CN107110753A - 用于测量可流动介质的密度的测量装置和方法 - Google Patents

用于测量可流动介质的密度的测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

公开了用于测量可流动介质的密度的测量装置(1)，所述测量装置包括：流体路径(16)，用于引导介质；泵(14)，该泵布置在流体路径(16)中，用于驱动流体路径(16)中的限定的体积流量的介质；压力差测量装置(30a，30b)，测量装置用于基于所述体积流量的介质检测在流体路径(16)中的第一压力接头(32a)和第二压力接头(32b)之间的压降；密度计(20)，具有至少一个振荡器，该至少一个振荡器具有用于引导介质的至少一个可振荡的测量管(22)，该密度计(20)具有至少一个激励器机构，该至少一个激励器机构用于激励测量管的振荡，以及该密度计(20)具有至少一个传感器装置，该至少一个传感器装置用于检测振荡器的至少一个振动特性，其中，将至少一个振荡器中的一个或多个测量管布置在所述流体路径中；以及评估设备(40)，该评估设备被设计为基于体积流量、体积流量相关压降和振荡器的至少一个振动特性确定介质的密度。

Description

用于测量可流动介质的密度的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于尤其是使用包含测量材料的振荡测量管测量可流动介质的密度的测量装置和方法。基于振荡特性，尤其是测量管的谐振频率，能够确定密度。这种测量设备对介质的粘度具有交叉敏感性。这随着测量管直径的减小而增加。另一方面，具有小直径的直的测量管能够以非常小的样品量进行密度测量。此外，具有小直径的测量管往往具有较高的本征频率，使得精确的频率测量容易实现。迄今，使用振荡测量管的密度测量是非常有吸引力的，其中，尤其是在具有小直径的测量管的情况下，必须考虑到对粘度的交叉敏感性。
背景技术
Kalotay等在美国专利5,359,881中描述了一种粘度计，其具有带有集成了压力差传感器的科里奥利质量流量测量装置，其确定跨科里奥利(Coriolis)质量流量测量装置的测量管的压降。基于借助于科里奥利质量流量测量装置确定的质量流量和借助于科里奥利质量流量测量装置确定的密度，还基于的是考虑到压降确定粘度，来确定体积流量。然而，考虑到粘度确定的体积流量是精确地基于有缺陷的密度测量的。因此，本发明的目的在于补救这种情况。
发明内容
通过如独立权利要求1中限定的测量装置和如独立权利要求15中限定的用于确定介质的密度的方法来实现根据本发明的目的。
本发明的用于测量可流动介质密度的测量装置包括：
流体路径，该流体路径用于输送介质；
泵，该泵布置在流体路径中，该泵用于在流体路径中驱动限定的体积流量的介质；
压力差测量装置，该压力差测量装置用于记录由于所述体积流量的介质引起的在流体路径中的第一压力接头和第二压力接头之间的压降；
密度计，该密度计包括：至少一个振荡器，该至少一个振荡器具有用于输送介质的至少一个可振荡的测量管；至少一个激励器机构，该至少一个激励器机构用于激励测量管的振荡；以及至少一个传感器装置，该至少一个传感器装置用于记录振荡器的至少一个振荡特性，其中，将至少一个振荡器中的一个或多个测量管布置在流体路径中；
评估设备，该评估设备适于基于体积流量、体积流量相关压降和振荡器的至少一个振荡特性确定介质的密度。
在本发明的进一步发展中，所述评估设备适于首先基于体积流量和体积流量相关压降来确定介质的粘度，然后基于这个确定的粘度和所述振荡器的至少一个振荡特性来确定介质的密度。
在本发明的进一步发展中，所述振荡器的所述至少一个振荡特性包括振荡器的谐振频率，该振荡器的谐振频率取决于所述介质的密度及所述介质的粘度。
在本发明的进一步发展中，所述泵包括定量泵或计量泵，尤其是具有优于1％精度的微型环形齿轮泵。
在本发明的进一步发展中，至少一个振荡器的至少一个测量管相对于所述体积流量的介质布置在第一压力接头和第二压力接头之间。
