CN101163955A - 密度和粘度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量流体(F)的密度和粘度的密度和粘度传感器(1)，其包括设置成浸入流体(F)的共振元件(3，3A，3B，3C，3D)、耦接至共振元件的致动/检测元件(4A，4B)及耦接至致动/检测元件(4A，4B)的连接器(7)。传感器(1)还包括限定出与流体(F)隔离的腔室(8A)的壳体(2)，壳体(2)包括限定出将腔室(8A)与流体(F)分离的膜(9)的厚度减小的区域。致动/检测元件(4A，4B)设置在腔室内以与流体(F)隔开，并机械耦接至膜(9)。设置成浸入流体(F)的共振元件(3，3A，3B，3C，3D)机械耦接至膜(9)。膜(9)的厚度使得能在致动/检测元件(4A，4B)与共振元件(3，3A，3B，3C，3D)间传递机械振动。

Description

密度和粘度传感器

技术领域

本发明涉及用于测量流体密度和粘度的传感器。本传感器基于置于被测量流体的震动中的机械元件的使用。

本发明适用于油田领域、化学工业、食品领域等的密度和粘度的测量。

背景技术

密度是介质每单位体积的质量的度量。密度的国际标准单位是千克每立方米(kg/m³)。例如，在标准温度和压力条件下，水和普通酒精(ethyl alcohol)的密度分别为1000kg/m³和790kg/m³。

粘度是流体对剪切应力下变形的阻力的度量。粘度描述了流体对流动的内部阻力，可以被认为是流体摩擦的度量。动力粘度的国际标准物理单位为帕斯卡秒(Pa.S)。动力粘度的厘米·克·秒制(cgs)物理单位为泊(P)。它更通常表达为厘泊(cP)，尤其是ASTM单位中。例如，水的粘度为1.0cP(20℃时)。

从专利文件EP0282251中可以获知一用于测量流体密度或粘度的换能器。该换能器包括从共同的轭延伸的两个平行的尖端，构成了适于浸入流体中的音叉。所述尖端由一个或多个压电激励元件激励以反相谐振，而压电激励元件容纳在尖端或轭内部的一个或多个腔体中。振动由一个或多个类似地容纳的压电感应元件感测。

该换能器的一般大小为几厘米，需要大且昂贵的传感器壳体。这使得测量装置的侵入性很高，阻碍了其在小样品腔室或小管道中的应用。此外，由于尺寸大，所以在高压高温下的运行也变得非常困难。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种克服了现有技术的至少一个缺点的用于测量流体密度和粘度的传感器。

根据本发明的第一个方面，本传感器的激励-检测机制是基于力学信号通过膜的传递，该膜一侧具有与流体隔离开的致动/检测元件，另一侧具有浸入流体中的共振元件。更确切地说，本发明的密度和粘度传感器包括设置成浸入流体的共振元件、耦接至共振元件的致动/检测元件以及用于耦接到致动/检测元件的连接器。传感器还包括限定出与流体隔离开的腔室的壳体，该壳体包括厚度减小了的区域，该区域限定出将腔室与流体分离开的膜。致动/检测元件布置在腔室内以与流体隔离开，并机械耦接到膜上。设置成浸入流体的共振元件机械耦接到膜上。膜的厚度使得能够抵抗压力并且在致动/检测元件与共振元件之间传递机械振动。所得到的膜的刚度能够消除共振元件特性与致动/检测元件的相互影响。

更确切地说，根据本发明的密度和粘度传感器包括设置成浸入流体的共振元件、耦接到共振元件的致动/检测元件以及用于耦接到致动/检测元件的连接器。传感器还包括限定出与流体隔离开的腔室的壳体，该壳体包括厚度减小的区域，该区域限定出将腔室与流体分离开的膜。致动/检测元件布置在腔室内以便与流体隔离开，并机械连接到膜上。设置成浸入流体的共振元件机械耦接到膜上。膜的厚度使得能够在致动/检测元件与共振元件之间传递机械振动。

所述共振元件可以通过机械耦接件机械耦接至所述膜上。

所述厚度减小了的区域可以形成一腔体，所述致动/检测元件固定在该腔体中。

所述致动/检测元件可以包括至少一个压电元件。所述压电元件包括第一和第二侧，所述第一侧通过连接线连接到所述连接器上，所述第二侧电耦接至所述膜上。

所述压电元件可以通过拧入所述腔体的插塞结构被推压至所述膜上，所述插塞包括用于耦接至所述连接线的孔。

所述连接器可以是同轴连接器，其包括与所述壳体接触的外部金属部分和耦接至所述连接线的内部金属部分，一隔离部分将所述外部和内部金属部分分离开。

所述传感器还可以包括设置在所述腔室内的热敏电阻。

所述传感器还可以包括电子装置，用于驱动所述致动/检测元件，使之从致动模式进入检测模式，或者从检测模式进入致动模式。

所述共振元件可以包括用于测量第一密度和粘度范围的第一梁。其可以至少还包括用于测量第二密度和粘度范围的第二梁。所述共振元件可以在包括下列部件的共振元件的组中选择：

通过其中心部附接至所述耦接件的单个梁，

通过一端附接至所述耦接件的单个梁，

U形梁，包括耦接至一第二弯曲部分的一第一纵向部分，所述第二弯曲部分通过一端附接至所述耦接件上，和

包括附接在一起的第一梁和第二梁的双梁，所述第一梁附接至所述耦接件上。

有利地，所述梁可以至少包括与流体流动方向平行的一丝线。

根据本发明的第二方面，测量流体密度和粘度的方法基于特定的激励-检测机制。该激励-检测机制基于包括三个阶段的基本顺序：激励阶段、等待阶段和检测阶段。在激励阶段中，M周期构成的初始频率的激励信号施加于致动/检测元件(例如M等于4)。等待阶段具有N个周期的持续时间(例如N等于1)。检测阶段具有P周期的持续时间(例如N等于3)。对于初始频率，基本顺序重复K次(例如K是品质因数Q的量级)，因此能够确定测得的或真实的同相波谱分量和测得的或真实的正交波谱分量。

