CN103323367A - 一种检测流体物性的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测流体物性的传感器，包括暴露于流体之中的振动体，以及用于激励所述振动体振动的激励装置和用于检测所述振动体的振动频率和/或振动幅度的检测装置。该技术方案中的传感器结构简单，安装方式灵活。该传感器既可以实验室使用，也可以管道安装，现场使用，在线检测流体物性。

Description

一种检测流体物性的传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是一种用于检测流体物性，例如密度、粘度等物理参数的传感器。

背景技术

在许多工业领域中，例如石油、化工的生产过程中，经常需要检测液体的物性，例如粘度、密度和流体组份的变化。此处使用短语“物性”是指流体的物理参数，包括但不限于流体的密度、粘度、组分含量等。目前在线检测流体的密度或粘度的方法都很复杂，需要一个庞大的样品预处理系统，不能快速检测流体的密度、粘度或液体组份的变化。在实际生产过程中，快速准确的检测性能参数，有助于及时控制生产过程，保证产品质量。

有鉴于此，实在有必要提供一种操作方便，成本低廉的，能够对流体的物性，或者至少一种物理参数进行检测的传感器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种检测流体物性的传感器，其操作简单方便，能够方便地至少对流体的一种物理参数进行测量。

为此，本发明采用的技术方案如下：

一种检测流体物性的传感器，包括暴露于流体之中的振动体，以及用于激励所述振动体振动的激励装置和用于检测所述振动体的振动频率和/或振动幅度的检测装置。

作为上述技术方案的一种改进，所述振动体包含有磁性材料，所述激励装置包括配置于临近所述振动体的激励端，所述检测装置包括配置于临近所述振动体的反馈端。

作为上述技术方案的一种改进，所述激励装置包括带磁性材料的振动源、连接所述振动源和振动体的传动杆和配置于临近所述振动源以激励所述振动源振动的激励端；所述检测装置包括配置于临近所述振动源以检测所述振动体的振动频率的反馈端。

作为上述技术方案的一种改进，所述振动源为长方体，所述激励端和检测端分别配置在临近所述振动源的两端部的位置，所述传动杆大体设于所述振动源的中心对称线的位置。

作为上述任一技术方案的一种改进，所述振动体为以传动杆所在的直线为轴的轴对称结构。

作为上述任一技术方案的一种改进，所述振动体为平板状结构或者旋转体结构。

作为上述任一技术方案的一种改进，还包括配置为容纳所述激励装置和检测装置的壳体，所述壳体的底面具有中空的隔离套管，所述传动杆穿过该隔离套管与所述振动体连接；所述壳体的顶面具有中空的延长杆，所述激励端和反馈端分别具有若干信号线，所述信号线穿过所述延长杆将所述激励端和反馈端引出。

作为上述任一技术方案的一种改进，还包括填充于所述延长杆和所述壳体的内部的填充物，所述填充物的底面临近所述激励端和/或反馈端。

作为上述任一技术方案的一种改进，还包括安装基座，以及固定于所述安装基座上且配置成将所述振动体包围的保护罩。

作为上述任一技术方案的一种改进，还包括如下一项或多项：

A、至少在除容器以外、且与流体接触的区域覆盖有一层保护膜；

B、设于流体之中的温度传感器。

另外，本发明还公开了一种传感器装置，该传感器装置中设有上述任一技术方案涉及的传感器。

本发明还公开了一种传感系统，该传感系统包含有若干上述技术方案涉及的传感器装置或者传感器。

与现有技术相比，该技术方案中的传感器结构简单，安装方式灵活。该传感器既可以实验室使用，也可以管道安装，现场使用，在线检测流体物性。发明人在实际验证过程中发现其检测速度快，反应灵敏，检测范围宽。

