BR112013004650B1 - aparelho, e, método para formar um densitômetro vibratório - Google Patents

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Abstract

aparelho, e, método para formar um densitômetro vibratório. um aparelho é provido que compreende um elemento vibrante (402). o elemento vibrante (402) é para um densitômetro vibratório (400). o elemento vibrante (402) inclui uma ou mais aberturas (420) são dimensionadas e localizadas no elemento vibrante (402) para aumentar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado e uma frequência ressonante de um ou mais modos vibracionais indesejados.

Description

“APARELHO, E, MÉTODO PARA FORMAR UM DENSITÔMETRO VIBRATÓRIO”
CAMPO TÉCNICO
A presente invenção refere-se a densitômetros e, mais particularmente, a um densitômetro vibratório com um elemento vibrante melhorado.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Densitômetros são geralmente conhecidos na técnica e são usados para medir uma densidade de um fluido. O fluido pode compreender um líquido, um gás, um líquido com particulados suspensos e/ou gás arrastado, ou uma combinação dos mesmos. Enquanto há vários tipos de densitômetros que operam de acordo com diferentes princípios, um tipo de densitômetro que recebeu grande sucesso comercial é um densitômetro vibratório. Densitômetros vibratórios podem compreender um elemento vibrante, tal como um cilindro, um conduto, um cano, um tubo, etc. que é exposto a um fluido sob teste. Um exemplo de um densitômetro vibratório compreende uma viga em cantilever de conduto montada com uma extremidade de entrada acoplada a uma existente tubulação ou outra estrutura e a extremidade de saída livre para vibrar. Altemativamente, ambos a entrada e saída podem ser fixadas com a porção do conduto entre a entrada e saída vibrando. O conduto pode ser vibrado em ressonância e a frequência ressonante pode ser medida. Como é geralmente conhecido na técnica, a densidade do fluido sob teste pode ser determinada medindo a frequência ressonante reduzida do conduto. De acordo com princípios bem conhecidos, a frequência ressonante do conduto variará inversamente com a densidade do fluido que contata o conduto. Portanto, enquanto alguns densitômetros vibratórios são capazes de medir uma densidade de um líquido, amortecimento viscoso causado pelo líquido no exterior do cilindro pode reduzir as capacidades de medição de densitômetros vibratórios.
Densitômetros vibratórios de líquido deste modo usam canos ou tubos vibratórios que têm o fluido apenas no interior, enquanto densitômetros vibratórios de gás tipicamente são imersos no fluido, tendo gás em ambos, no interior e no exterior do cilindro. Portanto, tipicamente, densitômetros vibratórios são usados para medir uma densidade de um gás.
Figura 1 mostra um densitômetro imerso 10 de técnica anterior. O densitômetro 10 de técnica anterior pode ser configurado para medir uma densidade de um fluido, tal como um líquido ou um gás, por exemplo. O densitômetro 10 inclui um alojamento 11 com um elemento vibrante 12 localizado pelo menos parcialmente dentro do alojamento 11. Uma porção do alojamento 11 é cortada para mostrar o elemento vibrante 12. O densitômetro pode ser colocado em linha em uma tubulação existente, por exemplo. Altemativamente, o alojamento 11 pode compreender extremidades fechadas com aberturas para receber uma amostra de fluido, por exemplo. Portanto, enquanto flanges não são mostrados, em muitos exemplos, o alojamento 11 ou o elemento vibrante 12 pode incluir flanges ou outros membros para operativamente acoplar o densitômetro 10 a uma tubulação ou dispositivo de distribuição de fluido similar em um modo estanque a fluido. De acordo com o exemplo mostrado, o elemento vibrante 12 é uma viga em cantiléver montada ao alojamento 11.0 elemento vibrante 12 é mostrado acoplado ao alojamento em uma extremidade de entrada 13 com a extremidade de saída 14 livre para vibrar.
De acordo com o exemplo mostrado, o elemento vibrante 12 também inclui uma pluralidade de aberturas de fluido 15 próximas à extremidade de entrada 13. As aberturas de fluido 15 podem ser providas para permitir a entrada de um pouco do fluido no densitômetro 10 para fluir entre o alojamento 11 e o elemento vibrante 12. Portanto, o fluido contata as superfícies internas bem como as externas do elemento vibrante 12. Isso é particularmente útil quando o fluido sob teste compreende um gás porque uma maior área de superfície é exposta ao gás. Em outros exemplos, aberturas podem ser providas no alojamento 11 para expor o fluido sob teste para a superfície exterior do elemento vibrante 12 e, portanto, as aberturas 15 não são requeridas no elemento vibrante 12.