在本发明的进一步发展中，其中，至少一个振荡器的至少一个测量管具有不大于1mm，尤其是不大于500μm，优选地不大于300μm，进一步优选地不大约200μm，例如是约160μm的内径。
在本发明的进一步发展中，当振荡器的至少一个测量管充满水时，至少一个振荡器具有带有以下谐振频率的弯曲振荡的基本模式，谐振频率不小于1kHz，尤其是不小于5kHz，优选地不小于10kHz，以及不大于500kHz，尤其是不大于100kHz，优选不大于50kHz。
合适的密度计被公开在例如出版物WO 2009/076287A2中。
在本发明的进一步发展中，压力差测量装置具有第一压力传感器，该第一压力传感器记录在所述第一压力接头点处的压力；以及第二压力传感器，该第二压力传感器记录第二压力接头点处的压力，其中，第一压力传感器和第二压力传感器是绝对压力传感器或是相对压力传感器。
在本发明的进一步发展中，密度计包括MEMS传感器，该MEMS传感器包括至少一个振荡器的至少一个测量管。
在本发明的进一步发展中，MEMS传感器还包括温度传感器，该温度传感器用于根据介质温度提供温度的测量值。
在本发明的进一步发展中，流体路径包括具有内径的旁路管线，该内径不小于振荡器的测量管的直径的五倍，尤其是不小于振荡器的测量管的直径的十倍，优选地不小于振荡器的测量管的直径的20倍。
在本发明的进一步发展中，泵布置在旁路管线中。
在本发明的进一步发展中，旁路管线具有节流阀，其中，至少一个振荡器的至少一个测量管经由旁路管线中的两个分支与节流阀平行连接，在旁路管线中的两个分支之间布置了节流阀。
在本发明的进一步发展中，两个分支布置在两个压力接头点之间。
一种用于尤其是借助于本发明的测量装置确定介质的密度的方法，该方法包括以下步骤：
在流体路径中驱动限定的体积流量的介质；
记录由于该体积流量的介质引起的在流体路径中的第一压力接头和流体路径中的第二压力接头之间的压降；
记录振荡器的至少一个振荡特性，该振荡器具有用于在流体路径中输送介质的至少一个可振荡测量管；以及
基于体积流量、体积流量相关压降和振荡器的至少一个振荡特性确定密度。
在本发明的进一步发展中，首先基于体积流量和体积流量相关压降，确定介质的粘度，然后基于这个确定的粘度和振荡器的至少一个振荡特性，确定介质的密度。
在本发明的进一步发展中，振荡器的至少一个振荡特性是振荡器的谐振频率，该振荡器的谐振频率取决于介质的密度及介质的粘度。
本发明的测量装置和本发明的方法适用于具有粘度大于50mPas，例如高达至500mPas，尤其是高达至1000mPas的介质。这种粘度发生在例如原油的情况下。
在本发明的密度确定是在已知温度下的情况下，能够根据API11.1发生返回到15℃的参考密度的计算。
附图说明
现在将会基于附图中图示的实施例的示例更详细地说明本发明，其唯一附图如下示出：
图1示出本发明的测量装置的实施例的示例的示意性表示。
具体实施方式
测量装置1包括在第一连接点6和第二连接点8之间与管道4平行延伸的取样管线2，其中取样管线在这里经由在第一连接点6附近的第一阀10和在第二连接点8附近的第二阀12是可分离。因此，测量装置1在取样管线2中包括：诸如可从企业HNP获得的微型环形齿轮泵14，或另一种计量泵或定量泵，其具有精确度优于1％，尤其是优于0.5％，用于驱动限定的体积流量通过由取样管线2和其中布置的组件形成的流体路径16。取样管线具有例如4mm的内径。在环形齿轮泵14之前在取样管线2中布置了过滤元件15，过滤元件15例如具有不大于20μm，尤其是不大于10μm，优选不大于5μm的最大孔径，以确保后续组件不会被堵塞。
在取样管线2中还布置了具有可振荡测量管22的密度计20，该可振荡测量管22借助于激励器激励以执行弯曲振荡，可振荡测量管22的谐振频率取决于在测量管中包含的介质的密度。谐振频率对介质的粘度具有交叉敏感性，因此同样必须确定粘度。测量管具有例如160μm的直径并且借助于MEMS技术在硅中制备。在密度为106g/m3和低粘度介质的情况下，谐振频率位于例如在20kHz的数量级。
