CN103424336A

CN103424336A - 一种双u型振动管式流体密度传感器

Info

Publication number: CN103424336A
Application number: CN2013103122523A
Authority: CN
Inventors: 薛道荣; 谭显忠; 路大贺; 王瑞华
Original assignee: BEIJING AOPU KEXING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING AOPU KEXING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明涉及一种双U型振动管式流体密度传感器，包括基座，所述基座上左、右侧分别设置有U型管，两个U型管通过基座内的流体管道相通，所述U型管的中下部靠近基座的部位设有振动支点装置，所述U型管上部设有振荡装置。本发明的有益效果为：抗震动冲击性能好，适用于较为复杂的运输、作业环境。传感器整体可靠性高，日常可免维护。结构相对简单，便于安装使用。为国内用户提供一种测量效果好而价格低廉的流体密度传感器。

Description

一种双U型振动管式流体密度传感器

技术领域

本发明涉及石油化工设备技术领域，尤其涉及一种双U型振动管式流体密度传感器。

背景技术

振动管式密度测量方法在美国、日本和英国等发达工业国家都有大量工业产品出现，但由于价格昂贵，不能满足国内市场的需要。国内石油化工科学研究院赵知礼等也有将美国专利技术应用于便携式流体密度计等的应用实例；中国石油大学谭宝海等曾以单U型管及震锤敲击式激振方式研制用于电缆地层测试仪器的流体密度传感器。但其实际应用效果均或多或少具有一定不足。

专利申请号为：201210419750.3的名称为“双U型管式高温高压流体密度传感器”的专利申请，提供了一种双U型管式的传感器，其申请文件实际只公布了一种设想，其具体实施部分只提供了纯理论和大概原理，而由于现有技术采用的均是单U型管式，根据该申请文件提供的一种设想，在不付出大量研究的基础上，根本无法制造出最终的产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种双U型振动管式流体密度传感器，以克服目前现有技术存在的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

双U型振动管式流体密度传感器，包括基座，所述基座上左、右侧分别设置有U型管，两个U型管通过基座内的流体管道相通，所述U型管的中下部靠近基座的部位设有振动支点装置，所述U型管上部设有振荡装置。

优选的，所述U型管的材质为耐腐蚀材料。所述U型管的材质为镍基合金。所述U型管的壁厚为1mm。所述U型管与基座焊接连接。

优选的，所述振动支点装置包括固定平板，所述固定平板上方设有转线电路板，振荡装置上的细丝漆包线通过转线电路板转换，转换后连接更为结实的1mm高温导线，所述固定平板上设有与U型管紧密配合的连接孔，所述固定平板为通过螺钉连接的可拆卸结构。

进一步的，所述振荡装置由两组正交安装的电磁线圈和两个永磁体磁芯组成。所述电磁线圈和永磁体磁芯通过可拆卸方式与U型管紧密连接。所述电磁线圈由高温漆包线绕制，所述永磁体磁芯的材质为高温永磁体材料。

进一步的，两组电磁线圈之间依次连接有前置放大电路、反相电路以及功率放大电路。

本发明的有益效果为：抗震动冲击性能好，适用于较为复杂的运输、作业环境。传感器整体可靠性高，日常可免维护。结构相对简单，便于安装使用。为国内用户提供一种测量效果好而价格低廉的流体密度传感器。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述双U型振动管式流体密度传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例所述电磁线圈之间的电路图；

图3是本发明实施例所述曲线拟合图。

图中：

1、换线电路板；2、振荡装置；3、螺钉；4、连接螺栓；5、基座；6、固定平板；7、U型管。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明实施例所述的双U型振动管式流体密度传感器，包括基座5，所述基座5上左、右侧分别设置有U型管7，两个U型管7通过基座5内的流体管道相通，所述U型管7的中下部靠近基座5的部位设有振动支点装置，所述U型管7上部设有振荡装置2。所述U型管7的材质为耐腐蚀材料。所述U型管7的材质为镍基合金。所述U型管7的壁厚为1mm。所述U型管7与基座5焊接连接。所述振动支点装置包括固定平板6，所述固定平板6上设有与U型管7紧密配合的连接孔，所述固定平板6为通过螺钉3连接的可拆卸结构。所述振荡装置2由两组正交安装的电磁线圈和两个永磁体磁芯组成。所述电磁线圈和永磁体磁芯通过可拆卸方式与U型管7紧密连接。所述电磁线圈由高温漆包线绕制, 所述永磁体磁芯的材质为高温永磁体材料。两组电磁线圈之间依次连接有前置放大电路、反相电路以及功率放大电路。