根据第一备选方案，在包含了共振元件的共振频率的初始频率和最终频率之间的不同频率上重复这些步骤。获得测得的或真实的同相和正交波谱。

根据第二备选方案，在包含了共振元件的共振频率的初始频率和最终频率之间的不同频率上、以不同数值的周期数N(例如N＝1和N＝4)重复这些步骤。对测得的同相波谱分量和测得的正交波谱分量的确定包括计算由两个不同数值的周期数N获得的同相波谱分量的差值。对于正交波谱分量同样这样做。获得测得的或真实的同相和正交波谱。

接下来，在同相波谱和正交波谱上进行参数确定。参数确定包括相对于理论波谱比较测得的波谱，理论波谱是基于多个离散的品质因数值和共振频率对计算得到的。对于每个品质因数值和共振频率对，对于同相波谱和正交波谱分别计算第一和第二相关系数。对应于第一和第二相关系数的归一化总和的最大值的品质因数和共振频率对决定了共振元件在被测量流体中的品质因数和共振频率。

更确切的说，根据本发明的密度和粘度的测量方法包括步骤：

a)向共振装置施加激励信号，该共振装置包括致动/检测元件和设置成浸入在流体中的共振元件，所述激励信号具有第一频率；

b)检测由共振装置提供的接收信号；

c)以各种频率重复所述激励信号施加步骤和接收信号检测步骤，从而以一频率增量扫过一定频率范围；

d)基于在一定频率范围上检测到的所述接收信号，确定同相传感器真实响应和正交传感器真实响应，

e)基于所述共振元件的初始共振频率和初始品质因数，计算同相传感器模型响应和正交传感器模型响应；

f)通过确定相关联的相关系数，将所述同相传感器模型响应与所述同相传感器真实响应进行比较；将所述正交传感器模型响应与所述正交传感器真实响应进行比较；

g)对于经改变的共振频率和经改变的品质因数重复所述计算步骤和比较步骤，并记录确定数量的共振频率、品质因数和相关联的相关系数；

h)基于所述确定数量的相关联的相关系数，确定所述共振元件在流体中所得到的共振频率和所得到的品质因数；以及

i)基于所述共振元件的准确的解析模型以及所得到的共振频率和所得到的品质因数，确定流体的密度和粘度。

所述比较步骤和共振频率/品质因数确定步骤基于参数确认，该参数确认包括下列步骤的：

-计算为所述共振元件的所述确定数量的共振频率和品质因数计算得到的各个传感器模型响应的归一化相关系数总和；以及

-确定对应于与所述较高归一化相关系数总和相关联的共振频率/品质因数对的所得到的共振频率和所得到的品质因数。

根据第一种激励机制，以一定次数重复具有确定频率的所述激励信号；并且基于在所述频率范围内检测到的各个频率的所述接收信号的平均值，确定所述同相传感器真实响应和正交传感器真实响应。

根据第二种激励机制，所述激励信号包括第一激励信号和第二激励信号，所述第一激励信号具有第一数量的周期，所述第二激励信号具有第二数量的周期。所述激励信号以不同频率重复，以便按照以频率增量扫过一频率范围，一第一接收信号与所述第一激励信号相关联，一第二接收信号与所述第二激励信号相关联。所述同相传感器真实响应是基于与所述第一接收信号相关联的所述同相传感器真实响应和与所述第二接收信号相关联的所述同相传感器真实响应之间的减法运算而确定的。所述正交传感器真实响应是基于与所述第一接收信号相关联的所述正交传感器真实响应和与所述第二接收信号相关联的所述正交传感器真实响应之间的减法运算而确定的。

因此，根据本发明，激励/检测元件完全与流体隔离。因为浸入流体的传感器部分仅仅是共振元件和部分壳体，所以本发明的传感器具有较高的抗化学腐蚀性、较高的耐压性和较高的抗温度影响特性。

所述传感器的设计使得对被测流体的流动管线的侵入最小，因此避免了对流体流动的扰动、腐蚀问题、可能的堵塞，并确保传感器在很长时期内的可靠性。

此外，致动/检测部分与共振部分分离，这使得可以完全自由地选择共振元件的材料，而不用考虑其电学性质。尤其是可以使用高抗腐蚀性的合金或高强度的晶体。

而且，因为在共振元件和致动/检测元件之间没有电通过，所以传感器壳体可以制成简单而且坚固的单体部件。因此，减小了温度诱发的应力影响。传感器可以相对于现有技术的传感器被小型化，并更适应使用于恶劣环境。它也更适于制造。