此外，由于振动体可以在流体之中振动，从而将振动体置于清洗液中振动即可达到自动清洗的效果，去污效果明显、操作方便。

附图说明

图1是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图；

图2是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图；

图3是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图；

图4是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图；

图5是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图；

图6是本发明所述传感器的一实施方式中振动体的结构示意图；

图7是本发明所述传感器的一实施方式中振动体的结构示意图；

图中：

10—容器；11—流体；20—振动体；21—对称轴；30—激励装置；31—激励端；311—激励信号线；32—振动源；30—传动杆；40—检测装置；41—反馈端；411—反馈信号线；50—壳体；51—底面；52—延长杆；53—隔离套管；54—填充物；60—安装基座；61—保护罩；62—温度传感器。

具体实施方式

在下面对优选实施例的描述中，参考作为本发明一部分的附图，在附图中通过说明而示出了本发明在其中可以被实施的特定实施例。应当理解，可使用其他实施例，并且可以进行结构变化，而不背离本发明实施例的范围。

本发明涉及一种传感器，可以检测流体11物性，例如可以对流体11的密度、粘度等物理参数进行检测。本发明的实施例包括暴露在流体11之中的振动体20，以及用于激励所述振动体20振动的激励装置30和用于检测所述振动体20的振动频率的检测装置40。流体11盛装在容器10之中，激励装置30可以驱动振动体20在不同频率的情况下进行振动，而检测装置40则可以检测出振动体20的振动频率。尽管在对振动体20的振动频率进行检测过程中，其检测对象可以是使用现有的各种检测手段对振动体20的振动频率和/或振动幅度，但是应当理解，本发明的其他实施例中，也可以是对振动体20的时间、速度、能量或者其他能够反映振动体20的振动情况的变量进行检测，从而能够间接换算得到振动体20的振动频率和/或振动幅度。在这种间接测量得到数据，应当理解为本发明中所述的对振动幅度和/或振动频率的检测。

众所周知，在包括振动体20和流体11的振动体20系中，其固有的振动频率是固定的或者变化量较小的。在激励装置30以振动体20系的固有频率或者接近该固有频率驱动振动体20振动时，振动体20的振动幅度最大。此时可以认为该状态下的振动体20处于谐振状态，从而可以得到振动体20系的谐振频率。由于谐振状态的频率和振幅与振动体20所处介质的粘度和密度等物性密切相关，从而可以了解或者判断流体11的物性。另外，当振动体20被介质污染时，可通过改变振动频率、增大振幅达到自动清洗的效果。

尽管此处使用的术语“流体”包括液体和气体，而且本发明所述的传感器可能通常也应用于对液体的物性进行测量，例如这里借以描述本发明的实施例就是将振动体20放置在液体之中，但是本发明不限于此，在某些实施例中，振动体20亦可以在气体，甚至在晶体之中振动。

参见图1，图1是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的一种检测流体11物性的传感器，包括暴露于流体11之中的振动体20，以及用于激励所述振动体20振动的激励装置30和用于检测所述振动体20的振动频率和/或振动幅度的检测装置40。本实施例采用电磁驱动振动体20振动。

在图1示出的例子中，流体11盛装在容器10之中，所述振动体20包含有磁性材料，例如是AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W)、Re－Co（Re代表稀土元素）、Re－Fe以及AlNi（Co）、FeCrCo等；也可以是FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等，或者铁氧体类包括MO·6Fe2O3，M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa。此外，也可以是电磁类的装置，例如可以是连接交流电源的线圈，利用电磁感应原理产生磁性。

所述激励装置30包括配置于临近所述振动体20的激励端31，所述检测装置40包括配置于临近所述振动体20的反馈端41。示例性的，激励端31可以与交流电源连接，使得激励端31在交流电压的作用下通过电磁转换激励振动体20产生振动。改变交流电源的交流电压的频率，即可改变振动体20的振动频率。另外，反馈端41可以对振动体20的振动幅度和/或振动频率。例如反馈端41可以是一线圈，使得振动体20与反馈端41可以通过电磁转换产生感应电动势，当检测到感应电动势最大或者接近峰值时，可以认为振动体20处于谐振状态。而如上所述，振动体20系的谐振频率与振动体20系的固有属性有关，从而可以了解到流体11的物性，例如可以了解到粘度或者密度等。