所有的振动管式流体密度传感器在结构上均采用流体导管与激振装置相结合的方式。根据实际应用环境可选用U型管或异型管；管材质可以采用玻璃或者合金材料。激振装置通常采用的形式有3种：电磁力激振器、压电陶瓷振动器、震锤，对于石油井下高温高压强腐蚀性且空间狭小的应用环境，合金材料双U 型管与电磁力激振器相结合是最佳的选择，（1）电磁力激振器的起振原理决定了双U型管的抗外部振动干扰特性要远优于单U型管，类似于电信号中的差分信号抗共模干扰。（2）合金材料管比较玻璃管其抗高温高压性能要强很多；在抗腐蚀性方面只要材质选取合适，可以耐受一定浓度的H₂S与CO₂，达到应用要求。（3）电磁线圈、永磁体等零部件相比压电陶瓷振动器抗震动冲击性能要好，适用于较为复杂的运输、作业环境。（4）除U型管振动外，无其他运动部件，传感器整体可靠性高，日常可免维护。（5）结构相对简单, 便于安装使用。

本发明实施例所述的双U型振动管式流体密度传感器，2只U型管7的4个端口通过焊接的密封方式固定在基座5上，基座中5留有流体管线和安装孔，使2支U型管7形成同一流体通道。U型管7下部靠近基体5的部位有振动支点装置，使其不受外部安装（焊接）应力影响。双U 型管7上部的驱动器作为激振装置的主体，由2组正交安装的电磁线圈和2个永磁体磁芯及其他附属构件组成。双U型振动管式密度传感器采用反馈谐振式方法测量。将U型管作为振子，依靠反馈环路维持管子的谐振状态，通过测量谐振周期获得管内介质密度。振动管密度测量的基本原理来源于弹性力学悬臂梁振动理论, 振动体谐振周期与其系统质量的关系。

若忽略单U型振动管顶端弯曲影响，可以用直管近似求解。依据弹性力学理论，当直管的形状和材料固定时，振动体的固有振动周期与系统质量存在式（1）关系

式中，孔是T_n物体振动的n阶固有周期；K是仪器常数，与振动管的形状和材料有关；M_t是振动管的质量；ρ_f是管内流体的密度；V_f是管内流体的体积；ρ_fV_f即是管内流体质量。（若需详细探究上述公式，可参看谭宝海，鞠晓东.振动管式流体密度传感器研究[J].测井技术，2004，28 (4):34 1-343。和莫尔斯P M 振动与声[ M ].北京:科学出版社, 1974。）

由式（1）整理可得

式中，在振动管形状、容积与材料一定情况下，除流体密度ρ_f和固有周期T_n之外，其余参数皆可看作常数，因此流体密度ρ_f和振动管固有周期T_n成二次函数关系，可化为式（3）计算密度

可认为流体密度ρ_f与振动管的固有周期T_n的平方成正比，从而可以将其转化为线性问题求解。在国外一些已申请的专利，包括国外公司在中国申请的国际专利中, 描述了1 种振动管式密度计的密度计算公式[4]。

（4）

式中，P_m为测得的流体密度，g /cm³；T_m为测得的管周期，P_w为校正时水的密度，g /cm³；P_a为校正时空气的密度，g /cm³；T_w 为校正时不流动的水的管振动周期；T_a为校正时不流动的空气的管振动周期。

可以看出，式（4）实际上就是在式（3）基础上引人空气和水(通常采用去离子水)作为标准密度对传感器进行线性刻度时得到的公式，式（4）可用于此类传感器的现场应用刻度。如果要达到较高测量精度( 0.1% 或以上)，还需要对测量结果作温度校正和流速校正。

U型管研制：

双U型振动管式流体密度传感器的关键技术之一是研制能满足井下特殊应用条件的U型管。该U型管应满足以下3 个基本条件：（1）弹性随温度变化尽可能小，要求U型管的温度弹性系数近似为0；（2）耐高压，需在100MPa压力下正常工作；（3）抗腐蚀，能够在高温下抵抗钻井液及一定浓度H₂S、CO²腐蚀。经过对国内外大量功能材料的研究和分析，初步筛选出一种镍铬合金材料，该合金具有小的温度弹性系数、较高的强度和弹性模量、较好的耐腐蚀性等优良性能。温度弹性系数TEC优化设计。该合金的TEC 值可通过改变冷作量(Cold work )程度和时效(Aging )温度进行调节，可调为0或者0点附近。耐高压设计。由于设计因素的约束(如电磁激振、高压管接头等)，所研制井下高温高压流体密度计的振动管优化为壁厚1mm 左右。经计算，100Mpa，150℃ 环境下，U型管的许用应力要求不小于350Mpa；镍铬合金管的许用应力远远大于350 MPa，因此壁厚设计是安全合理的。

