CN103154701A - 具有对称谐振器的流体性质测量装置 - Google Patents

Abstract

一种流体性质测量装置，包括对称谐振元件，所述对称谐振元件具有第一质量块与第二质量块，所述第二质量块与所述第一质量块相平衡并由扭转弹簧耦接到所述第一质量块，所述谐振元件具有位于所述第一质量块与所述第二质量块之间的节状支撑件。此外，具有至少一个开口的室容纳所述第一质量块且不受机械限制，而且驱动感应组件适用于以扭转方式驱动所述第一质量块并感应所述第一质量块所产生的扭转移动。所述扭转弹簧穿过所述开口，所述开口围绕所述扭转弹簧在所述节状支撑件处得到密封，而且所述第二质量块可以被自由地放置在流体中，以进行流体性质测量。

Description

具有对称谐振器的流体性质测量装置

背景技术

基于机械谐振器阻尼运动的粘度计理论上可以是非常精准的，但是如果将粘度计安装在固定位置的过程引入未知且无法测量的固有阻尼量（即，粘度计在真空中会经历的阻尼量），则那个未知固有阻尼量限制了精准度。这种基本问题在于阻止粘度计的谐振器振动泄露进入到诸如管道或罐壁等固持该粘度计的结构中去，以防因此影响固有阻尼级别。

一些现有技术系统依赖于兼容元件，例如弹性体O形环，用于隔离对粘度计结构的振动。不幸地是，这种O形环的使用限制了粘度计使用时的压力与温度范围，由此限制了可以使用粘度计的环境。最后，即使已知了环境（罐壁、管道或其他固持结构）的一切情况，并且已获得可以适应广泛范围内温度及压力的O形环，但仍很难使安装过程完全可重复进行。任何须要拧紧螺纹时候，就可能存在变动，而变动可能引入无法测量的量子差异。

发明概述

将结合系统、工具及方法来描述及说明本发明的以下实施例及各方面，这些系统、工具及方法仅意图为示例性及说明性，而不限制范围。在各个实施例中，上述问题中的一个问题或多个问题得到了缓解或解决，而其他实施例则作出了其他改善。

在第一单独的方面，本发明可以采用流体性质测量装置的形式，所述流体性质测量装置包括对称的谐振元件，该谐振元件具有第一质量块（mass）与第二质量块，所述第二质量块与所述第一质量块相平衡并由扭转弹簧耦接到所述第一质量块，所述谐振元件具有位于所述第一质量块与所述第二质量块之间的节状支撑件。此外，具有至少一个开口的室容纳所述第一质量块且不受机械限制，驱动感应组件适用于以扭转方式驱动所述第一质量块并感应所述第一质量块所产生的扭转移动。所述扭转弹簧穿过开口，所述开口围绕所述扭转弹簧在所述节状支撑件处得到密封，所述第二质量块可以被自由地放置在流体中，以进行流体性质测量。

在第二单独的方面，本发明可以采用流体性质测量装置的形式，所述流体性质测量装置包括对称的谐振元件，该谐振元件具有第一质量块与第二质量块，所述第二质量块与所述第一质量块相平衡并由扭转弹簧耦接到所述第一质量块，而且所述谐振元件具有位于所述第一质量块与所述第二质量块之间的节状支撑件。驱动感应组件适用于以扭转方式驱动第一质量块并感应所述第一质量块所产生的扭转移动。对称的谐振元件构成了从第二质量块的纵向端附近到第一质量块的出口点的一条纵向通路，并且电导体穿过该通路并伸出该出口点。最后，电气温度测量装置放置在第二质量块中，并连接到电导体，由此通过出口点提供反映温度的电信号。

在第三独立的方面，本发明可以采用流体性质测量装置的形式，所述流体性质测量装置具有一个谐振器，该谐振器能够以优选的反对称模式实现谐振，所述反对称模式具有第一谐振频率。该装置驱动谐振器在第一谐振频率左右的第一频带内发生谐振。但是在一些负载情形下，可能会导致谐振器以对称模式发生谐振，所述对称模式具有远不同于第一谐振频率的第二谐振频率。该装置检测第二谐振频率左右的第二频带内的频率，并且当检测到所述频带中的频率时，则停止并重新开始驱动谐振器。

