CN102428357A

CN102428357A - 流体密度测量装置

Info

Publication number: CN102428357A
Application number: CN2010800188896A
Authority: CN
Inventors: 弗拉基米尔·徳洛布科夫; 弗拉基米尔·梅尔尼科夫; 安德烈·苏斯托夫
Original assignee: Nest International NV
Current assignee: Andrey Sustov
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: HK1149798A1; WO2010126358A1; KR20120084255A; SG175175A1; CY1111937T1; TWI470227B; EP2246688A1; ES2367226T3; WO2010126358A8; PL2246688T3; EA201171316A1; DK2246688T3; KR101680361B1; CA2759896C; ATE512358T1; EA022444B1; PT2246688E; JP5603412B2; CA2759896A1; US20120150452A1

Abstract

描述了一种用于确定流体密度的装置。所述装置包括机械共振器，被布置为向所述机械共振器提供激励、检测所述机械共振器对所述激励的响应并提供表示所述响应的输出信号的驱动器/接收器单元，以及估算单元。所述装置的估算单元被布置为：i、根据所述输出信号确定振荡分布，ii、根据所述振荡分布确定共振频率估计，并且iii、基于所述共振频率估计确定所述流体的密度。根据本发明的装置能够更准确地确定像水油混合乳液的包括不互溶成分(从而形成非均质混合物)的流体或具有堵塞气体的流体的流体密度。

Description

流体密度测量装置

技术领域

本发明涉及用于在正常状态下和在高压力环境下都测量不同介质(包括侵蚀性介质)的流体密度的装置。作为示例，本发明可以应用于化学和石油化工生产以及燃料和能源工业等中的原油和煤气生产以及传送系统。

背景技术

用于测量或确定流体密度的装置本身是已知的。这种已知装置的操作原理是例如基于应用浸没在密度待确定的流体中的低频机械共振器。在这一点上，可以参考例如俄罗斯联邦政府的专利No.2 291 403、美国专利No.4 922745、美国专利No.6 389 891、美国专利No.6 845 663。由于介质(例如，流体)的质量增加的影响，机械共振器的共振频率会改变。已知装置例如包括用于确定出现的共振频率偏移的测量电路，其中出现的共振频率偏移随后被用于计算需要的密度值。已知的机械共振器例如包括音叉，音叉由于其对称设计而防止振荡传递到传感器的主体，从而排除了周围金属部件对共振器的频率特性的影响。为了确定共振频率，可以使用各种电子电路，例如共振器的幅频响应扫描器或在共振频率下自触发的正反馈系统。

尽管性能令人满意，但是已知装置可能具有一个或多个以下缺点。

首先，如果用于测量像水油混合乳液的由不互溶成分(非均质混合物)所组成的流体的密度，则音叉周围的介质的属性会引起共振特性的变化，从而引起共振频率测量的不确定性，最终对测量准确度产生不利影响。

其次，由于堵塞气体的出现会引起共振频率的可观且突然的改变，从而影响其均值并损及流体密度的确定，因此已发现已知装置不适用于测量包含这种堵塞气体的流体的密度。

考虑到以上缺点，本发明的目的是提供一种用于以提高的准确度确定流体密度的装置，尤其是针对像水油混合乳液的包括不互溶成分(从而形成非均质混合物)的流体，或者具有堵塞气体的流体。

发明内容

根据本发明的方面，提供一种用于确定流体密度的装置，所述装置包括：

-机械共振器，

-驱动器/接收器单元，被布置为向机械共振器提供激励、检测机械共振器对所述激励的响应并提供表示所述响应的输出信号，以及

-估算单元，用于基于驱动器/接收器单元的输出信号来确定机械共振器的共振频率，其特征在于

-估算单元被布置为：

--根据输出信号确定振荡分布，并且

--根据振荡分布确定共振频率估计，

--基于共振频率估计确定流体的密度。

根据本发明的装置能够基于根据振荡分布所获得的共振频率估计的确定而确定流体的密度。

为了确定流体密度，根据本发明的装置包括在使用期间至少部分浸没到密度待确定的流体中的机械共振器。合适的机械共振器的示例是杆、音叉、T形共振器等。在一个实施例中，机械共振器是具有安装到所述装置的驱动器/接收器单元的基体的音叉。