Ainda são mostrados em Figura 1 um acionador 16 e um sensor vibratório 17 posicionado dentro de um cilindro 50. O acionador 16 e sensor vibratório 17 são mostrados como compreendendo bobinas, que são bem conhecidas na técnica. Se uma corrente elétrica for fornecida para a bobina, um campo magnético é induzido no elemento vibrante 12 levando o elemento vibrante 12 a vibrar. Inversamente, a vibração do elemento vibrante 12 induz uma voltagem no sensor vibratório 17. O acionador 16 recebe um sinal de acionamento de uma eletrônica de medidor 18 a fim de vibrar o elemento vibrante 12 em uma de suas frequências ressonantes em uma dentre uma pluralidade de modos de vibração, incluindo, por exemplo, tipo de flexão simples, torcional, radial ou acoplado. O sensor vibratório 17 detecta a vibração do elemento vibrante 12, incluindo a frequência em que o elemento vibrante 12 está vibrando e envia a informação de vibração para a eletrônica de medidor 18 para processamento. Conforme o elemento vibrante 12 vibra, o fluido contatando a parede do elemento vibrante vibra juntamente com o elemento vibrante 12. A massa adicionada do fluido contatando o elemento vibrante 12 abaixa a frequência ressonante. A nova, mais baixa, frequência ressonante do elemento vibrante 12 é usada para determinar a densidade do fluido, como é geralmente conhecido na técnica de acordo com uma correlação previamente determinada, por exemplo.
Como é geralmente conhecido, de modo a obter medições de densidade precisas, a frequência ressonante usada para medir a densidade do fluido deve ser muito estável. Isso é particularmente verdadeiro quando o fluido compreende um gás conforme a frequência ressonante muda por uma menor quantidade comparada a líquido. Uma abordagem de técnica anterior para conseguir a estabilidade desejada consiste em vibrar o elemento vibrante 12 usando um modo de vibração radial. Em contraste a um modo de vibração de flexão, por exemplo, onde o eixo longitudinal do elemento vibrante translada e/ou roda afastado de sua posição de repouso, em um modo de vibração radial, o eixo longitudinal do elemento vibrante permanece essencialmente estacionário enquanto pelo menos uma parte da parede do elemento vibrante translada e/ou roda afastada de sua posição de repouso. Modos de vibração radial são preferidos em densitômetros de conduto reto, tal como o densitômetro 10 de técnica anterior mostrado em Figura 1, porque os modos de vibração radial são auto equilibrantes e, deste modo, as características de montagem do elemento vibrante não são tão críticas como comparado a alguns outros modos de vibração. Um modo de vibração radial de exemplo é um modo de vibração radial trilobado. Um exemplo da mudança em formato da parede do elemento vibrante durante um modo de vibração radial trilobado é mostrado em Figura 3.
Se o elemento vibrante 12 é perfeitamente redondo e tem uma espessura de parede perfeitamente uniforme, há apenas um modo de vibração radial trilobado. Entretanto, devido a tolerâncias de projeto, isso geralmente não [e prático. Consequentemente, quando um fabricante tenta fazer um elemento vibrante 12 perfeitamente redondo com uma espessura de parede perfeitamente uniforme, pequenas imperfeições resultam em duas vibrações radiais trilobadas que vibram em duas diferentes frequências ressonantes, que são muito próximas uma da outra. O modo vibracional radial trilobado com a frequência ressonante inferior vibrará com os picos e vales, como mostrado em Figura 3. alinhado com as porções de paredes mais finas enquanto a maior frequência vibrará com os picos e vales nas porções de parede mais espessas. A separação de frequência entre os dois modos é tipicamente muito pequena e pode ser menor que um hertz. Com duas frequências ressonantes tão próximas, uma determinação de densidade não é prática porque um operador frequentemente não estará apto a distinguir as frequências vibracionais para determinar qual modo está sendo acionado em vibração e, deste modo, a densidade correta.
Em alguns densitômetros de técnica anterior, esse problema é dirigido por sintonização do modo radial, de forma que tenha pelo menos uma separação de frequência mínima entre os dois modos vibracionais radiais trilobados bem como dos outros modos de vibração, tal como os dois modos lobulados ou os quatro modos lobulados. Enquanto a sintonização pode ser conseguida de acordo com uma variedade de técnicas, um método de sintonização de abordagem de técnica anterior é por desgaste da parede do elemento vibrante em tiras alinhadas axialmente, assim o elemento vibrante tem diferentes espessuras em diferentes regiões circunferenciais. Isso é mostrado em Figura 1, mas em maiores detalhes em Figura 2.
Figura 2 mostra o elemento vibrante 12 tomado ao longo da linha 2-2 de Figura 1. Figura 2 é mostrada com ângulos de referência mostrados também. Os ângulos de referência são tomados onde o acionador 16 e o sensor vibratório 17 são posicionados em 0o. Entretanto, os ângulos são meramente mostrados como um exemplo e outros ângulos de coordenada de referência podem ser usados.
Como mostrado, o elemento vibrante 12 compreende variar espessuras de parede em tomo da circunferência do conduto. Por exemplo, o elemento vibrante 12 pode originalmente compreender uma espessura de aproximadamente 0,125 mm (0,005 polegadas). O acionador 16 e o sensor vibratório 17 são centrados em uma dessas regiões de paredes espessas. Iniciando em aproximadamente 15° e espaçando uniformemente em tomo da circunferência do elemento vibrante 12 em intervalos de aproximadamente 30°, seis regiões da parede do elemento vibrante 12 são desgastadas para aproximadamente 0,100 mm (0,004 polegada). Tipicamente, a espessura da parede é reduzida usando um mandril que tem segmentos móveis movidos em posição por pressão hidráulica. Quando o mandril é pressurizado, os segmentos móveis se movem fora da quantidade requerida para contatar o elemento vibrante 12 e as regiões mais finas são desgastadas. Ao desgastar a espessura de parede do elemento vibrante em várias regiões circunferenciais, as frequências ressonantes dos dois modos de vibração radial trilobados são separadas uma da outra. Com o espaçamento entre as regiões finas sendo aproximadamente de 30°, o modo radial trilobado de maior frequência será desviado do modo radial trilobado de menor frequência por aproximadamente 15°. Em um exemplo, o modo vibracional trilobado de menor frequência vibrará com os picos e vales centrados nas porções finas e espessas enquanto o modo radial vibracional trilobado de maior frequência terá os picos e vales na metade do caminho entre as regiões finas e espessas.
