e}^{j\left(\phi \right)}=A^2[\cos \left(\phi \right)+i\sin \left(\phi \right)]---\left(10\right)$

得到的差分相角是：

$\phi ={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin \left(\phi \right)}{\cos \left(\phi \right)}\right]---\left(11\right)$

图9是依据本发明的分析块604的频率部分604b的方块图。频率部分604b可以对左或右拾取信号(LPO或RPO)作用。示出的实施例中的频率部分604b包括结合块901，复共轭块902，采样块903，复数乘法块904，滤波器块905，相角块906，常量块907和除法块908。

如上所述，结合块901接收传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量，并且传送它们。共轭块902对传感器信号执行复共轭，在这里为LPO信号，并形成假象信号的负值。延迟块903引入采样延迟进入频率部分604b，并因此选择在时间上时序陈旧的数字信号采样。该陈旧的数字信号采样在复数乘法块904中与当前数字信号相乘。复数乘法块904使RPO信号和LPO共轭信号相乘，执行下面的方程(12)。滤波器块905执行数字滤波，比如上面讨论的FIR滤波。滤波器块905可以包括多相抽取滤波器，该多相抽取滤波器用于从传感器信号的同相(I)和正交(Q)分量移除谐波含量，以及抽取信号。滤波系数可被选择为提供所输入信号的抽取，比如以例如因数10抽取。相角块906根据LPO信号的同相(I)和正交(Q)分量确定相角。相角块906执行下面的方程(13)的一部分。常量块907提供因数，该因数包括被两个π相除的采样率F_S，如方程(14)中示出的。除法块908执行方程(14)的除法操作。

频率部分604b执行下面的方程：

${\overline{\mathrm{LPO}}}_{(n-1)}\times {\mathrm{LPO}}_{\left(n\right)}=A_{\mathrm{lpo}}{e}^{-j\left(\omega t_{-1}\right)}\times A_{\mathrm{Lpo}}{e}^{j\left(\mathrm{\omega t}\right)}={A^2}_{\mathrm{lpo}}{e}^{j(\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1})}---\left(\text{12}\right)$

两个连续采样之间的角度因此是：

$\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1}={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin (\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1})}{\cos (\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1})}\right]---\left(13\right)$

其是左拾取的弧度频率。转换成Hz：

$f_{\mathrm{lpo}}=\frac{(\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1})\times \mathrm{Fs}}{2\pi }---\left(14\right)$

其中“F_S”是希耳伯特变换块603的速率。在先前讨论的例子中，F_S是大约2kHz。

图10是正常条件下流量计的拾取传感器信号的功率谱密度曲线图。流量计的基频是曲线的最高尖峰信号，并且位于大约135Hz处。该图也示出频率谱中几个其它大的尖峰信号(第一非基谐模式是基谐模式的频率大约1.5倍的频率处的扭曲模式)。这些尖峰信号包括流量计的谐波频率，并且也包括其它、不期望的传感器模式(也就是扭曲模式，第二弯曲模式等)。

图11示出了依据单个相移的实施例的可替代的希耳伯特变换块603′。该实施例中的希耳伯特变换块603′包括LPO分支1100和RPO分支1110。LPO分支1100包括与滤波器块702并联的延迟块701。该实施例中的RPO分支1110仅包括延迟块701。如之前的，延迟块701引入采样延迟。如之前的，滤波器块702对输入数字信号采样执行90度相移。可以理解，可替代地，希耳伯特变换块603′可以只相移RPO信号。

该处理实施例利用仅一个传感器信号的希耳伯特变换/相移，从而获得频率和相差(见图2-3)。这显著地减小了需要用于执行相位测量的计算的数量，并且显著地减小了需要用于获得质量流量的计算的数量。

在该实施例中，希耳伯特变换块603′的输出将提供左或右传感器信号的正交(Q)分量，而不是此两者。在下面的实施例中，LPO信号被相移。

LPO＝A_lpo cos(ωt)                            (26)

RPO＝A_rpo cos(ωt+φ)                         (27)

利用希耳伯特变换，输出变成：

LPO_hilbert＝A_lpo sin(ωt)                     (28)

RPO＝A_rpo cos(ωt+φ)                         (29)

