CN101809420A - 流体密度和粘度的无损测量 - Google Patents

Abstract

所描述的是管道中静止或流动液体的密度和粘度的无损测量法，其中管道执行了传感仪器作用。管道的适宜结构共振频率测量和这种共振宽度允许分别对密度和粘度进行测定。该粘度也可通过监测管道共振的时间衰减进行测量。

Description

流体密度和粘度的无损测量

联邦权利声明

该发明获得美国能源部政府支持，合约编号为DE-AC52-06NA25396。政府在本发明中具有一定权利。

发明领域

本发明通常涉及流体密度和粘度的测量，具体的说，是关于采用声学技术进行流体密度和粘度的测量。

背景技术

目前，振动U型管密度计广泛用于测量流体密度，装有流体试管的机械振动频率随着液体密度改变而改变。将流体放置在振动U管内，监测其共振频率。频率与流体密度相关。机电元件和反馈回路放大器保持振动，提供了流体密度确定的频率输出。这种测量法要求流体管内的流体流进U-管内。

采用准稳态-均相模型，流体有效地加入到U-管/流体体系中，因为流体通常对该体系的刚度几乎没有影响。将流体引入管内，然后改变该体系振动的固有频率。管内的流体质量与流体密度ρ_fluid成正比，体系的固有频率f_nat随流体密度的提高而降低，符合方程：

此处，β为与振动管的几何形状和振动特征相关的校正常数，m_struct为管结构的质量，K_struct为与管材质的弹性性能相关的刚度常数。装载流体的管道的固有频率可进一步简化为：

此处，m_fluid为管内流体的质量。

如上文中规定的，管道或者圆筒(或任何形状容器)的固有频率随着流体负载而改变。空管和装有流体的管道的固有频率可表达为：

而

可进行重排使得管内的流体密度影响可根据管道的固有频率进行表达，如下：

此处，

m_fluid为流体质量，m_pipe为管道或圆筒的质量，ρ_fluid为该流体的密度，V_pipe为管内体积，f_full为装有流体的管道的频率，K_pipe为与管材质的弹性性能相关的常数。下标指流体和管道。上述程序通过监测固有振动频率而有效确定内部装有流体的管道和没有流体的管道的重量，从质量可得到其密度。

普遍实行的过程要求在被观察的具有流体的管内装有一个分支，连接振动U管或者管外部的科氏测量仪。这有必要在管上钻几个孔，连上凸缘和管的其他更改，所有无损操作。

在2000年4月25日授予Dipen N.Sinha的美国专利No.6,053,041中，名称为“Noninvasive Method For Determining TheLiquid Level And Density Inside Of A Container”中描述了一种测定流体密度的无损方法，通过采用超声波猝发声在容器壁上产生弹性声波，测量初始生成波的弹性波与生成波的弹性波的相位差，初始生成波与生成波存在一小段距离，相变的幅度与流体密度相关，与容器表面上的测量位置正相反。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供在没有必须将流体从管道或圆筒转移或流向单独的U管或其他装置的情况下，测定流体密度的设备和方法，其中流体包含在管内或圆筒内。

本发明的另一个目标是提供了在没有必须将流体从管道或圆筒转移或流向单独的U管或其他装置的情况下，测定流体密度和粘度的设备和方法，其中流体包含在管内或圆筒内。

然而，本发明的另一个目标是为了提供在没有必须将流体从管道或圆筒转移或流向单独的U管或其他容器的情况下，无损测定流体密度和粘度的设备和方法，其中流体包含在管内或圆筒内。

本发明的另外的目标、优势和新颖性的特征的一部分将在接下来进行描述，另一部分通过阅读下面的描述对于对本领域技术人员来说是显而易见的，或者可以从本发明的实施中了解到。本发明的目标和优势可通过所附的权利要求书中明确限定的手段和联合手段来实现并达到。