O processo mencionado acima tem vários problemas. O mandril hidráulico está no limite de sua capacidade dimensional. Em outras palavras, o desgaste é extremamente preciso e frequentemente próximo a ou ainda além das capacidades de projeto do mandril hidraulicamente operado. Além disso, medição não destrutiva da espessura de parede de elemento vibrante é extremamente difícil. Consequentemente, o rendimento de produto aceitável é baixo, resultando em um custo aumentado associado com o método de sintonização. Em adição, a fim de acionar o modo vibracional radial trilobado de menor frequência, o acionador 16 precisa estar posicionado oposto à porção de parede espessa. Entretanto, a diferença entre as porções de paredes espessa e fina é tipicamente extremamente pequena em 0,025 mm (0,001 polegada). Assim , uma colocação apropriada é muito difícil. Além disso, como mostrado em Figura 2, é extremamente difícil casar o desgaste de cada uma dentre as porções de paredes finas uma com a outra.
Portanto, existe uma necessidade para um método e aparelho para melhorar os densitômetros vibratórios. Especificamente, existe uma necessidade para um densitômetro vibratório com separação de modo de vibração aumentado enquanto mantendo um maior rendimento de produto. A presente invenção resolve este e outros problemas e um avanço na técnica é alcançado.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Um aparelho incluindo um elemento vibrante para um densitômetro vibratório é provido de acordo com uma forma de realização da invenção. De acordo com uma forma de realização da invenção, o elemento vibrante inclui uma ou mais aberturas dimensionadas e localizadas no elemento vibrante para aumentar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado e uma frequência ressonante de um ou mais modos vibracionais indesejados.
Um método para formar um densitômetro vibratório é provido de acordo com uma forma de realização da invenção. De acordo com uma forma de realização da invenção, o densitômetro vibratório inclui um elemento vibrante adaptado para vibrar em uma ou mais frequências ressonantes. O método compreende uma etapa de formar uma ou mais aberturas no elemento vibrante para aumentar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado e uma frequência ressonante de pelo menos um segundo modo vibracional indesejado.
ASPECTOS
De acordo com um aspecto da invenção, um aparelho compreende: um elemento vibrante para um densitômetro vibratório incluindo uma ou mais aberturas dimensionadas e localizadas no elemento vibrante para aumentar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado e uma frequência ressonante de um ou mais modos vibracionais indesejados.
Preferivelmente, o aparelho ainda compreende um alojamento em que o elemento vibrante está localizado pelo menos parcialmente dentro do alojamento.
Preferivelmente, o elemento vibrante ainda compreende uma primeira viga em cantiléver de extremidade montada ao alojamento tal que uma segunda extremidade opostas à primeira extremidade é livre para vibrar.
Preferivelmente, a uma ou mais aberturas estendem-se para a segunda extremidade do elemento vibrante.
Preferivelmente, a uma ou mais aberturas são formadas próximas a, mas não se estendendo através da segunda extremidade.
Preferivelmente, o aparelho ainda compreende um acionador e um ou mais sensores vibratórios.
Preferivelmente, o modo de acionamento vibracional desejado compreende um primeiro modo vibracional radial trilobado e um modo vibracional indesejado dentre o um ou mais modos vibracionais indesejados compreende um segundo modo vibracional radial trilobado.
De acordo com outro aspecto da invenção, um método para formar um densitômetro vibratório incluindo um elemento vibrante adaptado para vibrar em uma ou mais frequências ressonantes compreende uma etapa de:
formar uma ou mais aberturas no elemento vibrante para aumentar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado e uma frequência ressonante de pelo menos um segundo modo vibracional indesejado.
Preferivelmente, o método ainda compreende etapas de:
vibrar o elemento vibrante no modo de acionamento vibracional desejado e o pelo menos segundo modo vibracional indesejado; e determinar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante do modo de acionamento vibracional e uma frequência ressonante do pelo menos segundo modo vibracional indesejado.
Preferivelmente, a uma ou mais aberturas compreendem aberturas preliminares com um tamanho menor que um tamanho desejado e em que após a etapa de formar uma ou mais aberturas no elemento vibrante, o método ainda compreende as etapas de:
vibrar o elemento vibrante no modo de acionamento desejado;
determinar uma frequência ressonante do modo de acionamento desejado; e determinar o tamanho de abertura desejado com base em uma correlação entre tamanho de abertura e frequência.
Preferivelmente, o método ainda compreende uma etapa de acoplar uma primeira extremidade do elemento vibrante a um alojamento, tal que pelo menos uma porção do elemento vibrante está localizada dentro do alojamento.