组合LPO原始项与希耳伯特变换的输出(也就是与90度相移)，获得：

LPO＝A_lpo[cos(ωt)+isin(ωt)]＝A_lpoe^j(ωt)    (30)

同时，RPO保持相同：

$\mathrm{RPO}=A_{\mathrm{rpo}}\cos (\mathrm{\omega t}+\phi )=A_{\mathrm{rpo}}\left[\frac{e^{j(\mathrm{\omega t}+\phi )}+e^{-j(\mathrm{\omega t}+\phi )}}{2}\right]---\left(31\right)$

图12示出了用于单个相移的实施例的分析块604a’。该实施例中的分析块604a’包括结合块801，复数乘法块803，低通滤波器块1201和相角块805。该实施例中的分析块604a’执行下面的方程：

$\mathrm{LPO}\times \mathrm{RPO}=A_{\mathrm{lpo}}{e}^{-j\left(\mathrm{\omega t}\right)}\times A_{\mathrm{rpo}}\left[\frac{e^{j(\mathrm{\omega t}+\phi )}+e^{-j(\mathrm{\omega t}+\phi )}}{2}\right]=\frac{A_{\mathrm{lpo}}\times A_{\mathrm{Rpo}}}{2}[e^{j(-\mathrm{\omega t}+\mathrm{\omega t}+\phi )}+e^{j(\mathrm{\omega t}+\mathrm{\omega t}+\phi )}]---\left(32\right)$

低通滤波器块1201包括移除通过复数乘法块803产生的高频分量的低通滤波器。该低通滤波器块1201可以执行任何方式的低通滤波操作。乘法操作的结果产生两个项。(-ωt+ωt+φ)项组合和简化成仅相位φ项(DC结果)，这是因为(-ωt)和(ωt)项彼此抵消。(ωt+ωt+φ)简化成(2ωt+φ)项，在两倍频率处。由于结果是两个项的和，可以移除高频(2ωt+φ)项。在这里仅感兴趣的信号是DC项。利用低通滤波器，高频(2ωt+φ)项可以从结果中被滤除掉。低通滤波器的截止可以被定位在零和2ω之间的任何位置处。

在滤波之后，结果是：

$\mathrm{LPO}\times \mathrm{RPO}=A^2{e}^{j\left(\phi \right)}=\frac{A^2}{2}[\cos \left(\phi \right)+i\sin \left(\phi \right)]---\left(33\right)$

因此，差分相角是：

$\phi ={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin \left(\phi \right)}{\cos \left(\phi \right)}\right]---\left(34\right)$

通过对一个拾取信号而不是两个进行希耳伯特变换，有利地减小了需要用于在科里奥利质量流量计中执行相位和频率评估的计算负载。利用两个传感器信号可以因此确定相位和频率，但是仅利用一个90度相移。

图13示出了如相比较于现有技术的本发明的传感器处理，其中比较每一个的时间差(Δt)值。该图示出了包括气体流(也就是例如气泡)的流动材料。在该条件下，由于相位和频率计算的比率，在新的算法中基本上减小了流动噪声。从图中可以看出，通过本发明获得的结果不显示在现有技术(Δt)测量中反映的大的峰和谷。

图14示出了依据本发明的另一实施例的流量计电子器件20。该实施例的流量计电子器件20可以包括接口201，数字转换器202，处理系统203和存储系统204，如先前讨论的。和其它实施例相同的元件和/或程序共用公共参考数字。可以理解，该图的流量计电子器件20可以包括各种其它元件和/或程序，比如先前讨论的那些。

在操作中，流量计电子器件20接收和处理来自流量计装置10的第一传感器信号210和第二传感器信号211，从而确定流过流量计5的流动材料中流动成分的质量分数。质量分数是两相流动流中第一流成分和第二流成分之间质量流的比率。质量分数可以用于确定各种流成分的质量。例如，该流可以包括液体成分和气体成分。流动材料的总质量流量与质量分数相乘，从而获得液体成分的质量流量和气体成分的质量流量的一个或多个。该液体可以包括任何方式的液体，并且气体可以包括任何方式的气体。该气体可以包括例如空气。下面的讨论集中于流体中的空气，但是可以理解，本发明应用于任何气体。