根据本发明的装置中所应用的驱动器/接收器单元被布置为在使用中执行：

-向机械共振器提供激励，

-检测机械共振器对所述激励的响应，

-提供表示所述响应的输出信号。

为了实现上述功能，驱动器/接收器单元可以例如包括用于激励机械共振器的激励器(例如，电磁或压电激励器)。

根据本发明的装置中所应用的驱动器/接收器单元进一步被配备为检测机械共振器对激励器的响应。机械共振器会响应于激励器而经历位移，并振荡或振动。机械共振器的这种振荡或振动可以由驱动器/接收器单元(例如振荡传感器)检测到。振动或振荡可以例如由速度传感器或加速度传感器(例如加速度计)或位移传感器确定。本领域技术人员可以理解，为检测共振器的振荡或振动，各种实施方式是可行的。在一个实施例中，驱动器/接收器单元包括被布置为既提供激励(在以激励模式即作为激励器操作时)又提供检测(在以检测模式即作为传感器操作时)的压电元件。

驱动器/接收器单元进一步被布置为提供表示机械共振器对激励的响应的输出信号。作为示例，输出信号可以是与机械共振器的位移或速度或加速度成比例的电信号，该信号例如由驱动器/接收器单元的传感器提供。

根据本发明的装置进一步包括用于确定机械共振器的共振频率估计的估算单元。根据本发明，共振频率估计由估算单元根据从驱动器/接收器单元的输出信号所确定的振荡分布来确定。应当认为，在机械共振器应用于像例如水油混合乳液的包括不互溶成分(从而形成非均质混合物)的流体或具有堵塞气体的流体的情况下，共振器可以在不同场合以不同频率振荡或振动。因此，监控一段时间内机械共振器的振动行为，可以得到振荡分布，而不是具体(共振)频率下的单个具体振荡。根据这种振荡分布，根据本发明的装置中所应用的估算单元可以确定流体的共振频率的估计。

根据本发明，振荡分布根据驱动器/接收器单元的输出信号来确定。在本发明的内涵范围内，振荡分布可以例如包括但不限于在输出信号中观测到的振荡周期的分布。同样，在本发明的内涵范围内，输出信号的频谱(例如，通过对输出信号应用傅立叶变换而获得)，即表示机械共振器的振动或振荡的频率内容的谱，可以被认为是振荡分布。本领域技术人员可以理解，振荡的特征在于振荡周期(或持续时间)或者振荡频率(频率是周期的倒数)。这样，振荡分布可以等同地由频率分布或振荡周期分布来表示。正如以下更详细描述的，振荡分布可以以不同的方式获得。作为示例，使用计数器和比较器，可以在特定周期(或者预定的或者连续的)期间由估算单元监控从驱动器/接收器单元获得的输出信号，因而每个周期的持续时间(或表示持续时间的数字)被存储在例如估算单元的存储单元中。

根据振荡分布，估算单元可以进一步确定共振频率估计(例如，根据振荡分布的峰值或中值或均值)，并确定机械共振器周围的流体的密度值(例如，基于所测量的/所确定的共振频率估计与标称共振频率(即在没有被浸没时机械共振器的共振频率)之间的差)。

在一个实施例中，估算单元可以包括计算单元(例如，包括微控制器或微处理器等)，用于根据共振分布确定共振频率估计，并基于共振频率估计确定流体的密度。

在一个实施例中，估算单元包括用于获得振荡分布的测量单元。测量单元可以例如包括被布置为接收所述输出信号并将其与预定值(例如，零)相比较的比较器、计数器、计数器状态写寄存器(一般而言是存储单元)和高频振荡器。在一个实施例中，比较器的输出可以连接至计数器状态写寄存器。通过对输出信号的周期期间出现的脉冲(例如，由高频振荡器提供)进行计数，获得可以存储在存储单元中的振荡周期值。通过在较长的时间段期间重复该过程，可以获得表示响应于激励而出现的振荡周期的分布的振荡分布。

测量单元和计算单元可以与微处理器一起设计。在本发明的实施例中，这种微处理器可以进一步应用于将例如机械共振器的振荡周期的均值确定为共振频率估计。可替代地或附加地，微处理器可以使用多函数概率密度分布曲线估算机械共振器的振荡周期的至少两个值。这种曲线(例如多项式)可以例如通过曲线拟合被用于估算振荡分布，并且例如确定振荡周期的一个或多个峰值。