除了上文所描述的示例性方面及实施例以外，通过参照附图并阅读以下详细说明，进一步的方面及实施例将显而易见。

附图简要说明

图1为根据本发明的谐振组件的优选实施例的透视图。

图2为图1的谐振组件的垂直剖面图。

图3是谐振组件的替代性实施例的垂直剖面图。

图4是谐振组件的附加的替代性实施例的垂直剖面图。

图5是谐振组件的进一步替代性实施例的垂直剖面图。

图6是谐振组件的进一步替代性实施例的垂直剖面图。

所参照的附图对示例性实施例进行了图示。希望本文本所揭示的实施例及附图被视作说明性，而非限制性。

具体实施例详细说明

参考图1和图2，在谐振器组件10的优选实施例中，该谐振器组件形成了流体性质测量装置（例如，粘度计）的物理部分，它包括构成室14的壳体12。谐振元件15由上部封闭质量块16和下部暴露质量块18形成，这两个质量块由扭转弹簧20连接在一块。扭转弹簧20由上部扭转弹簧22、节状支撑件24与下部扭转弹簧26组成。壳体12在螺纹元件30处终止，节状支撑件24由一对O形环32固持在该螺纹元件30的内表面上的合适位置。上部质量块16包括磁体40，该磁体定义了偏振矢量42（图1），所述上部质量块受到定义了偏振矢量46（图1）的一对电磁线圈44扭转驱动。整个谐振器组件可以适配在壁50上的螺纹孔中（图2）。

组件10具有以下优势：谐振元件15可以通过将其滑出的方式而被移除，并且随后可以安装另一个类似的元件。在一些应用中，例如腐蚀性或磨蚀性粒子丰富环境中的使用，暴露质量块18会发生磨损，这使得更换成为必要。

对于图3至图6，类似元件的所有参考编号均用与图2中相同的参考编号给出，但是根据公式(图的序号-2)×100而各自加了100、200、300或400。在设计变动影响的一般论述中，采用图1的参考编号来应用到相关实施例中所有类似元件的参考编号。图3中所示的谐振器组件110大部分与组件10相同，但是在本实例中，谐振元件115无法从壳体112上移除。因此，O形环32被替换为更稳健的密封件132，该密封件由永久粘接在合适位置的弹性形变材料环制成。在组件10的构成过程中，可以将谐振元件15加工为所有的一个整块，或者可以将节状件24、上部质量块16与下部质量块18添加到扭转弹簧20上。

参考图4，谐振器组件210类似于组件10和110，除了该组件所具有的允许扭矩能通过节状支撑件226传递的柔性是由谐振元件215的物理设计提供的，所述节状支撑件形成室214密封件一部分。充当扭转弹簧222的内棒安装在上部质量块216和下部质量块218中。反过来，质量块216和218安装在外导管224中，该外导管密封在节状元件226中。棒222和导管224的扭转柔性允许质量块216和218发生耦接扭转弯曲；导管224牢固地粘接在刚性节状元件226内部。

参考图5，谐振器组件310大部分类似于组件210，但是并非是具有中心棒222，组件310具有中心导管或内导管322。导管322趋向于比棒222具有更自然的柔性，并且它的特性可以经选择以实现所需效果。同样，外部质量块360和370也可以经选择以实现所需效果。

圆柱的转动惯量与其半径的四次方成比例。因此，质量块16和18的圆柱径向扩展的实施例以这些圆柱为主，并且谐振频率是由扭转弹簧20的弹簧常数以及末端质量块16和18的转动惯量确定的。这样的系统被称为“集中常数”系统。集中常数系统10、110、310和410提供了更强的设计柔性，并且可以经制作而具有相对更低的谐振频率。

实施例210为“分布常数”系统，并且通过比较，它必须经制作长于类似的集中常数系统才会具有相比之下较低的谐振频率。

众所周知，扭转谐振器对流体的剪切发生在边界层，该边界层的厚度与振动频率是负相关的。较厚的边界层在测量非均匀流体（例如，乳液和悬浮液）的性质方面可能更具优势。

图6中所示的谐振器组件410类似于组件310，但是它具有由磁体组件442与质量块416形成的纵向空间450，以及在底部质量块418中形成的另一个空间452，由此来容纳连接到电气温度测量装置462的双绞线460。在一项优选实施例中，装置462为铂电阻温度计，而在另一项优选实施例中，装置462为焊接在质量块418的端部内的热电偶。密封元件464允许双绞线460离开，同时将流体阻挡在室414的外部。

暴露于所测量的流体中的外导管224与类似元件通常由不锈钢制成，例如，316不锈钢，以避免因腐蚀造成的损坏。内部部件可以由不锈钢、黄铜、陶瓷或具有低固有阻尼特性和以此为良好特征的任何材料制成。