流量计电子器件20接收和处理第一传感器信号210和第二传感器信号211。一个处理动作是根据传感器信号的一个或两个产生频率响应14010，如先前讨论的。频率响应1410包括对供给的驱动振动响应的流量计装置10的频率。流量计电子器件20分离频率响应1410成气体频率分量1412和液体频率分量1416。流量计电子器件20从频率响应1410确定总密度(ρ_mix)1420。同样地，从气体频率分量1412确定气体成分密度(ρ_gas)1421。流量计电子器件20利用频率响应1410以及气体频率分量1412和液体频率分量1416的一个或多个，以便确定气体的空隙度1418。流量计电子器件20进一步利用空隙度1418，总密度1420和气体密度1421，以便确定质量分数1419。质量分数(mf)被定义成：

$\mathrm{mf}=\frac{m_1}{m_1+m_2}---\left(35\right)$

在一个实施例中，质量分数包括气体的质量分数(mf_gas)。气体的质量分数包括：

${\mathrm{mf}}_{\mathrm{gas}}=\frac{m_{\mathrm{gas}}}{m_{\mathrm{gas}}+m_{\mathrm{fluid}}}---\left(36\right)$

然而，可以理解，可替代地，本发明可以确定流动材料中液体的质量分数(mf_fluid)，或者其他任何质量分数。液体的质量分数(mf_fluid)包括气体的质量分数的分量。

${\mathrm{mf}}_{\mathrm{fluid}}=\frac{m_{\mathrm{fluid}}}{m_{\mathrm{gas}}+m_{\mathrm{fluid}}}---\left(37\right)$

然而，为了简化，该讨论将集中于气体的质量流(mf_gas)。

处理系统203可以进一步被布置成利用第一传感器信号210和第二传感器信号211而确定气体流动材料的总密度1420，比较总密度1420与表示气体流动材料的气体流量分数的气体密度1421或表示液体流量分数的液体密度1422的至少一个，并且根据总密度1420和气体密度1421和液体密度1422的至少一个确定液体分数1427。在一些实施例中，总密度1420与气体密度1421和液体密度1422相比较。此外，处理系统203可被布置成利用频率响应1410确定气体流动材料的总密度1420，并且根据总密度1420确定液体分数1427和/或气体分数1428。

气体流动材料可以包括任何气体或气体混合物。一种类型的气体流动材料包括从油井获得的气体。例如，气体流动材料可以包括天然气。然而，可以预期其它气体或气体混合物都是在说明书和权利要求书的范围中。

液体流量分数可以包括在气体流动材料中导致携带的任何液体。液体流量分数可以包括液流，液态蒸汽或液滴。例如，液体可以包括天然气流中的水。可替代地，液体可以包括天然气流中的乙二醇，比如来自干燥工艺的乙二醇携带。在另一可替代的实施例中，液体可以包括气体流动材料中的油，比如通过泵，调节器或其它流处理机构被引进入气体流动材料的油。然而，可以预期其它液体或液体组合都是在说明书和权利要求书的范围中。

当液体流量分数通过流量计装置10时，流量计装置10的频率将改变。该频率将随着液体流量分数的增加而减小，与纯气流相反。这是由于当存在液体流量分数时增大的密度所致。因此，流动流密度可以用于确定液体流量分数。

第一传感器信号210和第二传感器信号211包括通过流量计电子器件20基本上连续接收和处理的随时间变化的电信号，比如来自拾取传感器170L和170R的信号。利用先前讨论的处理块(见图6-7和9)可以确定频率响应1410。有利地，当利用先前讨论的高速频率确定时，本发明可以快速、精确和可靠地确定气体的空隙度1418。

该实施例中的处理系统203可以包括空隙度程序1401，陷波滤波器程序1402，质量分数程序1405，水中带汽气体程序1406，汽中带水液体程序1407，密度程序1408和液体流量分数程序1409。处理系统203可以进一步包括一个或多个滤波器或滤波器程序，比如低通滤波器程序1403和高通滤波器程序1404。可替代地，该一个或多个滤波器或滤波器程序可以包括陷波滤波器配置或拒绝窄带频率的其它滤波器配置。处理系统203可以进一步包括频率响应1410，空隙度1418和可以分别存储频率响应测量、空隙度确定和质量分数确定的质量分数1419。处理系统203可以进一步包括为了空隙度和质量分数确定而存储工作频率值的液体频率分量1416和气体频率分量1412。处理系统203可以进一步包括为了空隙度和质量分数确定而存储工作密度值的总密度1420、气体成分密度1421和液体成分密度1422。处理系统203可以进一步包括可以存储相应汽中带水/水中带汽的量水中带汽气体1425和汽中带水液体1426。处理系统203可以进一步包括存储液体成分数量的液体分数1427和存储气体成分数量的气体分数1428。