根据本发明的装置可以进一步包括传感器，以测量机械共振器或流体的特性，例如共振器或流体的温度或流体的压力。

根据本发明的装置可以进一步包括用于显示振荡分布和/或所确定的流体密度的显示器。

由于参考以下详细描述并结合附图进行考虑时本发明变得更好理解，因此本发明的这些和其它方面将更容易认识，附图中相同的附图标记指代相同的部件。

附图说明

图1示意性描绘根据本发明的装置的实施例。

图2示意性描绘根据本发明的装置的另一实施例。

图3a示意性描绘第一非均质流体的振荡分布。

图3b示意性描绘第二非均质流体的振荡分布。

具体实施方式

本发明涉及用于测量流体密度的装置。用于确定流体密度的已知装置例如包括被布置为检测例如被激励器激励的机械共振器的振荡的传感器(因此传感器和激励器可以合并在驱动器/接收器单元中)以及通过确定机械共振器共振频率的改变而确定所测量介质(例如，流体)的密度的估算单元。根据本发明(其实施例在图1中示意性描绘)的装置与已知装置的不同之处在于，其包括被布置为确定振荡分布的估算单元。通过分析机械共振器的振荡分布，可以以统计方式获得关于机械共振器周围的被测量介质(例如，流体)的密度波动的有效信息。结果，可以实现准确度得以提高的流体密度测量。具体而言，已注意到根据本发明的装置可以在针对像水油混合乳液的包括不互溶成分(从而形成非均质混合物)的流体或具有堵塞气体的流体而确定流体密度时提供提高的准确度。如图1所示，根据本发明的装置包括机械共振器100和用于向共振器施加激励、检测共振器对激励的响应并提供表示所述响应的输出信号的驱动器/接收器单元110。作为示例，驱动器/接收器单元可以包括用于激励共振器和/或检测共振器的响应的一个或多个压电元件。共振器可以例如由脉冲信号激励，其中脉冲信号例如由高频振荡器提供。用于激励机械共振器的信号还可以包括噪声信号(即，包括多个不同频率成分的信号)，从而以不同的频率激发机械共振器。如图1所示，根据本发明的装置进一步包括估算单元120，估算单元被布置为：

-根据所述输出信号确定振荡分布，

-根据振荡分布确定共振频率估计，并且

-基于共振频率估计确定流体密度。

在一个实施例中，估算单元被布置为通过对驱动器/接收器单元所接收的输出信号进行采样根据输出信号来确定振荡分布。实践中，机械共振器可以被设计为使得其操作共振频率在1000到10000Hz之间的范围内(因此具有0.1-1.0ms之间的振荡周期)。在使用音叉作为共振器的情况下，这可以主要通过改变音叉尖头的截面和长度来实现。选择该频率范围是例如基于以下考虑。振荡频率应当尽可能低，以增大流体壁层的有效厚度，这降低了被测量流体的非均质性的影响。然而，这会导致音叉尖头的长度增加，使得在流动时稳定性降低，当音叉被设置在包含油水气流动的管路中时，整个结构变得庞大且不可用于现实环境。这解释了通常使用共振频率不低于1200Hz的音叉的原因。基于机械共振器的预期频率范围，可以确定合适的采样频率，用于对输出信号进行采样。优选地，采样频率等于或高于共振器的预期响应的奈奎斯特频率。在获得这种采样的输出信号(估算单元可以例如包括用于这种采样的专用测量单元)时，可以通过对采样的输出信号应用傅立叶变换(例如，离散傅立叶变换)而获得频谱(一般而言是振荡分布)。根据所述频谱，估算单元(或估算单元的计算单元)可以将例如频谱的峰值确定为共振频率估计。基于共振频率估计，估算单元可以通过将共振频率估计与共振器的参考共振频率(例如，应用于空气或密度已知的流体中的共振器的共振频率)进行比较而得出所检查的流体的密度。为了考虑温度因素，可以进一步提供例如半导体或铂电阻温度计的温度传感器，以测量共振器周围和/或机械共振器本身的温度。