为了得到前述和其他目标，依据本发明的目的，如本文中体现并广泛描述的，测量容器内流体密度的设备，该容器具有带有外层表面的容器壁，合并包括：激磁换能器，放置在该容器的外表面上；扫频仪，用于在所选频率范围之外激发激磁换能器，借以在容器壁上生成固有频率；接收换能器，安置在容器外表面用于接收来自容器壁的振动，接收换能器产生所接收到的振动对应的电信号；接收来自接收换能器的电信号的装置，用于测定容器壁内共振的频率，流体密度从而得到。

在本发明另一个方面，根据其目标和目的，测量容器内流体密度的设备，该容器具有带有外层表面的容器壁，其合并包括：激磁换能器，其被放置在该容器的外表面上；接收换能器，安置在容器外表面用于接收来自容器壁的振动，接收换能器产生所接收到的振动对应的电信号；激磁换能器和接收换能器电接触中的高增益反馈回路，借以，电信号中的随机噪声被扩大，容器的共振模式被选取，接收来自接收换能器的电信号和测定容器壁共振频率的设备，流体密度从而得到。

然而，在本发明的另一个方面中，根据其目标和目的，测量容器内流体密度的方法，该容器具有外层表面的容器壁，其包括步骤：激发容器壁的共动；接收来自容器壁的振动，并产生该振动对应的电信号；接收电信号，测定容器壁共振的频率，流体密度从而得到。

仍在本发明的另一个方面中，根据其目标和目的，一种测量容器内流体密度的方法，容器具有带有外层表面的容器壁，激磁换能器和接收换能器接触该表面，其包括步骤：使激磁换能器和接收换能器电连接高增益反馈回路，借以电信号中的随机噪声被扩大并且管道或容器的共振模式被选取；测定容器壁共振的频率，流体密度从而得到。

在本发明的另一个方面，根据其目标和目的，测量容器内流体密度和粘度的设备，容器具有带有外层表面的容器壁，其合并包括：激磁换能器，放置在该容器的外表面上；接收换能器，安置在容器外表面用于接收来自容器壁的振动，所述接收换能器产生所接收到的振动对应的电信号；激磁换能器和接收换能器电接触高增益反馈回路，借此，电信号中的随机噪声被扩大，容器的共振模式被选取，接收来自接收换能器的电信号和测定容器壁共振的频率的装置，流体密度从而得到；高增益反馈回路内的带通滤波器，其用于选择高增益反馈回路的频率范围；将激磁换能器从高增益反馈回路断开的模拟开关；接收电信号并监测所选共振衰减的装置，流体粘度从而被测定。

本发明的利益和优势包括，但不限于，当保持该体系的完整性时，其中流体正在流动，在无需机械改造管道的情况下，实时、无损连续监测流经管道的流体。

附图说明

附图，加入并成为说明书的一部分，举例说明了本发明的实施方案，与下列说明一起，解释本发明的原则。附图中：

图1A是本发明以连续方式监测流体密度的设备的一个实施方案示意图；

图1B是本发明在不要求波形发生器或直接数字合成器(图1A中举例说明)的情况下监测流体密度设备的另一个实施方案示意图；

图1C是监测管内流体的密度和粘度的设备示意图，对图1B中举例说明的设备进行改进。

图2是与施用于含流体的管道上的激发频率成函数关系的接收信号振幅曲线图。

图3是与四种流体的流体密度成函数关系的共振频率曲线图。

图4是绘制为的流体粘度曲线图，与宽度成函数关系，如绘制在图2上该流体的第一共振频率Δf。

具体实施方式

简单地说，本发明包括管道部分静态或动态液体密度和粘度的无损测量法，管道执行传感仪器作用。如本文中采用的，管道或装入流体的容器是可互换的。管道的适宜结构共振频率测量和这种共振宽度允许分别对密度和粘度进行测定。粘度也可通过监测管道共振振幅的时间衰减进行测量。管道具有多维振动共振模式；通常，最低振动模式对于测定流体密度最灵敏，最低振动模式低于第一容器壁厚度模式共振更好。因此，频率扫描在约1kHz至约100kHz之间。