Preferivelmente, a etapa de acoplar a primeira extremidade do elemento vibrante ao alojamento compreende uma viga em cantiléver montando a primeira extremidade ao alojamento tal que uma segunda extremidade do elemento vibrante oposta à primeira extremidade está livre para vibrar.
Preferivelmente, a uma ou mais aberturas são formadas próximas a, mas não se estendendo através da segunda extremidade.
Preferivelmente, a uma ou mais aberturas estendem-se através da segunda extremidade do elemento vibrante.
Preferivelmente, o método ainda compreende etapas de posicionar um acionador e um ou mais sensores vibratórios próximos ao elemento vibrante para induzir e sentir vibrações no elemento vibrante.
Preferivelmente, o modo de acionamento desejado compreende um primeiro modo vibracional radial trilobado e um modo vibracional indesejado do um ou mais modos vibracionais indesejados compreende um segundo modo vibracional radial trilobado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Figura 1 mostra um densitômetro vibratório de técnica anterior.
Figura 2 mostra um elemento vibrante de técnica anterior.
Figura 3 mostra uma vibração radial trilobada.
Figura 4 mostra um densitômetro vibratório de acordo com uma forma de realização da invenção.
Figura 5 mostra um gráfico de profundidade de abertura versus frequência.
Figura 6 mostra um gráfico de largura de abertura versus frequência.
Figura 7 mostra um densitômetro vibratório de acordo com outra forma de realização da invenção.
Figura 8 mostra um processo para formar um elemento vibrante para um densitômetro vibratório de acordo com uma forma de realização da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Figuras 4 - 8 e a seguinte descrição descrevem exemplos específicos para ensinar aos versados na técnica como fazer e usar o melhor modo da invenção. Para o propósito de ensinar princípios inventivos, alguns aspectos convencionais foram simplificados ou omitidos. Aqueles versados na técnica apreciarão variações desses exemplos que estão dentro do escopo da invenção. Versados na técnica apreciarão que os aspectos descritos abaixo podem ser combinados em vários modos para formar variações da múltiplas invenção. Como um resultado, a invenção não é limitada aos exemplos específicos descritos abaixo, mas apenas pelas reivindicações e seus equivalentes.
Figura 4 mostra um densitômetro vibratório 400 de acordo com uma forma de realização da invenção. O densitômetro vibratório 400 pode ser configurado para determinar uma densidade de um fluido, tal como um gás, um líquido, um líquido com gás arrastado, um líquido com particulados em suspensão, ou uma combinação dos mesmos. Devido ao amortecimento viscoso, o densitômetro vibratório 400 é tipicamente usado para medir uma densidade de um gás em vez de uma densidade de um líquido. De acordo com uma forma de realização mostrada, o densitômetro vibratório 400 compreende um alojamento 401 e um elemento vibrante 402 localizado pelo menos parcialmente dentro do alojamento 401. O elemento vibrante 402 é mostrado como compreendendo um tubo cilíndrico; entretanto, o elemento vibrante 402 pode compreender outras configurações, tal como um conduto moldado retangular, por exemplo. O elemento vibrante 402 é mostrado montado em viga em cantiléver com o elemento vibrante 402 acoplado ao alojamento 401 em uma primeira extremidade 403 e com uma segunda extremidade 404 livre de vibrar dentro do alojamento 401. Em algumas formas de realização, uma porção da primeira extremidade 403 do elemento vibrante 402 pode estender-se além do alojamento 401. Isso pode permitir ao elemento vibrante 402 ser acoplado a uma tubulação ou outro sistema de distribuição de fluido em um modo estanque a fluido. Altemativamente, na forma de realização mostrada, o alojamento 401 podería incluir flanges (não mostrados) ou similares para tomar o acoplamento estanque a fluido. Ademais, em algumas formas de realização, o alojamento 401 próximo à segunda extremidade 404 pode ser vedado para reter um fluido sob teste de amostra dentro do alojamento 401. De acordo com uma forma de realização da invenção, o fluido de amostra sob teste pode entrar no densitômetro vibratório 400 na primeira extremidade 403. Por exemplo, o fluido sob teste pode fluir no interior do elemento vibrante 402 ou fluir ao longo do exterior do elemento vibrante 402 através de aberturas de fluido 405. Altemativamente, o fluido de amostra sob teste pode entrar no densitômetro vibratório 400 através de uma ou mais aberturas de fluido 406 opcionais formadas no alojamento 401. Enquanto uma abertura de fluido 406 é mostrada, o alojamento 401 pode incluir mais do que uma abertura de fluido 406 ou pode não incluir quaisquer aberturas de fluido 406. As aberturas de fluido podem permitir que tanto a primeira como a segunda extremidades do alojamento 401 sejam vedada em um modo estanque a fluido. Em outra forma de realização alternativa, o fluido pode entrar no densitômetro vibratório 400 na segunda extremidade 404.
De acordo com uma forma de realização da invenção, o densitômetro vibratório 400 pode incluir um ou mais acionadores 407. O acionador 407 pode ser adaptado para vibrar o elemento vibrante 402 em um ou mais modos vibracionais. Enquanto o acionador 407 é mostrado posicionado mais próximo à primeira extremidade 403, deve ser apreciado que o acionador 407 pode estar localizado em qualquer ponto desejado juntamente com o elemento vibrante 402. Ademais, enquanto o acionador 407 é mostrado localizado dentro de uma torre central 450 posicionada dentro do elemento vibrante 402, em algumas formas de realização, o acionador 407 é posicionado entre o alojamento 401 e o elemento vibrante 402, por exemplo. Na forma de realização mostrada, o acionador 407 compreende uma bobina. A bobina pode receber um sinal elétrico de uma eletrônica de medidor 20 na forma de um sinal de acionamento sobre o trajeto 110 de modo a vibrar o elemento vibrante 402 em um modo de acionamento vibracional desejado.