振荡装置设计：

驱动器由线圈和永磁体磁芯以及相关的机械结构构成。线圈1与线圈2对向交叉安装，线圈1与磁芯2安装在一起固定在U型管2上，激励U型管1；线圈2与磁芯1安装在一起，固定在U型管1上，激励U型管2。由于是自激起振，线圈1和线圈2之间任何的接触摩擦都会形成阻尼力，使U型管不能正常起振。线圈采用高温漆包线绕制，磁芯采用高温永磁体材料制造。

驱动电路框图见图2。线圈1作为LCR振荡器的一部分引人驱动电路中，所产生的正弦波信号UL1经驱动电路反相放大并增强驱动能力后，成为线圈2的激励信号，线圈1和2中相互反相的交变电流产生极性相反的交变磁场，同时与2个磁芯之间产生吸引和排斥力。当正弦激励信号的频率与U型管谐振频率相同，且产生的电磁力大于阻尼力时,将会使U形管产生共振。起振后，当线圈切割磁芯磁场产生感生电动势，抵消了线圈中激励信号的增长，U型管振幅达到一定程度时就处于平衡状态。

机械振动的幅度不可超过安全允许范围, 否则长时间大幅度振动会使U型管合金材料产生疲劳。因此，放大器的放大倍数及驱动能力应有所限制。驱动电路输出的方波脉冲信号进人测量电路直接采集振动周期，测量电路的核心是1片飞利浦公司P89LPC952单片微处理器。方波脉冲信号经过隔离、电平转换后接人P89LPC952的外部中断输人管脚，在单片机程序中设定方波脉冲信号上升沿作为片内计数器的开始计数和停止计数的触发信号。计数器的计数个数与方波脉冲信号的周期成正比，因此也可以直接与流体密度建立映射关系。周期测量精度取决于单片机的单个指令周期的时间。P89LPC952 的内部指令为单机器周期指令，当采用3.6862MHz 的内部晶振时，单个指令周期为0.54μs，可以充分满足测量需要。

测试数据分析：

在目前所能得到的精确密度溶液基础上对双U型振动管式流体密度传感器进行测试，采用高精度频率计测量其输出脉冲信号，测试数据见表1。根据密度计算式（3）将表1中溶液密度与振动周期的平方值作二次曲线拟合，得到图形见图3所示。

从图3及其拟合公式中可以看出，拟合得到的二次曲线的R₂值均为0.9992，说明实测点线性相关性很高，实测点与拟合曲线上的最大偏差为0.018g/cm³，小于0.025g/cm³的技术指标要求。

对双U型振动管式流体密度传感器分别做高温、高压测试，其中高温测试时传感器U型管内流体为空气，高压测试时U型管内流体是水，数据见表2(空气密度随温度升高而减小，高压对水的密度无影响)。

从表2可以看到，高温高压对U 型管振动频率会产生一定影响，但其误差在可接受范围内；温度对U型管振动周期的影响可通过校正消除，以获取更高的测量精度。

。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双U型振动管式流体密度传感器，包括基座（5），其特征在于：所述基座（5）上左、右侧分别设置有U型管（7），两个U型管（7）通过基座（5）内的流体管道相通，所述U型管（7）的中下部靠近基座（5）的部位设有振动支点装置，所述U型管（7）上部设有振荡装置（2）。

2.根据权利要求1所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述U型管（7）的材质为耐腐蚀材料。

3.根据权利要求1所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述U型管（7）的材质为镍基合金。

4.根据权利要求1所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述U型管（7）的壁厚为1mm。

5.根据权利要求1所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述U型管（7）与基座（5）焊接连接。

6.根据权利要求1所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述振动支点装置包括固定平板（6），所述固定平板（6）上方设有转线电路板（1），所述固定平板（6）上设有与U型管（7）紧密配合的连接孔。

7.根据权利要求6所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述振荡装置（2）由两组正交安装的电磁线圈和两个永磁体磁芯组成。

8.根据权利要求7所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述电磁线圈和永磁体磁芯通过可拆卸方式与U型管（7）紧密连接。

9.根据权利要求8所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：所述电磁线圈由高温漆包线绕制，所述永磁体磁芯的材质为高温永磁体材料。

10.根据权利要求9所述的双U型振动管式流体密度传感器，其特征在于：两组电磁线圈之间依次连接有前置放大电路、反相电路以及功率放大电路。