以下将详细参照本发明的实施方案，其实施例在附图中阐明，图中，相同结构将采用相同附图标号标识。转到图1A，设备10的一个实施方案示意图，用于以连续方式监测流体密度。压电激磁换能器12，和压电接收换能器14，粘贴在容器壁18的外层表面上，管道20的外层表面上，其彼此靠近，尽管管道20表面16上精确位置和两个换能器之间的分隔都不是关键的。因为整个管道部分振动，在哪检测到振动无关紧要。如果接收换能器所选位置是任何共振的结点，共振模式的振幅受到影响，但频率仍可被测定。通常，激磁换能器和接收换能器彼此间隔1cm放置(边对边)。发射换能器的频带宽度可在约1kHz至100kHz之间，可经机械钳紧或胶水和类似物品附着在管道上。在采用钢管的情况中，换能器可经磁力吸附上。

直接数字合成器集成电路22，受到微处理器24控制，向激磁换能器12施加正弦波电压在管道20的管道壁18上有效生成振动。换能器14的输出经扩大器24扩大。信号幅度的测量采用有效值-直流(RMS-DC)转换电路26进行。对于任一给定正弦波振幅，RMS-DC转换器提供了直流电压值，其与正弦波的有效值相关。被存储在微处理25的存储器内之前，这个信号幅度的直流值采用模/数(A/D)转换器28进行数字化。微处理器25也可包括用于同时显示的图形屏幕。激发频率任何时与管道20的振动共振模式一致，该管道共振模式被激发，负荷流体，因此，可能与流体密度相关。频谱被记录，在下文中将进行更详细描述，它也包含关于流体粘度的信息。典型的谱图记录少于10秒，这取决于存储的点的数量。如果仅小频率范围(～5KHz)被覆盖，仅少量的频率步进(-100步)被采用，通常足够进行所需测量。

在本发明设备的另一个实施方案中，不需要波形发生器或直接数字合成器。一旦经其他测量测定管道20的共振特性(给定体系的特性仅需要进行测量或模拟一次)，可采用最简单的测量体系。在振动测量设备30中，图1B中举例说明的，如果一个设备在激磁换能器12和接收换能器14之间的反馈回路32中产生高增益，回路自动锁定在管道20的最近共振处。带通滤波器34可调整限制回路32的频率范围至滤波器带通范围内的所需共振。一般，接收换能器14探测到的精选体系内的噪声将通过高增益扩大器36a和36b进行扩大来驱动激磁换能器12，回路迅速锁定管道20内的共振，共振频率经频率计数器40或者其他适宜装置进行连续测量。频率计数器40可包括一个微处理，必要时，流体密度可实时显示。该系统产生正弦波，因为共振起到窄带通滤波器作用，从而仅允许正弦波生成并由接收器14检测到。在下文中更详细地进行描述，如果反馈回路32打开，管道20内的共振振幅将随时间衰减。衰减时间常数是最大峰值振幅一半处共振峰频宽的倒数，一个在时域内(衰减时间)，另一个在频率域内。

管道20可通过管道无流体时测量任一所选振动模式的共振频率，再装入已知流体时确定参数ρ_fluid和结构常数

进行校准。一旦这些值被确定，引入到管道内的未知流体的密度可被测定。

如图2中观察到的，粘性流体减弱管道的共振；举个例子，玉米糖浆明显比水粘稠产生比水更宽的峰。衰减是振动能量泄露进入管道内的流体中的结果。通常，管道的共振具有两个组分(一个实部和一个虚部)，这两个组分明确其特性。实部组分有助于频移，例如由于管道的质量负荷，因此，与流体密度有关。虚部组分有助于共振峰的衰减或减弱。这个组分与流体粘度μ和中密度ρ_fluid的组合有关。因为流体密度可独立由共振的频移确定，流体粘度可由共振宽度确定(半峰全宽)。