De acordo com uma forma de realização da invenção, o densitômetro vibratório 400 pode também incluir um sensor vibratório 408. Enquanto o sensor vibratório 408 é mostrado coaxialmente alinhado com o acionador 407, em outras formas de realização, o sensor vibratório 408 pode ser acoplado ao elemento vibrante 402 em outros locais. O sensor vibratório 408 pode transmitir um sinal para a eletrônica de medidor 20 através do trajeto 111. A eletrônica de medidor 20 pode processar os sinais recebidos pelo sensor vibratório 408 para determinar uma frequência ressonante do elemento vibrante 402. Se um fluido sob teste está presente, a frequência ressonante do elemento vibrante 402 mudará inversamente proporcional à densidade de fluido como é conhecido na técnica. A mudança proporcional pode ser determinada durante uma calibração inicial, por exemplo. Na forma de realização mostrada, o sensor vibratório 408 também compreender uma bobina. O sensor vibratório 408 é similar ao acionador 407; entretanto, enquanto o acionador 407 recebe uma corrente para induzir uma vibração no elemento vibrante 402, o sensor vibratório 408 usa o movimento do elemento vibrante 402 criado pelo acionador 407 para induzir uma voltagem. Acionadores e sensores de bobina são bem conhecidos na técnica e outra discussão de sua operação é omitida para brevidade da descrição. Além disso, deve ser apreciado que o acionador 407 e sensor vibratório 408 não são limitados a bobinas, mas ao contrário podem compreender uma variedade de outros componentes vibratórios bem conhecidos, tal como sensores piezo-elétricos, por exemplo. Portanto, a presente invenção não deve em nenhuma forma ser limitada a bobinas. Ademais, versados na técnica prontamente reconhecerão que a colocação particular do acionador 407 e do sensor 408 pode ser alterada enquanto permanecendo dentro do escopo da presente invenção.
De acordo com uma forma de realização da invenção, o elemento vibrante 402 ainda compreende uma ou mais aberturas 420. De acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas 420 estendem-se substancialmente completamente através da parede do elemento vibrante 402. Isto está em contraste para as áreas de espessura reduzida presentes no elemento vibrante da técnica anterior 12. De acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas 420 podem ser formadas usando um procedimento de corte por laser; entretanto, os versados na técnica prontamente reconhecerão que outros métodos que podem ser usados para formar as aberturas 420 e o método particular usado não devem, de nenhuma forma, limitar o escopo da presente invenção. Na forma de realização mostrada, as aberturas 420 são formadas na segunda extremidade 404 do elemento vibrante 402. Entretanto, deve ser apreciado que, em outras formas de realização, as aberturas 420 podem ser formadas próximas à segunda extremidade 404, mas podem não estender se todo em todo o caminho para a segunda extremidade 404 (Ver Figura 7, por exemplo). As aberturas 420 mostradas em Figura 7 são formadas próximas à segunda extremidade 404, mas não se estendem em todo o trajeto para a segunda extremidade 404 e, deste modo, a segunda extremidade 404 é substancialmente contínua em volta da circunferência do elemento vibrante 402.
Retomando à Figura 4, de acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas 420 são formadas para separar uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado do elemento vibrante 402 de uma ou mais frequências vibracionais indesejadas. Por exemplo, como mencionado acima com relação ao densitômetro vibratório 10 de técnica anterior, um modo vibracional desejado é um modo vibracional radial trilobado. Mais particularmente, a frequência ressonante do modo vibracional desejado é o modo vibracional radial trilobado de menor frequência. Portanto, de acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas 420 são providas para separar as duas frequências ressonantes de modos vibracionais radiais trilobados. Entretanto, deve ser apreciado que, em outras formas de realização, o modo vibracional desejado pode não compreender o modo vibracional radial trilobado de menor frequência, e, portanto, a presente invenção não deve ser limitada a esse modo vibracional particular. Entretanto, as frequências trilobadas de vibração radial são usadas na presente aplicação como um particular exemplo. Os versados na técnica prontamente reconhecerão como modificar a presente aplicação a fim de separar as frequências ressonantes de outros modos vibracionais desejados. Além disso, as aberturas 420 podem também separar a frequência de modo de acionamento desejado dos outros modos vibracionais, tal como o modo de flexão, e não apenas o modo vibracional radial trilobado de frequência mais elevada.