最后，本发明的测量方法允许大大减小环境的变化和噪声的影响。这大大改进了传感器的工作范围和密度/粘度预测的健壮性和准确性。

图说明

本发明通过示例方式阐述，其不限于图所示内容，所述图中相同的附图标记表示相同的元件：

图1、2、3、4和5分别为透视仰视图、透视俯视图、仰视图、俯视图和侧视图，示意性地示出了根据本发明第一实施例的用于测量流体密度和粘度的传感器；

图6A是沿图5的线AA截取的横截面视图，示出了根据本发明第一实施例的用于测量流体密度和粘度的传感器；

图6B是沿图5的线AA截取的横截面视图，示出了根据本发明第一实施例的备选方案的用于测量流体密度和粘度的传感器；

图6C是沿图5的线AA截取的横截面视图，示出了根据本发明第一实施例的另一个备选方案的用于测量流体密度和粘度的传感器；

图7A和7B分别是根据第一和第二备选方案的压电元件的透视图；

图8A、8B和8C分别为侧视图、仰视图和透视仰视图，示意性地示出了根据本发明第二实施例的用于测量流体密度和粘度的传感器；

图9A、9B和9C分别为侧视图、仰视图和透视仰视图，示意性地示出了根据本发明第三实施例的用于测量流体密度和粘度的传感器；

图10A、10B和10C分别为侧面、底部和透视底部视图，示意性地示出了根据本发明第四实施例的用于测量流体密度和粘度的传感器；

图11示出了与本发明传感器相关联的电子装置；

图12A和12B分别示意性地示出了根据第一和第二备选方案的传感器激励和检测机制；

图13是示出了装在管道内的用于测量流体密度和粘度的传感器且示出了根据本发明的测量原理的横截面视图；

图14是根据本发明用于测量流体密度和粘度的方法的图解示图；

图15示出了基于测量得到的正交传感器真实响应波谱，和基于计算得到的正交模型响应波谱；

图16示出了基于测量得到的同相传感器真实响应波谱，和基于计算得到的同相模型响应波谱；

图17A和17B是示意性示出了根据第一备选方案的连接到管道用于测量流体密度和粘度的传感器的透视图和横截面视图；

图18A和18B是示意性示出了根据第二备选方案的连接到管道用于测量流体密度和粘度的传感器的透视图和横截面视图。

具体实施方式

图1到5示出了本发明的密度和粘度传感器1。

密度和粘度传感器1包括壳体2。壳体2包括连接器7，例如标准的同轴连接器。壳体2可以包括用于O型图密封件(未示出)的槽10。所述密封件将流体接触侧FCS与传感器连接侧SCS分开。流体接触侧可以经受恶劣环境(高压、腐蚀性流体......)。连接侧通常是处于大气压下。传感器包括共振元件3A。共振元件3A通过机械耦接件5耦接到壳体2上。在图1到6B示出的实施例中，共振元件3A采取的是中心通过机械耦接件附接至壳体2的单个梁的形式。

在这个具体实施例中，机械耦接件5与壳体成为整体部件。但是，对本领域技术人员而言，显然机械耦接件5可以与共振元件成为整体部件，或者可以是耦接到壳体和共振元件的单独的部件。机械耦接件的作用是将壳体2机械连接到共振元件3A上，以便可以通过它传递振动。另一个作用是将共振元件3A设置在需要测量的流体中，以便共振元件被所述流体包围或完全浸入所述流体中。共振元件3A和壳体可以组装在一起(例如通过适当的焊接、粘结、铜焊等技术)，其中壳体可以与耦接件5成为整体或者不带有耦接件5。

图6A是根据第一实施例的第一备选方案的传感器1的横截面视图。壳体包括限定腔室8A的壳体内部部件。壳体2在腔室一侧包括腔体8B。腔体8B限定出壳体厚度减小的一个区域，该区域限定出腔室8A和流体接触侧FCS之间的膜9。耦接件5设置在膜9上。优选地，耦接件5设置在膜的中间。腔室8A可以用材料填充。优选，所述材料为振动吸收材料(例如气体、油、凝胶等)。振动吸收材料能减少由于壳体自身的寄生振动模式而产生的扰动。壳体8A可以通过连接器7密封。

致动/检测元件4，例如压电元件4A设置在腔体8B内。压电元件的一侧通过连接线6耦接至连接器7。压电元件4A的另一侧电耦接至膜9上。在这个备选方案中，压电元件主要以伸展方式工作。

一般，压电元件包括基本上位于其全部表面上并位于其每一侧的金属层。

电耦接可以或者通过利用导电胶将压电元件粘结到膜上实现，或者通过将压电元件机械固定到膜上实现，或者通过将压电元件铜焊到膜上实现。

连接器7包括与壳体2接触的外部金属部件7A和内部金属部件7B。外部和内部金属部件7A和7B通过隔离部件7C分隔开。因此，压电元件4可以通过施加到其两侧之间的适当的电信号来激励，所述两侧即外部金属部件7A和壳体2的一侧和金属部件7B和连接线6的另一侧。

图6B是根据第一实施例的第二备选方案的传感器1的横截面视图。根据这个备选方案，在壳体的腔室8A内设置热敏电阻。热敏电阻能够在进行粘度和密度测量的位置进行温度测量。此外，热敏电阻11还连接到电阻12上，电阻12用于调节温度测量范围，使之适应使用密度和粘度传感器的特定应用。温度测量对补偿密度和粘度测量中的温度影响是有用的。热敏电阻作为例子给出，可以使用其它的温度测量装置，例如二极管。

图6C是根据本发明第一实施例的第三个备选方案的传感器1的横截面视图。为了清楚起见，图6C中省略了连接器7。根据这个备选方案，传感器还包括插塞13和拧入腔室8A或腔体8B的螺旋插塞14，用于将压电元件14施加到膜9上。螺旋插塞14在其中心处包括供连接线6通过的适当的孔。插塞13使得在螺旋插塞14被拧入时压电元件可以被施加到膜上。插塞13允许连接线6从螺旋插塞中心通至压电元件。压电元件的一侧通过连接线6耦接到连接器(未示出)。压电元件4A的另一侧接触膜9。