图2示意性描绘根据本发明的装置的另一实施例。该装置包括固定到隔膜2的机械共振器(例如，音叉1)以及包括接收压电元件3和发射压电元件4的驱动器/接收器单元(例如，双压电元件)。接收压电元件3和发射压电元件4连接至包括前置放大器5(其输入连接至接收压电元件3)、相位校正电路6和末级放大器7(其输出链接至发射压电元件4)的电子电路。在所示的示例中，末级放大器7进一步连接至形成输出脉冲的比较器8。比较器8通过计数器复位脉冲形成器9连接至计数器10，并且连接至计数器状态写寄存器11。计数器链接至高频振荡器12的输出。计数状态写寄存器11的输出连接至被布置为基于写寄存器的输出而确定振荡分布的测量块13。测量块13进一步链接至具有显示单元15的计算单元14。机械共振器进一步被提供有温度传感器16。如图2所描绘的实施例的元件5-14可以被认为是如何实现根据本发明的装置中所应用的估算单元的示例。

在图2中示意性描绘的装置中，流体的密度测量通过振荡分布的(统计)分析来执行，其中振荡分布可以通过监控振荡周期历史来推出。机械共振器(音叉)由于驱动器/接收器单元例如通过电子电路(元件5、6、7)控制发射压电元件4所施加的激励而以共振频率F振荡。一般而言，音叉共振器的频率在1200-5000Hz的范围内。结果，在放大器7的输出处产生周期为T＝1/F的AC电压(即，可以应用于确定振荡分布的输出信号)。该周期依赖于共振器所浸没的介质的密度。根据本发明的实施例，可以在某些个周期期间监控共振器的振荡或振动，从而针对每个周期而确定周期的长度(或者，确定表示长度的值)。根据如图2所述的实施例，每个周期的长度可以测量如下。高频振荡器12可以以例如16MHz的频率连续产生高频脉冲。在每次测量之前，计数器复位脉冲形成器9例如基于检测到周期的开始(例如，当共振器的位移对应于中立位置时)或者当输出信号(例如，表示共振器的位移或速度或加速度)值为零或为预定值时，将计数器10复位为零态。计数器10在每个周期期间对输入的高频脉冲进行计数。在出现计数器复位脉冲之前，例如由来自比较器8的输出脉冲将从计数器获得的数据定入写寄存器11(一般而言，是存储单元)中。这导致在写寄存器11中写入与振荡周期T成比例的二进制数字。寄存器内容被记录到测量块13的存储器中，并且被记录到计算单元14中。然后，迭代地重复该过程多个周期，最终得到振荡分布(在所描述的实施例中是振荡周期分布)。

在积累数据时，微处理器会(例如，在实施例的显示单元15上)产生如图所示的表示所测量的周期的长度分布并且由于流体密度随时间改变而得到的图表。图表或图表数据可以通过例如计算周期长度的均值而进一步(例如，由计算单元14)被应用于估算流体(例如非均质介质，例如像水油混合浮液的包括不互溶成分，或堵塞气体)的密度。计算单元14可以例如应用用于确定平均或均值周期长度的一个或多个概率标准。值得注意的是，所计算的周期长度值可以被认为是以上所述的共振频率估计的倒数。因此，使用概率标准来确定表示在测量中观测到的周期长度的值，可以被认为是根据振荡分布确定共振频率估计的示例。

当音叉(一般而言是机械共振器)被浸没到流体中并被激励时，其以介质密度所确定的频率振荡。结果，可以在比较器8的输出处产生具有相应频率的信号。该信号的两个正前峰之间的距离可以例如等于周期的长度。如果流体是均质介质，则其密度恒定，并且振荡周期(因此，周期的长度)稳定。因此，在这种情况下，振荡分布曲线会缩窄为竖直线。其在时间轴(横坐标)上的位置在不需要任何附加估算的情况下就完全确定了所需的流体密度。

在流体为非均质介质的情况下，其密度会变化，因此音叉会位于密度波动的流中。结果，振荡周期(或振荡周期的长度)开始在特定范围内变化，这使得振荡周期分布展宽。轻微非均质细分散流体(例如，水油混合物)的典型振荡分布如图3a所示。图3a以作为振荡周期长度(T)的函数的输出信号示意地描绘振荡周期的出现或概率密度(D)。分布曲线(T)的最大值确定了初步近似的均值流体密度。进一步的统计分析可以例如通过分析概率偏差进一步增强结果的有效性，可以估算机械共振器的趋势分析或甚至是运行顺序。