参见图2，图2是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图。如图2所示，所述激励装置30包括带磁性材料的振动源32、连接所述振动源32和振动体20的传动杆30和配置于临近所述振动源32以激励所述振动源32振动的激励端31；所述检测装置40包括配置于临近所述振动源32以检测所述振动体20的振动频率的反馈端41。关于磁性材料和激励端31的描述可以参阅上述的相关内容，此处不再进行赘述。

图2示出的实施例中，所述振动源32为长方体，所述激励端31和反馈端41分别配置在临近所述振动源32的两端部的位置，所述传动杆30大体设于所述振动源32的中心对称线的位置，这样使得激励端31在较小的输入下驱动振动源32，振动源32即可带动振动体20振动；另外一方面，振动源32的摆动也可以在反馈端41产生感应电动势，通过检测该感应电动势即可检测到振动体20的振动情况，在感应电动势接近或者为峰值的情况下的频率即为谐振频率。

在某些实施例中，如图3所示，图3是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图。图3示出的实施例中，还包括配置为容纳所述激励装置30和检测装置40的壳体50，所述壳体50的底面51具有中空的隔离套管53，所述传动杆30穿过该隔离套管53与所述振动体20连接。其中，所述的隔离套管53的上端与安装基座60固定。传动杆30的上端与振动源32固定连接，下端穿过隔离套管53，与隔离套管53的下端固定后，与振动体20固定。这样，所述振动源32可以通过传动杆30将振动源32的振动传递给振动体20。

另外，所述壳体50的顶面具有中空的延长杆52，所述激励端31和反馈端41分别具有若干信号线，所述信号线穿过所述延长杆52将所述激励端31和反馈端41引出。研究人员欣喜的发现，使用上述的结构将激励端31和反馈端41固定，不仅能够起到保护的作用，而且能够在实际操作中更为方便的使用该传感器。例如，激励端31通过若干激励信号线311从延长杆52引出，而反馈端41则通过若干反馈信号线411从延长杆52引出，使用时，将激励信号线311和反馈信号线411分别与交流电源和相关的处理电路或装置连接即可，使用方便可靠。

参见图4，图4是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图。图4示出的实施例还包括填充于所述延长杆52和所述壳体50的内部的填充物54，所述填充物54的底面51临近所述激励端31和/或反馈端41，从而将激励信号线311和反馈信号线411固定，使得信号线难以脱落并且可以将壳体50内的元件与外界隔离，防止外界的水汽或者灰尘进入影响元器件的使用寿命，增强了传感器的可靠性。填充物54可以如图示出的完全填充，例如可以使用环氧树脂或者橡胶等材料将延长杆52以及壳体50内部的部分完成填充，此外也可以仅仅对其中的部分空间进行填充。

参见图5，图5是本发明所述传感器的一实施方式的结构示意图。在图5示出的实施例在上述实施例的基础上，还包括安装基座60，以及固定于所述安装基座60上且配置成将所述振动体20包围的保护罩61。使用保护罩61包围在振动体20，从而能够保护振动体20避免被损坏或者碰伤。其中，保护罩61可以是一旋转面，上端固定在安装基座60上，例如焊接在安装基座60上；此外，也可以是若干的条状体，其顶端固定在安装基座60上，下部向下延伸也可以起到对振动体20进行保护的作用。另外，保护罩61也可以是网状的结构，其将振动体20进行包围后同样也可以起到对振动体20进行保护的作用。

此外，在某些实施方式中，该传感器还包括在除容器10以外、且与流体11接触的区域覆盖有一层保护膜，和/或设于流体11之中的温度传感器62。保护膜的材质可以是金刚石膜、黑金刚膜和四氟膜中的一种或多种，使得该传感器可以利用在污染较为严重的环境之中，防止与流体11接触的区域被污染。其中，上述的“与流体11接触的区域”可以是，但不限于振动体20的表面、传动杆30的表面。在具有温度传感器62的实施例中，该温度传感器62的表面也可以设置该保护膜，防止温度传感器62被污染，提高温度传感器62的使用寿命。其中，温度传感器62的安装方式具有多种形式，例如可以将温度传感器62安装在套管内，套管的一端焊接在安装基座60上。