为了清楚起见，图6C也示出了压电元件4A区域的放大部分。压电元件4A包括两个重叠的压电元件4A1和4A2，二者通过第一传导层6A相互耦接。第一传导层6A连接到连接线6。第一压电元件4A1通过第二传导层13A耦接到插塞13。第二压电元件4A2通过第三传导层9A耦接至膜9。相对于第二压电元件4A2，第一压电元件4A1具有相反的极化状态。在这个备选方案中，压电元件主要以压缩方式工作。因此，这两个相互重叠的压电元件4A1和4A2可以通过施加在第一传导层6A的一侧与第二和第三传导层9A、13A的另一侧之间的适当电信号来激励。

虽然在图中没有示出，可以制成具有适当极性和传导层连接的附加压电元件(例如3，4，5等压电元件)的堆叠部分。压电元件的额数量越多，该堆叠部分传递的信号越多，从而可以改善利用该传感器所进行的测量。

有利地，传感器还包括将传感器固定到管道、管子或管路的任何适当的元件(法兰、螺纹联接件等)。在下文中将根据图17和18给出两个例子。

图7A和7B示出了压电元件形式的致动/检测元件4。根据图7A示出的第一备选方案，压电元件具有普通圆柱形4A。根据图7B示出的第二备选方案，压电元件具有环形4B，也就是中心部分空的圆柱形。有利地，根据第二种形状的压电元件比第一种形状耐受更大的变形。因此，重大应力尤其是高压下的压电元件破裂的风险大大降低了。更确切地说，压电元件在中心部分经受拉伸应力，在边缘处经受压缩应力。拉伸应力可以导致压电元件破裂。

图8A、8B和8C分别为侧视图、仰视图和透视仰视图，示意性地示出了根据本发明第二实施例的密度和粘度传感器1。

根据该实施例，共振元件3B是一端附接至耦接件5的单件梁的形式的。

图9A、9B和9C分别为侧视图、仰视图和透视仰视图，示意性地示出了根据本发明第三实施例的密度和粘度的传感器1。

根据这个实施例，共振元件3C是非对称U形梁的形式的。该梁可以是具有例如圆柱形横截面或椭圆形横截面且直径几微米的丝线(wire)。丝线包括与被测流体接触的第一纵向部分。该丝线包括由一端连接到耦接件5的第二弯曲部分。

优选，根据第一、第二和第三实施例的柱与流体流动平行。这种结构能使高速微粒流体中的腐蚀影响降到最小。它也使得由于测量装置的存在而因其的湍流和因此在梁上产生的噪声降到最小。

图10A、10B和10C分别为侧视图、仰视图和透视仰视图，示意性地示出了根据本发明第四实施例的密度和粘度传感器1。

根据这个实施例，共振元件3D包括第一梁301和第二梁302。每个丝线浸在被测流体中。第一梁301通过其一点附接至耦接件5。第二梁302通过其一点附接至第一梁。第一梁可以相对于第二梁以任何角度，优选为90°设置。第一梁的附接点可以选在丝线的中间以形成对称的梁，也可以选在丝线的任何点以形成不对称的梁。同样的道理也适用于第二梁。对称的梁和不对称的梁的组合也是可以的。

有利地，每个梁具有其自己的品质因数和共振频率。因此，不同长度的多个梁可以扩展密度和粘度的测量范围(每个梁对一个特定的密度和粘度范围敏感)。同样长度的多个梁可以改善信噪比，从而改善传感器的精度。

在前面描述的实施例中，图中示出的各种梁包括具有圆形横截面的丝线。但是，这不是限制性的，因为作为选择，所述梁可包括具有椭圆形横截面或具有平行六面体的横截面(例如矩形横截面)或具有三角形横截面等的任何丝线。丝线的直径或宽度可以是几百微米。

有利地，传感器的壳体由高强度和抗腐蚀性强的不锈钢构成，例如因科镍合金。

有利地，共振元件由高强度和抗腐蚀性强的材料构成，例如不锈钢或具有低密度的材料，例如蓝宝石或碳化硼。蓝宝石或碳化硼的使用改善了对流体密度的敏感性。

可供选择地，共振元件可以由用于检测或测量流体中的化学物类的特殊材料制成。

图11示意性地示出了与本发明的密度和粘度传感器1相关联的电子装置EA。电子装置可以通过集成在腔室内而与密度和粘度传感器1形成为一整体部件，或者电子装置可以从外部耦接至连接器7。电子装置包括独立的电子元件或实现为集成电路的形式。

电子装置EA包括控制电路LOG、振荡器SOS、第一开关SW1、第二开关SW2、放大器AMP、检测电路SYS和处理电路PRO。

控制电路LOG耦接至振荡器SOS、第一开关SW1、第二开关SW2、放大器AMP和检测电路SYS。

振荡器SOS可以是扫描振荡器。振荡器执行传感器激励和检测机制，这将在下文中详细描述(参见图12A和12B)。

在第一步中，控制电路LOG闭合第一开关SW1，打开第二开关SW2。因此，振荡器SOS向压电元件施加了激励信号。激励信号的施加导致压电元件4向膜9进而向共振元件3施加和释放应力，这是由于它们互相机械耦接。激励信号一般为伏特量级的。