De acordo com uma forma de realização da invenção, o elemento vibrante 402 compreende seis aberturas 420. Em uma forma de realização, as aberturas 420 são espaçadas a cada 60° em centro ao tomo da circunferência do elemento vibrante 402. De acordo com uma forma de realização da invenção, as seis aberturas 420 são substancialmente uniformemente espaçadas em tomo de uma circunferência do elemento vibrante 402. Por exemplo, com referência aos ângulos descritos em Figura 2, as aberturas 420 podem ser formadas iniciando em 15° e espaçadas a cada 60°, onde o acionador 407 e/ou sensor vibratório 408 estão posicionados próximos ao elemento vibrante 402 oposto 0o. De acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas 420 são dimensionadas e localizadas a fim de aumentar uma separação de frequência entre a frequência vibracional de modo de acionamento desejado e pelo menos uma segunda frequência vibracional. Como discutido acima, como um exemplo, as aberturas 420 são dimensionadas e localizadas a fim de aumentar uma separação de frequência entre o modo radial trilobado de menor frequência e o modo radial trilobado de maior frequência. Vantajosamente, o elemento vibrante 402 pode ser tomado substancialmente uniforme em espessura de parede (ou tão próximo quanto as tolerâncias de fabricação permitirão) e as aberturas 420 podem substituir as tiras axiais de espessura reduzida como visto no cilindro 12 da técnica anterior.
De acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas 420 são substancialmente retangulares. Portanto, na forma de realização mostrada, as aberturas 420 compreendem uma profundidade, D, e uma largura, W. As aberturas 420 também compreendem uma altura, mas a altura é simplesmente dependente da espessura da parede do elemento vibrante. De acordo com uma forma de realização da invenção, a profundidade, D, das aberturas estende-se substancialmente paralela a um eixo longitudinal, L do elemento vibrante 402. De acordo com uma forma de realização da invenção, a largura, W, das aberturas 420 estende-se substancialmente ao longo da circunferência do elemento vibrante 402. Enquanto outras orientações podem ser usadas, a orientação usada na presente aplicação auxiliará em um entendimento de como formar a uma ou mais aberturas 420 para conseguir uma desejada separação de frequência de acordo com uma forma de realização da invenção.
Como explicado abaixo, ocorre frequentemente um compromisso feito entre separação de frequência e sensibilidade de sensor quando formando a profundidade de abertura e largura de abertura. Conforme a profundidade aumenta, a frequência ressonante do elemento vibrante 402 diminui e a separação entre as duas frequências trilobadas de vibração radial aumenta. Entretanto, à medida que a profundidade aumenta, a área de superfície do elemento vibrante 402 diminui. Essa diminuição na área de superfície resulta em uma diminuição na sensibilidade do densitômetro vibratório porque menos do fluido sob teste pode contatar a superfície do elemento vibrante 402. Similarmente, à medida que a largura aumenta, as frequências inicialmente diminuem e uma vez que a largura alcança uma largura de limiar, as frequências aumentam. Isso é explicado em detalhes abaixo com a descrição que acompanha a Figura 6.
Figura 5 mostra um gráfico de profundidade de abertura versus frequência de acordo com uma forma de realização da invenção. O gráfico mostrado em Figura 5 foi gerado usando uma largura de abertura de aproximadamente 0,75 mm (0,03 polegada). Em ambas as Figuras 5 e 6, fl é a frequência de vibração radial trilobada mais baixa (modo de acionamento desejado nesse exemplo) e f2 é a frequência de vibração radial trilobada superior. Entretanto, gráficos similares poderíam ser gerados usando outras larguras de abertura. Ademais, deve ser apreciado que os valores particulares providos no gráfico dependerão de uma variedade de variáveis incluindo, mas não limitado a, o material, a espessura, o comprimento, o raio circunferencial do cilindro 402, etc. Portanto, os valores particulares descritos não devem em nenhuma forma limitar o escopo da presente invenção.
Como pode ser visto em Figura 5, à medida que a profundidade de abertura aumenta, a separação entre a frequência de vibração radial trilobada mais baixa e a frequência de vibração radial trilobada superior aumenta. Portanto, a profundidade pode ser configurada tal que a separação de frequência desejada é conseguida. Altemativamente, a profundidade pode ser configurada de modo que a frequência de vibração radial trilobada mais baixa está em uma frequência de acionamento vibracional nominal desejada, por exemplo. Nesse caso, a frequência de acionamento nominal foi configurada para aproximadamente 1950 Hz. Essa frequência de acionamento desejada resultou em uma profundidade de abertura de aproximadamente 0,14 polegada (3,6 mm). Com essa profundidade de abertura, os dois modos são separados por aproximadamente 65 Hz.
Figura 6 mostra um gráfico de largura de abertura versus frequência de acordo com uma forma de realização da invenção. Como pode ser apreciado, o gráfico de Figura 6 pode ser usado em uma maneira similar ao gráfico de Figura 5 para determinar uma desejada largura de abertura. O gráfico de Figura 6 foi gerado usando uma profundidade de abertura de aproximadamente 3,6 mm (0,14 polegada); entretanto, gráficos similares poderiam ser gerados usando diferentes profundidades de abertura. Como pode ser visto, a separação de frequência entre os dois modos vibracionais radiais trilobados diminuem até aproximadamente 0,75 mm (0,03 polegadas) em cujo ponto, a separação de frequência diminui à medida que o modo de frequência radial inferior aumenta. Essa diminuição em separação de frequência é devido ao fato que inicialmente, ampliando as aberturas 420 diminui a rigidez nas localizações de flexão máxima do modo radial trilobado de menor frequência. Entretanto, as posições das aberturas 420 também estão próximas aos pontos de amplitude vibracional máximos. Portanto, consequentemente, ampliação das aberturas 420 tem o efeito de diminuir a massa vibratória, assim aumentando a frequência vibracional. De acordo com uma forma de realização da invenção, a largura de abertura pode ser escolhida para maximizar a separação entre as frequências trilobadas de vibração radial superior e inferior.