另外，所述振动体20可以是以传动杆30所在的直线为轴的轴对称结构，即传动杆30固定在振动体20的中心对称线上或者接近振动体20的中心对称线，研究人员发现该结构的振动体20具有更好的实施效果，对于谐振频率的检测更为迅速和方便。例如可以参见图6，图6是本发明所述传感器的一实施方式中振动体20的结构示意图。图6示出的振动体20为平板状结构。该平板状结构具有较小的厚度，以及较大的面积，其形状可以是多种，例如可以是具有对称轴21的圆形、正方形、长方形、三角形或者锥形等等。此外，参见图7，图7是本发明所述传感器的一实施方式中振动体20的结构示意图。图7示出的振动体20的结构也可以是旋转体结构，旋转体结构是指定义一条平面曲线绕着它所在的平面内的一条定直线（对称轴21）旋转所形成的曲面，该封闭的曲面围成的几何体，例如可以是球体、圆柱体或者圆锥体、圆筒等等。

在实际应用过程中，研究人员意外地发现，根据传感器检测流体11的物性的不同，振动体20的形状具有较大的影响。例如当传感器用来检测流体11的密度时，振动体20为平板状结构时，其振动的谐振频率和振幅主要和介质密度相关，一定的温度下，频率越高，密度越小。当传感器用来检测粘度时，振动体20为旋转体结构时，其谐振频率和振幅主要和介质粘度相关。一定的温度下，频率越高，粘度越小。

此外，上述的实施例中涉及的传感器也可以检测流体11的物性变化。将振动体20配置于在固定频率的谐振状态下，当振幅下降时，说明流体11的温度、粘度或密度已经变化，振幅下降越多，变化越大，可定性检测流体11物性的变化。重新搜索谐振频率，可定量检测流体11物性变化量。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种检测流体物性的传感器，其特征在于，包括暴露于流体之中的振动体，以及用于激励所述振动体振动的激励装置和用于检测所述振动体的振动频率和/或振动幅度的检测装置。

2.如权利要求1所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，所述振动体包含有磁性材料，所述激励装置包括配置于临近所述振动体的激励端，所述检测装置包括配置于临近所述振动体的反馈端。

3.如权利要求1所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，所述激励装置包括带磁性材料的振动源、连接所述振动源和振动体的传动杆和配置于临近所述振动源以激励所述振动源振动的激励端；所述检测装置包括配置于临近所述振动源以检测所述振动体的振动频率的反馈端。

4.如权利要求3所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，所述振动源为长方体，所述激励端和检测端分别配置在临近所述振动源的两端部的位置，所述传动杆大体设于所述振动源的中心对称线的位置。

5.如权利要求4所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，所述振动体为以传动杆所在的直线为轴的轴对称结构。

6.如权利要求5所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，所述振动体为平板状结构或者旋转体结构。

7.如权利要求3所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，还包括配置为容纳所述激励装置和检测装置的壳体，所述壳体的底面具有中空的隔离套管，所述传动杆穿过该隔离套管与所述振动体连接；所述壳体的顶面具有中空的延长杆，所述激励端和反馈端分别具有若干信号线，所述信号线穿过所述延长杆将所述激励端和反馈端引出。

8.如权利要求7所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，还包括填充于所述延长杆和所述壳体的内部的填充物，所述填充物的底面临近所述激励端和/或反馈端。

9.如权利要求1所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，还包括安装基座，以及固定于所述安装基座上且配置成将所述振动体包围的保护罩。

10.如权利要求9所述的检测流体物性的传感器，其特征在于，还包括如下一项或多项：

A、至少在除容器以外、且与流体接触的区域覆盖有一层保护膜；

B、设于流体之中的温度传感器。

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