一旦通过激励压电元件3而建立振动，可以去除激励，并可以测量表征压电元件3在流体F中的振动的接收信号。接收信号通常为微安量级的。

相应地，在第二步中，控制单元LOG闭合第二开关SW2，打开第一开关SW1。这样，压电元件产生表征与共振元件3机械耦接的膜9的应变变化的接收信号。

检测信号由放大器AMP放大。检测电路SYS在检测阶段执行同步检测。它向处理电路PRO提供由传感器1测得的真实同相响应信号IPR和真实正交响应信号IQR。

处理电路PRO也可以连接到热敏电阻11上。这可以提供在传感器位置的温度测量。处理电路PRO根据下文中将详细描述的(参见图14)密度和粘度确定方法提供流体F的密度和粘度。

应当意识到第二开关SW2可以省略掉或由合适的电阻取代。第二开关SW2的基本功能是保护放大器AMP，因为激励信号和接收信号的大小量级不同。

图12A中示出密度和粘度传感器激励和检测机制的第一备选方案。激励和检测机制基于以下顺序，即激励阶段，随后是等待阶段和检测阶段。在第一步中，如此前描述的，第一激励信号ES₀(f)施加到压电元件。第一激励信号ES₀(f)具有第一频率f，并且包括特定数量的周期M(例如四个周期，六个周期等)。接着，在第二步中，如此前描述的，在一个等待持续时间TW0后，在检测持续时间TD0内检测压电元件产生的接收信号。等待持续时间TW0持续一定数量的周期L，例如L大约为一个周期，并能使系统在测量进行之前松弛。在持续时间TD0内，测量由于流体内的共振元件的振荡衰减而产生的衰减信号(未示出)。检测持续时间TD0持续一定数量的周期P，例如P大约为三个周期。

这两个步骤重复n次，从激励信号ES₁(f)到激励信号ES_n(f)。例如n＝10，50，100等。

有利地，n大致等于共振元件的品质因数Q。这种选择能保证产生稳定的振荡状态。

接着重复上面的步骤，使得振荡器SOS提供的激励信号的频率扫过包括共振元件的共振频率的一定频率范围。更确切地说，上述步骤利用第二激励信号ES₀(f+Δf)重复。第二激励信号ES₀(f+Δf)具有第二频率f+Δf，对应于第一频率f变化一频率增量Δf。它包括与第一激励信号ES₀(f)相同数量的周期。重复这些步骤直到整个频率范围都被扫过，也就是直到激励信号为ES_n(f+NΔf)而且相应的检测已经被执行。

作为例子，振荡器SOS可以按照频率增量为1Hz和N＝100的条件扫过从8200Hz到8300Hz的频率范围。

对于激励和检测机制的这一备选方案，检测到的衰减信号被放大。接着检测电路执行同步检测。检测到的衰减信号分别与正弦信号和余弦信号相乘。对每个频率的n个信号进行平均。与正弦信号的相乘结果给出同相响应信号。与余弦信号的相乘结果给出正交响应信号。获得的典型波谱将参照图15和16在下文中详细描述。

图12B中示出密度和粘度传感器激励和检测机制的第二备选方案。该激励和检测机制基于以下顺序，即激励阶段以及之后的等待阶段和检测阶段。在第一步中，如此前描述的，第一激励信号ES′₀(f)施加到压电元件。第一激励信号ES′₀(f)具有第一频率f，并且包括特定数量的周期M′，至少两个周期(例如四个周期，六个周期等)。接着，在第二步中，如此前描述的，在一个等待持续时间TW0后，在检测持续时间TD0内检测压电元件产生的接收信号。等待持续时间TW0持续一定数量的周期L′，例如L′大约为一个周期，并能使系统在测量进行之前松弛。在持续时间TD0内，测量由于流体内的共振元件的振荡衰减而产生的衰减信号(未示出)。检测持续时间TD0持续一定数量的周期P′，例如P′大约为三个周期。

这两个步骤重复n次，从激励信号ES′₀(f)到激励信号ES_n(f)。例如n＝10，50，100等。

接着重复上面的步骤，使得振荡器SOS提供的激励信号的频率扫过包括共振元件的共振频率的一定频率范围。更确切地说，上述步骤利用第二激励信号ES′₁(f+Δf)重复。第二激励信号ES′₁(f+Δf)具有第二频率f+Δf，对应于第一频率f变化一频率增量Δf。它包括与第一激励信号ES′₀(f)相同数量的周期。重复这些步骤直到整个频率范围都被扫过，也就是直到激励信号为ES′_n(f+NΔf)而且相应的检测已经被执行。

作为例子，振荡器SOS可以按照频率增量为1Hz和N＝100的条件扫过从8200Hz到8300Hz的频率范围。

接下来，以类似的方式，对其它激励信号ES″₀(f)到ES″_n(f+nΔf)重复这些步骤，以便扫过包括共振元件共振频率的一定频率范围。激励信号ES″₀(f)，ES″₁(f+Δf)，ES″₂(f+2Δf)，......ES″_n(f+nΔf)包括仅仅一个周期。

对于激励和检测机制的该备选方案，检测到的衰减信号被放大。接着检测电路执行同步检测。检测到的衰减信号分别乘以正弦信号和余弦信号。与正弦信号的相乘结果给出了同相响应信号。与余弦信号的相乘结果给出了正交响应信号。对于给定的频率，从由第二激励信号(仅仅一个周期)产生的同相响应中减去由第一激励信号(至少两个周期)产生的同相响应。此外，从由第二激励信号(仅仅一个周期)产生的正交响应中减去由第一激励信号(至少两个周期)产生的正交响应。这样，至少可以部分地修正减法运算的结果，消除由于在激励周期之后出现而在等待周期后没有完全消失的传感器松弛造成的影响。