Como mencionado acima, os gráficos mostrados em Figuras 5 e 6 são meramente exemplos de correlações possíveis que podem ser geradas entre a profundidade e largura das aberturas 420 e frequência. Outras correlações podem ser armazenadas na forma de tabelas de consulta ou equações, por exemplo. Portanto, se uma desejada frequência de acionamento é conhecida, uma profundidade ou largura de correlação das aberturas 420 pode ser determinada baseada nas correlações previamente obtidas determinadas. Isso pode ser vantajoso por um número de razões. Uma razão é que rendimento de fabricação aceitável aumenta dramaticamente comparado à abordagem de técnica anterior. Na abordagem de técnica anterior, o elemento vibrante 12 não podería ser testado até que espessura de parede já tivesse sido reduzida. Em contraste, de acordo com uma forma de realização da invenção, aberturas preliminares podem ser formadas no elemento vibrante 402. De acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas preliminares podem ser menores que o tamanho final esperado das aberturas 420. Portanto, com as aberturas preliminares formadas no elemento vibrante 402, o elemento vibrante 402 pode ser acionado a uma frequência ressonante em um modo de acionamento vibracional desejado e um modo vibracional indesejado enquanto o elemento vibrante 402 está dentro de uma ferramenta de corte de abertura (não mostrada). Com a frequência ressonante e a separação de frequência do um ou mais modos indesejados determinados, a profundidade e a largura de abertura final podem ser determinadas extrapolando a correlação previamente determinada para uma desejada frequência ou separação de frequência. Portanto, o tamanho de abertura final desejado pode ser mais precisamente determinado.
Figura 8 mostra um processo 800 para formar o elemento vibrante 402 de acordo com uma forma de realização da invenção. Processo 800 inicia em etapa 801 onde uma ou mais aberturas 420 são formadas no elemento vibrante 402. As aberturas 420 podem ser formadas usando um procedimento de corte por laser, por exemplo. De acordo com uma forma de realização da invenção, as aberturas 420 são formadas próximas à segunda extremidade 404 do elemento vibrante 402. As aberturas 420 podem se estender em todo o trajeto para a segunda extremidade 404, mas não necessariamente devêm se estender por todo o trajeto para a segunda extremidade. Com a uma ou mais aberturas formadas, o processo 800 determina se as aberturas 420 compreendem aberturas preliminares ou aberturas finais. Aberturas preliminares são aberturas formadas menores que o tamanho final pretendido. Se as aberturas 420 não compreendem aberturas preliminares, e deste modo compreendem o tamanho de abertura final, o processo 800 prossegue para a etapa 802 onde a separação de frequência entre o modo de acionamento desejado e pelo menos um segundo modo vibracional é determinada.
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De acordo com uma forma de realização da invenção, para determinar a separação de frequência, o elemento vibrante 402 é vibrado em um modo de acionamento desejado. A frequência ressonante do modo de acionamento desejado pode ser medida. O acionador 407 e o sensor vibratório 408 podem ser então reposicionados no meio do trajeto entre uma abertura 420 e o centro de uma porção da segunda extremidade 404. Em uma forma de realização, o reposicionamento seria aproximadamente 15°. Com o acionador 407 e sensor vibratório 408 reposicionados, o elemento vibrante 402 pode ser vibrado em pelo menos um segundo modo vibracional. Por exemplo, com o acionador 407 e sensor vibratório 408 girados em aproximadamente 15°, a eletrônica de medidor 20 pode vibrar o elemento vibrante 402 na frequência mais elevada do modo vibracional radial trilobado. A frequência ressonante do modo vibracional indesejado pode ser determinada para determinar se a separação de frequência alcançou um nível limiar, que pode ser prédeterminado com base em uma separação de frequência desejada.
De acordo com uma forma de realização da invenção, se as aberturas formadas em etapa 801 compreendem aberturas preliminares (aberturas que não são o comprimento completo das aberturas pretendidas), o processo prossegue para etapa 803 onde o elemento vibrante 402 é vibrado em um modo desejado. Com o elemento vibrante 402 vibrando no modo desejado, a frequência ressonante do modo vibrado é determinada em etapa 804.
Em etapa 805, um tamanho de abertura desejado é determinado com base nas aberturas preliminares, a frequência ressonante do modo vibrado, e uma correlação previamente determinada entre tamanho de abertura e frequência. A correlação previamente determinada pode ser na forma de um gráfico, tal como mostrado em Figuras 5 e 6, uma tabela de consulta, uma equação, etc. Por exemplo, se as aberturas preliminares foram dimensionadas em aproximadamente 0,75 mm (0,03 polegadas) amplas com uma profundidade de aproximadamente 3 mm (0,12 polegadas) (de acordo com a correlação mostrada em Figura 5, se a frequência de acionamento desejada for de 1950 Hz, a profundidade das aberturas deve ser aumentada em 0,6 mm (0,02 polegada) adicional. Mesmo se a frequência do elemento vibrante 402 medida com as aberturas preliminares não corresponde exatamente para a correlação, a correlação pode ser extrapolada com base na frequência medida. Por exemplo, se a frequência medida estiver próxima à frequência esperada com base na correlação gerada previamente, o escopo da linha em Figura 5, por exemplo, podería ser usado para determinar a profundidade de abertura desejada para uma frequência de acionamento desejada.