频率响应1410包括混频(f_mix)，其中频率响应1410可以包括气体频率分量(f_gas)1412和液体频率分量(f_fluid)1416。在这些频率分量从混频(f_mix)中分开和被确定之后可以确定空隙度和质量分数。在任何时候，频率响应1410可以包括任何数量的气体频率分量(f_gas)1412，也就是由于携带气体的频率分量。

图15是对于空气，对于液体，以及对于组合空气/液体混合物(也就是对于包括携带气体的液体)的流量计频率响应的曲线图。气体的密度可不同于流过流量计的流动材料中液体的密度。由于可以从测量的频率中获得密度，与空气相关的频率也可不同于液体的频率。对于其他气体或气体混合物，这也是真实的。

用于计算频率的方程是：

$\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1}={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin (\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1})}{\cos (\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1})}\right]---\left(38\right)$

其中ω是科里奥利流量计的角频率。ω_-1项表示来自先前或较早采样周期的角频率采样。将角频率ω转换成以赫兹(Hz)的频率给出：

$f_{\mathrm{fluid}}=\frac{(\mathrm{\omega t}-{\mathrm{\omega t}}_{-1})\times F_s}{2\pi }---\left(39\right)$

该方程假定仅存在一个频率。如果存在两个频率，如在携带空气(空气的频率和流动材料液体的频率)的情况中，新的方程变成：

$f_{\mathrm{mix}}=\frac{F_s}{2\pi }\times \left({\tan }^{-1}\right[\frac{A_{\mathrm{fluid}}^2\sin ({\omega }_{\mathrm{fluid}}t-w_{\mathrm{fluid}}{t}_{-1})+A_{\mathrm{air}}^2\sin ({\omega }_{\mathrm{air}}t-{\omega }_{\mathrm{air}}{t}_{-1})}{A_{\mathrm{fluid}}^2\cos ({\omega }_{\mathrm{fluid}}t-w_{\mathrm{fluid}}{t}_{-1})+A_{\mathrm{air}}^2\cos ({\omega }_{\mathrm{air}}t-{\omega }_{\mathrm{air}}{t}_{-1})}\left]\right)---\left(40\right)$

其中f_mix是整个流动材料的频率响应，包括气体频率分量(f_gas)和液体频率分量(f_fluid)。

再次参照图14，低通滤波器程序1403执行低通滤波。低通滤波器通过基本上低于低通截止频率的低频。低通滤波器因此可以用于移除高频。

高通滤波器程序1404执行高通滤波。高通滤波器通过基本上高于高通截止频率的高频。高通滤波器因此可以用于移除低频。

陷波滤波器程序1402执行陷波滤波。陷波滤波器拒绝集中于陷波滤波器的频率响应中的“凹口”的狭窄范围的频率。通过。陷波滤波器仅拒绝凹口中的频率。因此，陷波滤波器非常有用于从频率响应1410中移除已知的不期望的频率。

空隙度程序1401确定流动材料中的空隙度(典型地，为气体的空隙度)。从流动成分的密度可以确定空隙度，其中总密度(ρ_mix)包括气体成分密度(ρ_gas)和液体成分密度(ρ_fluid)的和。

密度(ρ)基本上包括：

$\rho \cong {\left(\frac{1}{f}\right)}^2---\left(41\right)$

其中f是流体频率分量1416的频率测量(也就是f_mix)。利用液体频率分量1416可以计算液体成分密度(ρ_fluid)1422。在一个实施例中，液体频率分量1416包括平均混频。利用气体频率分量1412也可以计算气体成分密度(ρ_gas)1421。因此，气体的空隙度被计算为被液体成分密度(ρ_fluid)1422减去总密度(ρ_mix)1420除以液体成分密度(ρ_fluid)1422减去气体成分密度(ρ_gas)1421的比值。