在下文中将参照图15和16详细描述获得的典型波谱。

有利地，对于在此之前描述的第一和第二激励和检测机制，当激励信号为零时激励信号结束。这改善了等待阶段的松弛。

图13是装在管道C内用于测量流体F的密度和粘度的传感器1的横截面视图，示出了根据本发明的测量原理。

随着共振元件3在流体F内振动，一些周围的流体发生移位。共振元件3的有效质量增加了量δm，这个增加的量是由移动部分带动流体的体积确定的。因此，这个效应与流体密度有关，从而实现了密度计。

随着共振元件3在流体F内振动，共振元件沿剪切方向(in shear)在流体中拖曳。因此，振动依赖于对流体剪切力的阻力，从而实现了粘度计。

可以准确确定共振元件与流体相互作用的确切的解析模型(例如第一、第二、第三和第四实施例中的梁)。

例如，可以准确地给出根据第二实施例的圆形横截面(图8)的单个梁形式的共振元件在流体中的相互作用的模型。

首先，基于Navier Stockes方程：

$\mathrm{\ρ}\frac{d\stackrel{\→}{v}}{\mathrm{dt}}=-\stackrel{\→}{\mathrm{grad}}P+\mathrm{\η\Δ}\stackrel{\→}{v}+(\mathrm{\ξ}+\frac{\mathrm{\η}}{3})\stackrel{\→}{\mathrm{grad}}\left(\mathrm{div}\stackrel{\→}{v}\right)$

其中ρ对应于流体密度，表示来自压力P的力，

对应于梁的振动速度，η是流体粘度，ξ是第二流体粘度。

其次，基于以下成立的假设，即流体是不可压缩流体，梁的速度很低，梁的尺寸比共振元件振荡的振幅大，以及增加的质量δm相对于梁的质量而言比较小，可以进行以下计算：

梁上增加的质量这样给出δm＝πρR²，其中R表示柱截面的直径。品质因数这样给出 $Q=({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{beam}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fluid}})\frac{\mathrm{R\δ\ω}}{4\mathrm{\η}},$ 其中ρ_fluid对应于流体密度。

流体密度这样给出 $\mathrm{\η}=\frac{{({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{beam}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fluid}})}^2{\mathrm{\ω}}_0{R}^2}{{8\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fluid}}}{(\frac{1}{Q}-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{beam}}}{({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{beam}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fluid}})}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{vac}}}{Q_{\mathrm{vac}}})}^2,$ 其中ω₀与柱在流体中的共振频率相联系，ω_vac与柱在真空中的共振频率相联系，Q_vac表示真空中的损失。

图14是根据本发明测量流体密度和粘度方法的示意图。

在第一步中，共振装置包括致动/检测元件4和设置成浸入流体中的共振元件3、3A、3B、3C、3D，该共振装置根据前面参照图12A或12B描述的激励和检测机制激活。

在第二步中，检测共振装置提供的接收信号RS。这两步在经改变的各个频率上重复，从而以连续的频率增加扫过一定的频率范围。

处理(PRCS)在一定频率范围内检测到的各种接收信号被处理，并且确定同相传感器真实响应(in-phase sensor actual response)波谱IPAR和正交传感器真实响应(quadrature sensor actual response)波谱QAR。

同时，基于共振元件初始的共振频率F0₀和初始的品质因数Q₀，计算(MCALC)同相传感器模型响应(in-phase sensor model response)波谱IPMR和正交传感器模型响应(quadrature sensor model response)波谱QMR。

接下来，比较(COMP)正交传感器模型响应QMR与正交传感器真实响应QAR，并且比较(COMP)同相传感器模型响应IPMR与同相传感器真实响应IPAR。

对于经改变的(MOD)共振频率F0′和经改变的品质因数Q′重复计算步骤MCALC和比较步骤COMP，直到达到共振频率F0_n和品质因数Q_n的最终值。因此，扫过特定数量的共振频率F0和品质因数Q的离散值，其中优选包括将被确定的值。

有利地，模型响应和真实响应之间的比较步骤COMP以参数确认为基础。更确切地说，计算各种共振频率和各种品质因数下的一定数量的模型响应。同相模型响应逐点与同相真实模型相乘，并计算各个模型响应点第一相关系数。正交模型响应逐点与正交真实模型相乘，并计算各个模型响应的第二相关系数。相关系数的计算是已知的数学计算，不再进行进一步解释。

特定品质因数Q′和特定共振频率F₀′的归一化(normalized)相关系数cc通过下面的公式给出：

$\mathrm{cc}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}s\left(f_i\right)\·S(Q^{\′},F_0^{\′},f_i)+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}c\left(f_i\right)\·C(Q^{\′},F_0^{\′},f_i)}{\sqrt{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(S^2+C^2)}}$

其中，s(f_i)是频率f_i下测得的同相波谱，c(f_i)是频率f_i下测得的正交波谱，S(Q′，F₀′，f_i)是频率f_i下的模型同相波谱，C(Q′，F₀′，f_i)是频率f_i下的模型正交波谱，频率f_i扫过包括共振频率的频率范围。

对每个共振频率、品质因数对，计算归一化相关系数。

共振元件在流体中的共振频率F0和品质因数Q被确定(DET)为对应于更高归一化总和的共振频率/品质因数对。显然，共振频率/品质因数对的确定精度取决于用于计算模型响应的对的数量，因而取决于共振频率的增量(例如0.1赫兹)和品质因数的增量(例如1单元)。

为了减少计算的数量但保持对共振频率和品质因数的良好确定精度，可以将模型响应的计算限于重要的有限可能数量的品质因数和共振频率(例如10Hz)上。对于最相关的对，同时计算相邻对的(例如最相关对周围的8对)。接下来，在二维上进行插值以确定最佳共振频率/品质因数对(这是已知的数学计算，不再进行进一步解释)。