显著非均质流体(例如，油气混合物)的典型振荡分布示于图3b中。分布最大值的位置(T1、T2)可以用于确定哪一个表示液相，哪一个表示气相。区分出与油相关的部分(较长周期)后，可以估算其密度。

以下提及根据本发明的装置的实施方式的一个示例：

-音叉共振器，叉长度40mm，相应的直径4mm，

-具有压电元件的双压电元件驱动，元件的直径10mm，厚度0.2mm；

-音叉材料-不锈钢；

-传感器的操作频率-大约3800Hz。

-在电子电路中使用标准的微芯片和微处理器。

以上所述的装置已在不同的流体(具体是水、矿物油、溶剂、化学制剂、液化气)中进行了测试，在所有的测试流体中都观测到了该装置的性能稳定且可靠。

这里已根据需要公开了本发明的详细实施例，然而应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式体现。因此，这里所公开的具体结构和功能细节不应当被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础以及用于教导本领域技术人员在事实上以任意合适的详细结构以各种方式采用本发明的代表性基础。进一步地，这里所使用的术语和短语并不意在限制，而是提供对本发明的可理解的描述。

这里所使用的术语多个被定义为两个或两个以上。这里所使用的术语另一个被定义为至少第二个或更多个。这里所使用的术语包括和/或具有被定义为包括(即开放性的语言，并不排除其它元件或步骤)。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制权利要求或本发明的范围。在互不相同的权利要求中记载特定措施的基本事实不表示这些措施的结合不能被有益地使用。

这里所使用的术语联结被定义为连接，但不必须是直接连接，也不必须是机械连接。

单个处理器或其它单元可以履行权利要求中记载的若干功能。

Claims

1.一种用于确定流体密度的装置，所述装置包括：

机械共振器，

驱动器/接收器单元，被布置为向所述机械共振器提供激励、检测所述机械共振器对所述激励的响应并提供表示所述响应的输出信号，以及

估算单元，用于基于所述驱动器/接收器单元的输出信号来确定所述机械共振器的共振频率，其特征在于

所述估算单元被布置为：

根据所述输出信号确定振荡分布，

根据所述振荡分布确定共振频率估计，并且

基于所述共振频率估计确定所述流体的密度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述估算单元包括计算单元，所述计算单元用于：

根据所述振荡分布确定所述共振频率估计，并且

基于所述共振频率估计确定所述流体的密度。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述估算单元包括用于根据所述输出信号确定振荡分布的测量单元。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述输出信号表示所述共振器的响应的采样。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所述计算单元被布置为应用傅立叶变换以根据所述振荡分布确定所述共振频率估计。

6.根据权利要求2-3所述的装置，其中所述振荡分布包括根据所述输出信号推出的振荡周期。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述振荡周期分布包括，通过确定所述输出信号中多个连续振荡周期的持续时间，并以阵列存储表示所述持续时间的值，而根据所述输出信号推出的振荡周期值的阵列。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的装置，其中所述计算单元进一步被布置为根据所述振荡分布确定共振峰值。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的装置，其中所述计算单元被布置为，使用多函数概率密度分布曲线，根据所述振荡分布确定至少两个共振峰值。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括用于显示所述振荡分布的显示器。

11.根据权利要求2-10中任一项所述的装置，其中所述计算单元包括微处理器，所述微处理器用于：

根据所述振荡分布确定所述共振频率估计，并且

基于所述共振频率估计确定所述流体的密度。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中：

所述机械共振器的振荡周期在0.1-1.0ms的范围内。

13.根据权利要求2-10中任一项所述的装置，其中：

所述计算单元被布置为确定所述机械共振器的振荡周期的均值。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括：

诸如温度传感器或压力传感器的传感器，用于测量所述流体或所述机械共振器的特性。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述驱动器/接收器单元包括用于向所述机械共振器提供激励的电磁激励器或压电激励器。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述驱动器/接收器单元进一步包括用于检测所述机械共振器对所述激励的响应的压电传感器。

17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述机械共振器包括具有安装到所述驱动器/接收器单元的基体的音叉、杆或T形共振器。