得到的气体的空隙度1418反映了流动材料中的气体对液体的比率。

质量分数程序1405根据频率响应1410确定质量分数1419。在一个实施例中，质量分数程序1405利用确定的空隙度(VF)1418连同得到的密度值一起，计算质量分数1419。

通过密度(ρ)使得质量(m)和体积(V)相关联。因此，密度包括：

$\rho =\frac{m}{V}---\left(43\right)$

结果，质量分数(mf)可被简化成：

$\mathrm{mf}=\frac{m_1}{m_1+m_2}=\frac{m_1}{m_{\mathrm{mix}}}=\frac{{\rho }_1{V}_1}{{\rho }_{\mathrm{mix}}{V}_{\mathrm{mix}}}---\left(44\right)$

由于空隙度(VF)包括体积比：

$\mathrm{VF}=\frac{V_1}{V_{\mathrm{mix}}}---\left(45\right)$

然后质量分数(mf)包括：

$\mathrm{mf}=\mathrm{VF}*\frac{{\rho }_1}{{\rho }_{\mathrm{mix}}}---\left(46\right)$

结果，根据空隙度(VF)、气体成分密度(ρ_gas)1421和总密度(ρ_mix)1422可以确定质量分数。分别根据气体频率分量1412和频率响应1410可以确定气体成分密度(ρ_gas)1421和总密度(ρ_mix)1422。

可以理解，如果已知气体或液体，那么需要仅气体频率分量1412和液体频率分量1416中的一个即可。例如，如果气体包括空气，然后可以假定标准的空气频率响应(以及密度)。结果，可以滤除已知的气体或液体频率，并且仅需要一个滤波步骤。

水中带汽气体程序1406确定多相流动材料中的水中带汽气体数量。通过确定气体的空隙度(VF)，一个实施例中的水中带汽气体程序1406确定水中带汽气体数量。VF值包括总流动材料体积的体积百分比。VF可以因此包括水中带汽气体数量，或者可以被进一步操作以便确定多相流动材料中的气体质量流量mf_GAS。计算气体成分的质量流量。确定的水中带汽气体数量可被存储于水中带汽气体1425中。

汽中带水液体程序1407确定多相流动材料中的汽中带水液体量。通过确定液体分数，该汽中带水液体程序1407确定汽中带水液体量，并且利用液体分数确定多相流动材料中液体成分密度、液体质量流量等的一个或多个。确定的汽中带水液体量可被存储于汽中带水液体1426中。

密度程序1408根据第一传感器信号210和第二传感器信号211确定总密度1420。在一个实施例中，密度程序1408利用流路密度确定中的频率响应1410。总密度1420涉及气体流动材料的密度，并且依据气体流动材料中的液体流量分数而改变。

液体流量分数程序1409利用总密度1420来获得液体分数1427。该液体分数1427和气体流动材料中液体的量(或百分比)有关。下面结合图15对于该确定过程予以讨论。此外，液体流量分数程序1409也可以产生气体分数1428，其中气体分数1428和气体流动材料中气体的量(或百分比)有关。

流量计电子器件20可以附加确定其它流动特性，比如总质量流量，成分质量流量，成分体积等。流量计电子器件20可以与流量计装置10通信，在这种情况中，流量计装置10可以包括产生品率响应的任何方式的流量计。在一个实施例中，流量计装置10可以包括科里奥利流量计。在另一个实施例中，流量计装置10包括振动密度计。

图16是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图1600。在步骤1601中，接收频率响应。例如，该频率响应可在流量计电子器件20中被接收。频率响应包括对包括流动材料的振动流量计装置10的频率响应。流动材料可以包括携带气体。

在一个实施例中，频率响应可以包括第一传感器信号和第二传感器信号。例如，从流量计装置10的拾取传感器170L和170R可以接收第一传感器信号和第二传感器信号。从任一传感器信号可以产生90度相移。该90度相移和第一和第二传感器信号可以用于计算频率响应，其中依据流动材料的质量流量和依据携带气体的存在和数量，频率响应随时间变化。