通过选择性地仅比较同相响应或仅比较正交响应而减少计算的量也是可能的。

最后，可以基于确定的共振频率F0和得到的品质因数Q以及基于共振元件对流体影响的准确的解析模型MDL计算(DVCALC)流体的密度η和粘度ρ。

图15和16示出了与响应波谱相比的测得的典型传感器响应波谱。

图15示出了正交传感器真实响应波谱QAR和正交模型响应波谱QMR。这些正交波谱包括主波段波峰部分MPK以及第一侧波段波峰部分SPK1和第二侧波段波峰部分SPK2。不同的波峰MPK、SPK1、SPK2、MPK′、SPK1′和SPK2′由致动/检测元件和共振元件的不连续激励序列产生。

图16示出了同相传感器真实响应波谱IPAR和同相模型响应波谱IPMR。这些正交波谱包括主波段波峰部分MPK′和第一SPK1′和第二侧波段波峰部分SPK2′。

真实响应波谱QAR和IPAR基于本发明的密度和粘度传感器的测量结果。模型响应波谱QMR和IPMR基于计算。拟合模型包括用于进行测量的密度和粘度传感器的共振元件的特定特征。

基于所确定的共振频率F0和品质因数Q和所使用的特定共振元件的拟合模型，可以计算密度η和粘度ρ。优选，流体的密度和粘度可以基于例如热敏电阻进行的温度测量进行进一步校正。

上面测量方法的所有步骤优选由电子装置EA的处理电路PRO执行。

图17A和17B是示意性地示出了耦接至六边形横截面的管道部分C1的密度和粘度传感器1的第一示例的透视图和横截面视图。管道部分C1包括耦接到主管道或管路的连接部CC1。密度和粘度传感器1配合在螺纹壳体SC1中。六边形横截面的管道部分C1包括用于拧入螺纹壳体SC1的螺纹孔。该螺纹孔包括支座，以便当螺纹壳体SC1被拧入，共振元件最佳地设置在管道部分C1内。

图18A和18B是示意性地示出了耦接到矩形横截面管道部分C2的密度和粘度传感器1的第一示例的透视图和横截面视图。管道部分C2包括耦接到主管道或管路的连接部CC2。密度和粘度传感器1配合在螺纹壳体SC2的接收部分中。连接壳体SC2还包括一板。矩形横截面的管道部分C2包括用于插入接收部分的孔。当连接壳体SC2插入孔中，所述板抵靠在管道的外部部分。这样，共振元件被最佳地设置在管道部分C1内。所述板按照任何合适的组装技术连接到管道的外部部分。

最后的评价

以上已经描述了压电元件形式的致动/检测元件。但是，显然这是致动/检测元件的示例，任何电/机械振动转换装置，例如电动马达，都可以使用。

对于本领域技术人员而言显然本发明不限于在此之前描述的四个具体的共振元件。假定某人可以发现模拟流体中共振元件3特性的公式，则所述元件可以具有其它形状，例如在梁的一端带有球形团，在叉的两个臂之间延伸的梁等。

对于本领域技术人员而言显然构成共振元件的梁的数量不限于第四实施例中描述的一个或两个。多个梁可以耦接到膜上，每个梁具有其自身的共振频率，以便能够测量特定的密度和粘度范围。

此外，梁在图中示出为大致平行于与被测流体接触的传感器壳体区域。但是，对本领域技术人员而言显然可以设置梁，使之相对于与被测流体接触的传感器壳体的区域成任意角度(例如10°、30°、45°等)。

将密度和粘度传感器连接到其中流动被测流体的管道的连接器不限于在此之前描述的两个示例。对于本领域技术人员而言显然可以根据密度和粘度传感器的应用采用其它连接器。

此外，在此之前使用的术语“连接器”的不限于机械/电子连接器。对于本领域技术人员而言显然无线连接器可以用于从传感器向任何需要这种测量的系统传递测量结果。

本发明在各种工业领域都有应用，例如在油田领域中作为井下工具中的密度和粘度传感器，化学工业(塑料制造、化妆品准备制造)，食品领域等。它也可以用于航空应用，例如通过测量由于冰在共振元件上增加的质量而引起的共振频率变化来检测机翼上冰的形成情况。

附图以及之前的说明阐述了本发明，但不是限制性的。权利要求中的附图标记不应当理解为限制权利要求。“包括”一词不排除除了那些在权利要求中列出的要素以外的其它要素的出现。在要素之前出现的“一”或“一个”不排除这些要素的复数的出现。

Claims (17)

1.一种用于测量流体(F)的密度和粘度的密度和粘度传感器(1)，该传感器(1)包括设置成浸入流体(F)的共振元件(3，3A，3B，3C，3D)、耦接至所述共振元件的致动/检测元件(4A，4B)、以及用于耦接至所述致动/检测元件(4A，4B)的连接器(7)，其中：

所述传感器(1)还包括限定出与流体(F)隔离开的腔室(8A)的壳体(2)，该壳体(2)包括厚度减小了的区域，该区域限定出将所述腔室(8A)与流体(F)分离开的膜(9)，

所述致动/检测元件(4A，4B)设置在所述腔室内以与流体(F)隔离开，并机械耦接至所述膜(9)上，

设置成浸入流体(F)的所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)机械耦接至所述膜(9)上，并且

所述膜(9)的厚度使得能够在所述致动/检测元件(4A，4B)与所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)之间传递机械振动。