Em etapa 806, as aberturas 420 são formadas para a profundidade e largura desejadas como determinado em etapa 805.
Em etapa 807, a separação de frequência é determinada em uma maneira similar às etapas esboçadas em etapa 802 acima.
A presente invenção provê um elemento vibrante 402 para um densitômetro vibratório 400 que tem um aumento em separação de frequência entre o modo de acionamento desejado frequência e uma ou mais frequências de modo vibracional indesejado. Em contraste com a abordagem de técnicas anteriores para separar as frequências vibracionais do elemento vibrante 402, que resultou em dificuldade para fabricar as peças e um baixo rendimento de produção aceitável, a presente invenção forma uma ou mais aberturas 420 próximas a uma extremidade do elemento vibrante 402 livre. A uma ou mais aberturas 420 provêem uma clara indicação de onde posicionar o acionador 407 e o sensor vibratório 408 a fim de vibrar o elemento vibrante 402 no modo vibracional desejado. Ademais, as aberturas 420 permitem às características vibracionais do elemento vibrante 402 ser testadas antes da conclusão das aberturas 420. Isso pode aumentar o rendimento aceitável de produção.
As descrições detalhadas das formas de realização acima não são descrições exaustivas de todas as formas de realização contempladas pelos inventores como dentro do escopo da invenção. De fato, pessoas versadas na técnica reconhecerão que alguns elementos das formas de realização descritas acima podem de forma variável ser combinadas ou eliminadas para criar outras 5 formas de realização, e tais outras formas de realização estão dentro do escopo e ensinamentos da invenção. Também será evidente para os versados na técnica que as formas de realização descritas acima podem ser combinadas no todo ou em parte para criar formas de realização adicionais dentro do escopo e ensinamentos da invenção.
Deste modo, embora as formas de realização específicas de, e exemplos para, a invenção sejam descritas aqui para propósitos ilustrativos, várias modificações equivalentes são possíveis dentro do escopo da invenção, como os versados na técnica relevante reconhecerão. Os ensinamentos providos aqui podem ser aplicados para outros densitômetros vibratórios, e não apenas 15 para as formas de realização descritas acima e mostradas nas figuras em anexo.
Consequentemente, o escopo da invenção deve ser determinado a partir das reivindicações seguintes.

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Elemento vibrante (402) para um densitômetro vibratório (400) caracterizado por.
    uma ou mais aberturas (420) dimensionadas e localizadas no elemento vibrante (402) para aumentar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado e uma frequência ressonante de um ou mais modos vibracionais indesejados.
  2. 2. Elemento vibrante (402) para o densitômetro vibratório (400) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um alojamento (401) em que o elemento vibrante (402) está localizado pelo menos parcialmente dentro do alojamento (401).
  3. 3. Elemento vibrante (402) para o densitômetro vibratório (400) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a uma ou mais aberturas (420) se estendem para uma segunda extremidade (404) do elemento vibrante (402).
  4. 4. Elemento vibrante (402) para o densitômetro vibratório (400) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a uma ou mais aberturas (420) são formadas próximas a, mas não se estendendo através, da segunda extremidade (404) do elemento vibrante (402).
  5. 5. Elemento vibrante (402) para um densitômetro vibratório (400) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o modo de acionamento vibracional desejado compreende um primeiro modo vibracional radial trilobado e um modo vibracional indesejado de um ou mais vibracional indesejado compreende um segundo modo vibracional radial trilobado.
  6. 6. Método para formar um elemento vibrante (402) para um densitômetro vibratório (400), caracterizado pelo fato de compreender uma etapa de:
    formar uma ou mais aberturas (420) no elemento vibrante (402) para aumentar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante de um modo de acionamento vibracional desejado e uma frequência ressonante de pelo menos um segundo modo vibracional indesejado.
  7. 7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de ainda compreender as etapas de:
    vibrar o elemento vibrante (402) no modo de acionamento vibracional desejado e o pelo menos segundo modo vibracional indesejado; e determinar uma separação de frequência entre uma frequência ressonante do modo de acionamento vibracional e uma frequência ressonante do pelo menos segundo modo vibracional indesejado.
  8. 8. Método de acordo com a reivindicação 6, em que a uma ou mais aberturas (420) compreende aberturas preliminares com um tamanho menor do que um tamanho desejado e em que após a etapa de formar uma ou mais aberturas (420) no elemento vibrante (402), o método sendo caracterizado por ainda compreender as etapas de:
    vibrar o elemento vibrante (402) no modo de acionamento desejado;
    determinar uma frequência ressonante do modo de acionamento desejado; e determinar o tamanho de abertura desejado com base em uma correlação entre tamanho de abertura e frequência.
  9. 9. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que uma ou mais aberturas (420) são formadas próximas a, mas não se estendendo através, da segunda extremidade (404) do elemento vibrante (402).
  10. 10. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a uma ou mais aberturas (420) estendem-se através da segunda extremidade (404) do elemento vibrante (402).
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