在步骤1602中，频率响应被分离成气体频率分量1412和液体频率分量1416。这是可行的，因为频率响应1410包括与流动材料中的气体流量有关的气体频率分量和与液体流量有关的液体频率分量。液体包括任意形式的液体。如先前讨论的，通过第一滤波器和第二滤波器可以执行该分离。此外，如先前讨论的，通过低通滤波器和高通滤波器可以执行该分离。

在步骤1603中，如先前讨论的，利用频率响应1410、气体频率分量1412和液体频率分量1416确定空隙度1418。如先前讨论的，该确定可以包括根据频率响应1410、气体频率分量1412和液体频率分量1416确定密度值。得到的气体的空隙度1418可被表示为比率、百分比或其它量度。

图17是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图1700。如上所述，在步骤1701中，接收频率响应。

在步骤1702中，利用第一滤波器处理频率响应。第一滤波器基本上拒绝气体频率分量，并且基本上通过液体频率分量(见图18)。在一个实施例中，第一滤波器包括低通滤波器，其中低通滤波器的低通截止频率基本上高于液体频率分量。结果，低通滤波器基本上通过液体频率分量，并且基本上拒绝气体频率分量。

在步骤1703中，利用第二滤波器处理频率响应。第二滤波器基本上拒绝液体频率分量，并且基本上通过气体频率分量。在一个实施例中，第二滤波器包括高通滤波器，其中高通滤波器的高通截止频率基本上低于气体频率分量(但高于液体频率分量)。结果，高通滤波器基本上通过气体频率分量，并且基本上拒绝液体频率分量。

在步骤1704中，如先前讨论的，利用频率响应1410，气体频率分量1412和液体频率分量1416确定空隙度1418。

图18是示出了依据本发明的实施例可以用于分离液体频率分量和气体频率分量的低通和高通滤波器响应的频率曲线图。曲线的较低线表示包括液体频率分量波瓣和气体频率分量波瓣的流量计频率响应。在频率上，该液体频率分量波瓣低于气体频率分量波瓣。上线包括与截止频率一起的低通滤波器响应和高通滤波器响应。在这里，用于低通和高通滤波器的截值频率基本上在两个波瓣之间中央。低通和高通滤波器可以具有公共的截止频率，或者可以具有不同的截止频率，取决于液体和气体频率分量。可以看出，低通滤波器将输出液体频率分量，并且高通滤波器将输出气体频率分量。因此两个滤波器可以分离频率响应1410成气体频率分量1412和液体频率分量1416。

分离液体和气体频率分量的另一方法包括滤除单个已知的频率分量，以及利用通过滤波操作通过的频率分量，从而确定液体和气体成分密度。例如，在流动材料中的气体是空气的情况中，然后滤波操作可以被布置成滤除集中于典型的空气频率响应的相对狭窄的频带。基本上，从频率响应获得的总密度和从剩余的液体频率分量获得的液体密度分量可以用于确定空气密度项。例如，该气体已知为大气，滤波器(比如陷波滤波器)可以用于基本上拒绝频率响应的空气频率分量。结果，从频率响应1410可以计算总密度(ρ_mix)1420，并从液体频率分量1416可以计算液体成分密度(ρ_FLUID)1422。因此，空气成分密度(ρ_GAS)1421包括：

ρ_mix＝ρ_fluid(1-VF)+ρ_gas                    (47)

该方程可被重新写成：

ρ_mix＝ρ_fluidφ_fluid-ρ_gasφ_gas              (48)

可替代地，可以移除/滤除液体频率分量，并且利用气体频率分量可以确定空隙度。如之前的，可以执行该单一频率移除，在这种情况中，液体处理已知的特征频率响应和密度。因此，该单独的频率移除方法可以移除液体频率分量或气体频率分量。

在一个实施例中，通过一个或多个滤波器可以移除单一频率分量，同时通过滤波操作通过其它频率分量。一个实施例中的一个或多个滤波器包括陷波滤波器。陷波滤波器通过全部频率，除了窄带中的频率(也就是频率响应中的凹口)。可替代地，一个或多个滤波器可以包括任何令人满意的滤波器或滤波器的组合。

图19是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图1900。如先前讨论的，在步骤1901中，接收频率响应1410。

在步骤1902中，利用陷波滤波器处理频率响应。该陷波滤波器通过高于和低于凹口的频率，比如在该实施例中高于和低于气体频率响应。因此，陷波滤波器基本上拒绝频率分量1412。陷波滤波器基本上通过液体频率分量1416。