诸如10的组件优选地以反对称模式实现谐振，其中第二质量块18以第一质量块16相位的180度反相位发生振动。当处于反对称模式时，节状支撑件24位于谐振器的自然节点。但是，还存在一个退化对称模式，其中第一质量块16与第二质量块18以彼此相同的相位发生振动。在对称模式中，节状支撑件24并不处于谐振器的自然节点，而其连接到壳体则会阻抑谐振元件15，从而导致读数错误。组件10经精心设计使得对称模式的频率足够远离反对称模式的频率，这样，流体的影响将不太可能意外激发对称模式。为进一步保护该系统，定期地检查频率，并且如果频率进入关于对称模式界定的带段中，那么系统激发则停止并重新开始，从而使谐振元件15的振动返回到反对称模式。

这些实施例10、110、210、310和410的优势在于它们提供了一个受到良好控制的谐振系统，其中因谐振元件15的平衡性而使得几乎没有能量会通过安装螺纹件30发生泄漏。因此，安装的细节对操作影响很小，并且因此对谐振组件的精准度的影响也很小。

尽管上文已论述了多个方面及实施例，但是所属领域的技术人员会认识到本发明存在某些修改、替换、添加以及次级组合。因此，希望以上所附权利要求以及之后所引入的权利要求经解释以包括属于本发明的真实精神及范围内的所有此类修改、替换、添加以及次级组合。

Claims (15)

1.一种流体性质测量装置，其包括：

（a）对称谐振元件，所述对称谐振元件具有第一质量块与第二质量块，所述第二质量块与所述第一质量块相平衡并由扭转弹簧耦接到所述第一质量块，所述谐振元件具有位于所述第一质量块与所述第二质量块之间的节状支撑件；

（b）具有至少一个开口且容纳所述第一质量块的室，所述室不受机械限制；

（c）驱动感应组件，所述驱动感应组件适用于以扭转方式驱动所述第一质量块并感应所述第一质量块所产生的扭转移动；

（d）其中所述扭转弹簧穿过所述开口，所述开口围绕所述扭转弹簧在所述节状支撑件处得到密封；以及

（e）其中所述第二质量块可以被自由地放置在流体中，以进行流体性质测量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述开口围绕所述节状支撑件并使用可弹性形变的材料进行密封。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述扭转弹簧包括具有外表面的径向中心元件和具有内表面的径向外部元件，这两个元件通过所述外表面和所述内表面形成的空隙而彼此分离开，并在它们的纵向端处连接在一起。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述扭转弹簧的横截面为圆形的。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一质量块与所述第二质量块的横截面均为圆形的。

6.根据权利要求3所述的装置，其中所述径向中心元件为空心的。

7.根据权利要求3所述的装置，其中所述径向中心元件为实心的。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述对称谐振元件为圆柱形的，由此形成一个圆柱，并且其中所述第一质量块与所述第二质量块被界定为所述圆柱的一部分。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一质量块与所述第二质量块相对于所述扭转弹簧在横向维度上得到扩展。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动感应组件包括附接到所述对称谐振元件的至少一个永磁体，以及经定位以向所述至少一个永磁体施加力的至少一个电磁线圈。

11.一种流体性质测量装置，其包括：

（a）对称谐振元件，所述对称谐振元件具有第一质量块与第二质量块，所述第二质量块与所述第一质量块相平衡并由扭转弹簧耦接到所述第一质量块，而且所述谐振元件具有位于所述第一质量块与所述第二质量块之间的节状支撑件；

（b）驱动感应组件，所述驱动感应组件适用于以扭转方式驱动所述第一质量块并感应所述第一质量块所产生的扭转移动；

（c）其中所述对称谐振元件构成了从所述第二质量块的纵向端附近到所述第一质量块的出口点的纵向通路；

（d）穿过所述通路并伸出所述出口点的电导体；以及

（e）其中电气温度测量装置放置在所述第二质量块中并连接到所述电导体，由此通过出口点提供反映温度的电信号。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述电气温度测量装置为热电偶。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述电气温度测量装置为电阻温度计元件。

14.一种流体性质测量装置，其具有能够以优选的反对称模式发生谐振的谐振器，所述反对称模式具有第一谐振频率，所述装置驱动所述谐振器在所述第一谐振频率左右的第一频带内发生谐振，但在一些负载情形下，可能会导致所述谐振器以对称模式发生谐振，所述对称模式具有远不同于所述第一谐振频率的第二谐振频率，并且其中所述装置检测所述第二谐振频率左右的第二频带内的频率，而且当检测到所述第二频带内的频率时，停止并重新开始对所述谐振器的所述驱动。

15.根据权利要求154所述的装置，其中所述谐振器为对称的，并且具有第一质量块和第二质量块，所述第二质量块与所述第一质量块相平衡并且由扭转弹簧耦接到所述第一质量块，所述谐振元件具有位于所述第一质量块与所述第二质量块之间的节状支撑件。

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