2.如权利要求1所述的密度和粘度传感器，其中，所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)通过机械耦接件(5)机械耦接至所述膜(9)上。

3.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述厚度减小了的区域形成一腔体(8)，所述致动/检测元件(4A，4B)固定在该腔体中。

4.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述致动/检测元件包括至少一个压电元件(4A，4B，4A1，4A2)。

5.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述压电元件(4A，4B)包括第一和第二侧，所述第一侧通过连接线(6)连接到所述连接器(7)上，所述第二侧电耦接至所述膜(9)上。

6.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述压电元件(4A，4B)通过拧入所述腔体(8)的插塞结构(13，14)被推压至所述膜(9)上，所述插塞包括用于耦接至所述连接线(6)的孔。

7.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述连接器(7)是同轴连接器，其包括与所述壳体(2)接触的外部金属部分(7A)和耦接至所述连接线(6)的内部金属部分(7B)，一隔离部分(7C)将所述外部金属部分(7A)和内部金属部分(7B)分离开。

8.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述传感器(1)还包括设置在所述腔室(8A)内的热敏电阻(11)。

9.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述传感器(1)还包括电子装置(EA)，用于驱动所述致动/检测元件(4A，4B)，使之从致动模式进入检测模式，或者从检测模式进入致动模式。

10.如前面任何一个权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述共振元件(3)包括用于测量第一密度和粘度范围的第一梁(3A，3B，3C，3D，301)。

11.如权利要求10所述的密度和粘度传感器，其中，所述共振元件(3)至少还包括用于测量第二密度和粘度范围的第二梁(302)。

12.如权利要求1到9任意一个所述的密度和粘度传感器，其中，所述共振元件(3)在包括下列部件的共振元件的组中选择：

通过其中心部附接至所述耦接件(5)的单个梁(3A)，

通过一端附接至所述耦接件(5)的单个梁(3B)，

U形梁(3C)，包括耦接至一第二弯曲部分的一第一纵向部分，所述第二弯曲部分通过一端附接至所述耦接件(5)上，和

包括附接在一起的第一梁和第二梁的双梁(3D)，所述第一梁附接至所述耦接件(5)上。

13.如前面权利要求所述的密度和粘度传感器，其中，所述梁(3A，3B，3C，3D)至少包括与流体流动方向平行的一丝线。

14.一种流体密度和粘度的测量方法，包括以下步骤：

a)向共振装置施加激励信号(ES)，该共振装置包括致动/检测元件和设置成浸入在流体(F)中的共振元件(3，3A，3B，3C，3D)，所述激励信号具有第一频率(f)；

b)检测由共振装置(4A，4B)提供的接收信号(RS)；

c)以各种频率重复所述激励信号施加步骤和接收信号检测步骤，从而以一频率增量(Δf)扫过一定频率范围；

d)基于在一定频率范围上检测到的所述接收信号，确定同相传感器真实响应(IPAR)和正交传感器真实响应(QAR)，

其中，所述方法还包括以下步骤：

e)基于所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)的初始共振频率(F0₀)和初始品质因数(Q₀)，计算(MCALC)同相传感器模型响应(IPMR)和正交传感器模型响应(QMR)；

f)通过确定相关联的相关系数，将所述同相传感器模型响应(IPMR)与所述同相传感器真实响应(IPAR)进行比较(COMP)；将所述正交传感器模型响应(QMR)与所述正交传感器真实响应(QAR)进行比较；

g)对于经改变的共振频率(F0′)和经改变的品质因数(Q′)重复所述计算步骤和比较步骤，并记录确定数量(n)的共振频率、品质因数和相关联的相关系数；

h)基于所述确定数量(n)的相关联的相关系数，确定所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)在流体(F)中所得到的共振频率(F0)和所得到的品质因数(Q)；以及

i)基于所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)的准确的解析模型(MDL)以及所得到的共振频率(F0)和所得到的品质因数(Q)，确定流体(F)的密度和粘度。

15.如前面权利要求所述的密度和粘度测量方法，其中，所述比较步骤和共振频率/品质因数确定步骤基于参数确认，该参数确认包括下列步骤的：

计算为所述共振元件的所述确定数量(n)的共振频率和品质因数计算得到的各个传感器模型响应的归一化相关系数总和；以及

确定对应于与所述较高归一化相关系数总和相关联的共振频率/品质因数对的所得到的共振频率和所得到的品质因数。

16.如权利要求14或15所述的密度和粘度测量方法，其中：

以一定次数(n)重复具有确定频率(f，f+Δf，......f+NΔf)的所述激励信号(ES)；以及

基于在所述频率范围内检测到的各个频率的所述接收信号的平均值，确定(PRCS)所述同相传感器真实响应(IPAR)和正交传感器真实响应(QAR)。

17.如权利要求14或15所述的密度和粘度测量方法，其中：

所述激励信号(ES)包括第一激励信号和第二激励信号，所述第一激励信号具有第一数量的周期，所述第二激励信号具有第二数量的周期，所述激励信号以不同频率重复，以便按照以频率增量(Δf)扫过一频率范围，一第一接收信号与所述第一激励信号相关联，一第二接收信号与所述第二激励信号相关联；

所述同相传感器真实响应(IPAR)是基于与所述第一接收信号相关联的所述同相传感器真实响应和与所述第二接收信号相关联的所述同相传感器真实响应之间的减法运算而确定(PRCS)的；并且

所述正交传感器真实响应(QAR)是基于与所述第一接收信号相关联的所述正交传感器真实响应和与所述第二接收信号相关联的所述正交传感器真实响应之间的减法运算而确定(PRCS)的。

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