图20是陷波滤波器频率响应的曲线图。在示出的例子中，凹口集中于气体频率。陷波滤波器基本上通过高于和低于凹口的全部频率，并且通过陷波滤波器基本上仅拒绝气体频率。

再次参照图19，在步骤1903中，如先前讨论的，利用频率响应、气体频率分量1412和液体频率分量1416确定气体的空隙度1418。

图21是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中气体的空隙度的方法的流程图2100。如先前讨论的，在步骤2101中，接收频率响应。

在步骤2102中，如先前讨论的，频率响应被分离成气体频率分量1412和液体频率分量1416。

在步骤2103中，根据频率响应确定总密度(ρ_mix)。总密度(ρ_mix)反映组合液体和气体流成分的密度。如先前讨论的，总密度(ρ_mix)基本上包括一除以频率响应的平方(也就是倒数的频率响应)。

在步骤2104中，根据气体频率分量(f_gas)确定气体成分密度(ρ_gas)。气体成分密度(ρ_gas)仅反映气体流成分的密度。

在步骤2105中，如先前讨论的，利用频率响应1410、气体频率分量1412和液体频率分量1416确定气体的空隙度(VF)1418。得到的气体的空隙度1418可被表示为比率、百分比或其它量度。

在步骤2106中，根据空隙度(VF)1418和气体密度(ρ_gas)对总密度(ρ_mix)的比率来确定质量分数，如方程46中所示的。

图22是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中流成分的质量分数的方法的流程图2200。从频率响应分离液体和气体频率分量的方法包括执行两个滤波操作。一个滤波操作包括利用第一滤波器来滤波频率响应，该第一滤波器基本上拒绝气体频率分量，并且基本上通过液体频率分量。第二滤波操作包括利用第二滤波器来滤波频率响应，该第二滤波器基本上拒绝液体频率分量，并且基本上通过气体频率分量。结果，第一滤波器输出液体频率分量，同时第二滤波器输出气体频率分量。

在步骤2201中，接收频率响应，如上所述。

在步骤2202中，利用第一滤波器来滤波频率响应，如上所述。

在步骤2203中，利用第二滤波器来滤波频率响应，如上所述。

在步骤2204中，确定总密度(ρ_mix)，如上所述。

在步骤2205中，确定气体密度(ρ_gas)，如上所述。

在步骤2206中，如上所述，利用频率响应1410、气体频率分量1412和液体频率分量1416确定气体的空隙度1418。

在步骤2207中，确定质量分数1419，如上所述。

图23是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的流动材料中流成分的质量分数的方法的流程图2300。在步骤1901中，接收频率响应1410，如上所述。

在步骤2302中，利用陷波滤波器处理频率响应，如上所述。

在步骤2303中，确定总密度(ρ_mix)，如上所述。

在步骤2304中，确定气体密度(ρ_gas)，如上所述。

在步骤2305中，确定气体的空隙度1418，如上所述。

在步骤2306中，确定气体的质量分数1419，如上所述。

图24是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的气体流动材料中的液流部分的方法的流程图2400。在步骤2401中，如上所述，从流量计装置10接收第一和第二传感器信号。

在步骤2402中，传感器信号可被调节，如上所述。

在步骤2403中，确定气体流动材料的流路密度。利用第一传感器信号和第二传感器信号确定流路密度。其它流动特性、变量和/或常量也可以用于进行确定，如果需要的话。

在步骤2404中，流路密度被与气体密度和液体密度相比较。气体密度表示气流路的气体流量分数，并且液体密度表示液体流量分数。在一个实施例中，已知并利用两个密度。在另一实施例中，已知并利用两个密度中的仅一个。

图25是天然气密度相对于乙二醇百分比(也就是液体流量分数)的图表。该表格表示用于比较的一组数据。然而，可以利用任何类型的数据结构，并且该数据不必是表格形式。斜的曲线表示对于气体相对乙二醇的各个分数的气体流动材料密度。从图表可以看出，总气体流动材料密度与液体流量分数。因此，至少利用测量的气体流动材料(也就是总的)密度和已知的气体密度，可以确定液体流量分数。可以理解，数据查找可以包括因素，比如压力和温度。可以理解，尽管图表用于天然气和乙二醇，可以利用和确定其它气体和液体。