通过测量管22的液体路径部分和具有内径为200μm的周围的MEMS组件的总长度数量等于例如1cm。这个液体路径部分具有相对大的流动阻力，使得通过这个液体路径部分引导取样管线2的整个体积流量是不切实际的。在跨液体路径部分的一些巴(bar)的压力降的情况下，通过测量管的预期的体积流量将会是小的，使得尤其是在变化管道4中的介质的性质的情况下，将可能不可靠地表示取样管线2中的介质。因此，通过MEMS组件的液体路径部分与隔膜24平行被引导为旁路26，其中旁路26具有小于20mm，尤其是小于15mm，例如10mm的旁路路径长度。隔膜24具有0.5mm2mm的直径，该隔膜24被选择为使得由于取样管线2中的体积流量而产生压力梯度，隔膜24驱动一部分的体积流量(例如为0.1％至5％)通过旁路26。MEMS组件还包括例如半导体电阻元件或Pt电阻元件的温度传感器27，其尤其地是记录测量管22或测量管附近的温度，测量管附近的温度表示介质的温度。
测量装置1还包括压力差测量装置30，其用于确定取样管线2上的第一压力接头点32a和第二压力接头点32b之间的压力差，其中旁路26连接到两个压力接头点32a、32b之间的取样管线。压力差测量装置在这个实施例中包括：记录第一压力接头32a处的第一压力的第一相对压力测量换能器30a和记录第二压力接头32b处的第二压力的第二相对压力测量换能器30b。
测量装置1还包括评估单元40，该评估单元40适于基于用于体积流量和相关的压力差的值来确定当前粘度测量值，并且基于测量的谐振频率或从该测量的谐振频率推导的未校正的密度测量值来计算相对于粘度的影响校正的密度测量值。此外，由于在密度确定处的已知的温度，所以能够根据API 11.1将其转换成在15℃下的参考密度。
压力差测量装置、密度计20、以及评估单元的电路优选地被实施为满足点火保护型Ex-i(本质安全)。环形齿轮泵14的电子电路优选同样地被实现为满足点火保护型，例如使用根据类Ex-d的耐压封装体。
测量装置可以进一步包括辅助介质贮存器50和收集容器52，它们分别经由位于第一阀10和过滤器15之间以及第二相对压力测量换能器30b与第二阀12之间的分支管线连接到取样管线2。分支管线分别经由第三阀54和第四阀56与取样管线隔离。一方面，辅助介质能够是：例如汽油的清洁液体；或具有用于校准测量设备的限定粘度的参考介质。

Claims (17)

1.一种用于测量可流动介质的密度的测量装置(1)，所述测量装置包括：
流体路径(16)，所述流体路径(16)用于输送介质；
泵(14)，所述泵(14)布置在所述流体路径(16)中，所述泵(14)用于在所述流体路径(16)中驱动限定的体积流量的所述介质；
压力差测量装置(30a，30b)，所述压力差测量装置(30a，30b)用于记录由于所述体积流量的所述介质引起的、在所述流体路径(16)中的第一压力接头(32a)和第二压力接头(32b)之间的压降；
密度计(20)，所述密度计(20)包括：至少一个振荡器，所述至少一个振荡器具有用于输送所述介质的至少一个可振荡的测量管(22)；至少一个激励器机构，所述至少一个激励器机构用于激励所述测量管的振荡；以及至少一个传感器装置，所述至少一个传感器装置用于记录所述振荡器的至少一个振荡特性，其中，所述至少一个振荡器中的一个或多个所述测量管布置在所述流体路径中；
评估设备(40)，所述评估设备(40)适于基于所述体积流量、体积流量相关压降和所述振荡器的所述至少一个振荡特性来确定所述介质的密度。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述评估设备适于首先基于所述体积流量和所述体积流量相关压降来确定所述介质的粘度，然后基于所确定的粘度和所述振荡器的所述至少一个振荡特性来确定所述介质的密度。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中，所述振荡器的所述至少一个振荡特性包括所述振荡器的谐振频率，所述振荡器的谐振频率取决于所述介质的密度及所述介质的粘度。