[0029]这个信息也可从共振随时间衰减中得到，可阻断反馈回路来确定，例如通过临时断开图1B中激磁换能器的信号来阻断反馈回路。一旦反馈回路锁定共振，然后观察接收换能器输出信号振幅随时间衰减。有几种方式来完成，达到该目的的一个回路如图1C所示。图1B中的另外组分包括模拟开关42，受控于微控制器44，模/数(A/D)转换器46。微控制器44监测带通滤波器34的信号输出并能确定信号的频率和振幅。在规则的时间间隔中，微处理器44关闭模拟开关42，因此断开激磁换能器的电源从而管道共振将衰减，因为它们不再被激发。A/D转换器46处理衰减的时间演化，微处理器44计算衰减时间常数。微处理器44也测定共振频率从而测定流体密度。从密度和共振振幅衰减信息，可确定流体粘度。如下文中指出的，衰减时间常数等于时间域内共振峰宽并与有关。为了试验确定这种关系，例如水，流进管道一次校准该体系。因此，有可能同时并以连续无损方式测定流体粘度和密度。

此外，本设备发现可用于监测流体性能，流经管道的流体从地里抽出，如一个实施例，例如原油。在美国，多数被抽取的石油含有大量的水，连续监测流体密度和粘度来观察原油性质是重要的。石油工业目前采用多种仪器监测原油(举个例子，科氏流量计)，但这些是有损的因为它们要求流体转移至该仪器内，并且费用高。通常描述本发明，下列实施例提供了另外的细节：

实施例1

图2是接收的振动信号振幅随施加于管道表面上的扫频激振的频率(在约1kHz至约1.5kHz之间)变化的曲线图。测量方法采用23cm长、1.8mm厚、直径7.3cm铜管，三种流体：玉米糖浆(ρ＝1.350g/cm³)、水(ρ＝0.998g/cm³)和植物油(玉米油ρ＝0.922g/cm³)。振动模式显示共振频率中明确分开，但较低的频率模式显示共振中的更大的分辨率，并用于密度测量。事实上，较高模式可被采用，但采用不同的密度分辨率。如下文中指出的，峰的半峰全宽与流体粘度成正比。

实施例2

图3是共振频率随四种流体的流体密度变化的图表：车用机油10-30(ρ＝0.863g/cm³)、水(ρ＝0.998g/cm³)、乙二醇(防冻剂，ρ＝1.136g/cm³)，和丙三醇(ρ＝1.350g/cm³)，对于钢管，具有明显更厚容器壁并且比图2的数据收集中所用钢管更大(5-mm厚的壁，直径15cm，长度60cm)。被测量的管道最低振动模式的共振频率用点表示，使用理论曲线拟合该数据显示为实线。方程的理论形态与下文中振动管密度计显示的一致，说明了管道内密度测量行为遵循同一形态。空管的测量共振频率是2.7kHz，与数据拟合的曲线完全一致(2.673kH)。

实施例3

图4是绘制成的流体粘度曲线图，与振幅成函数关系，图2中所示流体的第一共振Δf。试验数据由黑点表示，曲线方程：

采用参考值

很好地拟合试验数据。如下文中提到的，试验中测量的衰减时间常数和共振宽度是相关的并且提供了同一信息，一个在频域内和另一个在时域内。因为不同的灵敏度，方程参数与图2中所示的第二组共振峰稍微有差别，但形态是相同的。

因此，管道内的流体衰减明显使共振曲线减幅。这种影响以两种不同方式来证实：(1)共振宽度随着封入的流体密度增加而变宽；并且(2)共振峰的振幅减少，两者是相关的。此外，共振的振幅随着时间成指数规律衰减，是模拟频域的时域(共振测量法)，或者

因此，两种类型的测量得到相同信息。

实施例4

本发明已用于监测流体中的聚合反应，当流体温度改变时，通过监测装有流体的玻璃试管的共振谱，其随时间成函数关系变化。试管夹在弹簧支承的压电激磁换能器和接收换能器之间。在1kHz和100kHz范围内扫描施加于激磁换能器上的正弦波信号频率得到共振谱。未聚合的流体谱图显示锐共振，其随着流体聚合并变得粘稠而急剧变化。共振峰实质上消失了，谱图呈现阻尼。