再次参照图24，在步骤2405中，确定液体流量分数。液体流量分数包括气体流动材料中液体的百分比或数量。液体流量分数可以基本上用于执行其它计算，比如气体质量流量和/或液体质量流量。根据流路密度对至少已知的气体密度的比较可以确定液体流量分数。可替代地，该比较可以包括流路密度对已知的气体密度和已知的液体密度的比较。

通过比较流路密度与已知的气体密度和已知的液体密度，形成可以用于液体流量分数确定的比率。该比率包括：

D_measured＝X(D_G)/D_L                                        (49)

其中，D_measured是如根据传感器信号确定的流路密度，D_G是已知的气体密度，D_L是已知的液体密度，并且X是液体流量分数。因此，液体流量分数X可被确定为：

X＝D_measured(D_L)/D_G                    (50)

图26是依据本发明的实施例用于确定流过流量计的气体流动材料中的液体流量分数的方法的流程图2600。在步骤2601中，如上所述，从流量计装置10接收第一和第二传感器信号。

在步骤2602中，传感器信号可被调节，如上所述。

在步骤2603中，从第一传感器信号产生90度相移。如上所述，可以产生该90度相移。尽管作为例子，第一传感器信号是相移的，可以理解，可以使用任一传感器信号。

在步骤2604中，计算流量计装置10的频率响应。利用90度相移和第一传感器信号可以计算该频率响应，如上所述。

在步骤2605中，利用频率响应确定气体流动材料的流路密度。在一个实施例中，通过平方频率响应和倒置平方的频率响应(由于密度≈1/f²)确定流路密度。可以理解，其它流动特性、变量和/或常量也可以用于进行确定，如果需要。

在步骤2606中，确定液体流量分数。从流路密度对已知的气体密度的比较可以确定液体流量分数，如上所述。

图27是依据本发明的实施例处理流量计中的信号的方法的流程图2700。在步骤2701中，从流量计接收第一传感器信号和第二传感器信号。该第一传感器信号和第二传感器信号用于流进流量计的多相流动材料。

在步骤2702中，相移第一传感器信号和第二传感器信号中的一个或两个。该相移包括基本上通过90度移位传感器信号。这导致第一90度相移和第二90度相移。

在步骤2703中，计算流量计的频率(或频率响应)。在一个实施例中，从第一传感器信号和第一90度相移产生频率，如上所述。

在步骤2704中，计算传感器信号之间的相差。在一个实施例中，根据第一传感器信号、第一90度相移、第二传感器信号和第二90度相移来计算相差(见图8和所附讨论)。在另一实施例中，根据第一传感器信号、第一90度相移、和第二传感器信号来计算相差(见图12和所附讨论)。

在步骤2705中，计算质量流量、密度或体积流量中的一个或多个。通过利用快速频率和/或快速相位确定，可精确计算多相流动材料的质量流量、密度和/或体积流量，如上所述。

在步骤2706中，计算汽中带水液体或水中带汽气体中的一个或两个。通过利用快速频率和/或快速相位确定，可精确计算多相流动材料的汽中带水液体和/或水中带汽气体，如上所述。通过利用先前讨论的空隙度方法可以确定汽中带水液体和/或水中带汽气体，例如(见图16，17和19和所附讨论)。可替代地，通过利用先前讨论的质量分数方法可以确定汽中带水液体和/或水中带汽气体，例如(见图21-23和所附讨论)。在另一可替代的实施例中，通过利用先前讨论的液体流量分数方法可以确定汽中带水液体和/或水中带汽气体，例如(见图24和26和所附讨论)。进一步地，该方法可被用于组合。气体和液体的百分比(也就是气体和液体的空隙度分数)然后可以用于精确和完全地量化多相流动材料的全部成分。

依据任何实施例可以实施依据本发明的流量计电子器件和方法，从而获得几个优点，如果期望。本发明可以对多相流动材料计算质量流量、密度或体积流量中的一个或多个。本发明可以对多相流动材料快速地计算流动特性。本发明可以提供具有更大精确度和可靠度的流动特性的计算。本发明可以比现有技术更快速地提供流动特性的计算，并同时消耗较少的处理时间。