4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其中，所述泵(14)包括定量泵或计量泵，尤其是具有优于1％精度的微型环形齿轮泵。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的测量装置，其中，所述至少一个振荡器的至少一个测量管(22)相对于所述体积流量的所述介质布置在所述第一压力接头(32a)和所述第二压力接头(32b)之间。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的测量装置，其中，所述至少一个振荡器的至少一个测量管(32)具有不大于1mm，尤其是不大于500μm，优选地不大于300μm，进一步优选地不大约200μm，例如是约160μm的内径。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的测量装置，其中，当所述振荡器的至少一个测量管充满水时，所述至少一个振荡器具有带有以下谐振频率的弯曲振荡的基本模式，所述谐振频率不小于1kHz，尤其是不小于5kHz，优选地不小于10kHz，以及不大于500kHz，尤其是不大于100kHz，优选不大于50kHz。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的测量装置，其中，所述压力差测量装置具有第一压力传感器，所述第一压力传感器记录第一压力接头点处的压力；以及第二压力传感器，所述第二压力传感器记录第二压力接头点处的压力，其中，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器是绝对压力传感器或是相对压力传感器。
9.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其中，所述密度计包括MEMS传感器，所述MEMS传感器包括所述至少一个振荡器的至少一个测量管(22)。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，所述MEMS传感器还包括温度传感器(27)，所述温度传感器(27)用于根据介质温度提供温度的测量值。
11.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其中，所述流体路径包括具有内径的旁路管线，所述内径不小于所述振荡器的测量管的直径的五倍，尤其是不小于所述振荡器的测量管的直径的十倍，优选地不小于所述振荡器的测量管的直径的20倍。
12.根据权利要求11所述的测量装置，其中，所述泵布置在所述旁路管线中。
13.根据权利要求13所述的测量装置，其中，所述旁路管线具有节流阀，其中，所述至少一个振荡器的至少一个测量管经由所述旁路管线中的两个分支与所述节流阀平行连接，在所述旁路管线中的两个分支之间布置了所述节流阀。
14.根据权利要求13所述的测量装置，其中，所述两个分支布置在所述两个压力接头点之间。
15.一种用于确定介质的密度的方法，尤其是借助于如前述权利要求中的一项所述的设备，其中，所述方法包括以下步骤：
在流体路径中驱动限定的体积流量的介质；
记录由于所述体积流量的介质引起的、在所述流体路径中的第一压力接头和所述流体路径中的第二压力接头之间的压降；
记录振荡器的至少一个振荡特性，所述振荡器具有用于在所述流体路径中输送所述介质的至少一个可振荡的测量管；以及
基于所述体积流量、体积流量相关压降和所述振荡器的所述至少一个振荡特性确定密度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，首先基于所述体积流量和所述体积流量相关压降，确定所述介质的粘度，然后基于所确定的粘度和所述振荡器的所述至少一个振荡特性，确定所述介质的密度。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述振荡器的所述至少一个振荡特性是所述振荡器的谐振频率，所述振荡器的所述谐振频率取决于所述介质的密度及所述介质的粘度。
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