本发明的前述描述起到了说明和描述的目的，不是为了详尽或限制本发明至被公开的精确形式，显而易见的，依据上述教导进行了许多修正和变更。选取并进行描述这些实施方案，为了最好地解释本发明的原则和其实际应用，从而能使本领域中技术人员在各种实施方案中最好地利用本发明和使用适合预期的特殊应用的多种修正。有意识地通过附加权利要求书界定本发明的范围。

Claims (18)

1.一种测量容器内流体密度的设备，所述容器具有带有外层表面的壁，合并包括：

放置在该容器的外表面上的激磁换能器；

扫频仪，用于在所选频率范围之外激发激磁换能器，借以在容器的壁上生成共振；

接收换能器，安置在容器外表面用于接收来自壁的振动，所述的接收换能器产生电信号以响应所接收到的振动；

用于接收来自接收换能器的电信号并用于测定容器的壁内共振的频率，其中流体密度从中可以获得。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括测量共振的半峰全宽的装置，其中流体粘度从中可以获得。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所选频率范围在1kHz和100kHz之间。

4.一种测量容器内流体密度的设备，该容器具有带有外层表面的容器壁，其合并包括：

激磁换能器，其放置在该容器的外表面上；

接收换能器，安置在容器外表面用于接收来自容器的壁的振动，接收换能器产生电信号以响应所接收到的振动；

与所述的激磁换能器和所述的接收换能器电接触的高增益反馈回路，借此电信号中的随机噪声被扩大，容器的共振模式被自动选取；以及

用于接收来自接收换能器的电信号和测定容器壁共振频率的装置，流体密度从中被获得。

5.根据权利要求4所述的设备，进一步包括在所述高增益反馈回路内的带通滤波器，其用于选择所述高增益反馈回路的频率范围。

6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括将激磁换能器从所述高增益反馈回路断开的模拟开关；以及用于接收电信号并监测所选共振衰减的装置，流体粘度从而被测定。

7.根据权利要求5所述的设备，其中所选频率范围在1kHz至100kHz之间。

8.一种测量容器内流体密度的方法，该容器具有外层表面的容器壁，其包括步骤有：

激发容器的壁中的共振；

接收来自容器壁的振动，并产生电信号以响应该振动；

接收电信号，测定容器壁共振的频率，从中可以获得流体密度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中流体粘度可以从测量共振的半峰全宽的步骤中获得。

10.根据权利要求8所述的设备，其中所选的频率范围在1kHz至100kHz之间。

11.一种测量容器内流体密度的方法，容器具有带有外层表面的容器壁，激磁换能器和接收换能器接触该表面，其包括步骤有：

使激磁换能器和接收换能器电连接高增益反馈回路，借以电信号中的随机噪声被扩大并且管道或容器的共振模式被选取；以及

测定容器壁共振的频率，流体密度从而得到。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括选取高增益反馈回路的频率范围的步骤。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括将激磁换能器从高增益反馈回路内断开并监测所选共振衰减的步骤，流体粘度从而被测定。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所选频率范围在1kHz至100kHz之间。

15.根据权利要求12所述的方法，其中采用高增益反馈回路内的带通滤波器来选取频率。

16.根据权利要求13所述的方法，其中模拟开关用于将激磁换能器从高增益反馈回路断开。

17.一种测量容器内流体密度和粘度的设备，容器具有带有外层表面的容器壁，其合并包括：

激磁换能器，放置在该容器的外表面上；

接收换能器，安置在容器外表面用于接收来自容器壁的振动，所述接收换能器产生电信号以响应所接收到的振动；

与所述的激磁换能器和所述的接收换能器电接触高增益反馈回路，借此电信号中的随机噪声被扩大，容器的共振模式被选取，；

用于接收来自接收换能器的电信号和测定容器壁共振的频率的装置，流体密度从而得到；

在所述的高增益反馈回路内的带通滤波器，其用于选择高增益反馈回路的频率范围；

将激磁换能器从高增益反馈回路断开的模拟开关；

用于接收电信号并监测所选共振衰减的装置，流体粘度从而被测定。

18.根据权利要求17的设备，其中所选频率范围在1kHz至100kHz之间。

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