CN113614507A - 带间隙的振动计 - Google Patents
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Abstract
一种振动计，其包括振动元件，该振动元件具有纵向方向和垂直于纵向方向的平面内的横截面区域。该振动元件在垂直于振动元件的纵向方向的平面内的第一位置和第二位置之间移动。电子设备能够操作以在第一位置和第二位置之间驱动振动元件。边界元件和振动元件限定了流体速度提升间隙，该流体速度提升间隙在边界元件与振动元件之间具有平均间隙距离。振动元件包括面向间隙的周缘部分，该面向间隙的周缘部分面向具有间隙周缘长度的流体速度提升间隙。在实施方式中，间隙周缘长度与平均间隙距离的比率至少为160。在又一实施方式中，平均间隙距离为0.25mm或更小。
Description
技术领域
以下描述的实施方式涉及振动计，并且更特别地涉及密度计和粘度计。
背景技术
包括密度计和粘度计的振动计是用于测量流体的密度或粘度的重要工具。振动计可以包括暴露于被测流体的振动元件，例如叉状件、筒状件或平面共振器等。振动计的一个示例包括悬臂式安装的筒状件，其入口端部联接至现有管线或其他结构，而其出口端部自由振动。筒状件可以在共振时进行振动，并且可以测量共振响应频率。可以通过测量振动元件的降低响应频率来确定被测流体的密度。根据公知的原理，振动元件的共振频率将与接触导管的流体的密度相反地变化。
图1描绘了现有技术的振动计100。例如，振动计100可以构造成测量诸如液体或气体的流体的密度。振动计100包括壳体102，振动元件104至少部分地位于壳体102内。壳体102有助于在振动元件104振荡时保持流体压力。壳体102的一部分被剖切以示出振动元件104。在示例中，振动计100可以在现有管道中直列放置。然而，在又一示例中，壳体102可以包括带有孔口的封闭端部，以接纳流体样品。因此，虽然没有示出凸缘，但在许多实例中，壳体102或振动元件104可以包括凸缘或其他构件，以用于以流体密封的方式将振动计100操作性地联接至管道或类似的流体输送装置。在振动计100的示例中，振动元件104在第一端部106处悬臂式安装至壳体102。振动元件104在第二端部108处自由振动。
示例振动计100是浸入式的，意味着在振动元件104的整个周围都能找到被测流体。根据所示的示例，振动元件104可以包括靠近第一端部106的多个流体孔口110。可以提供流体孔口110以允许进入振动计100的流体中的一些流体在壳体102与振动元件104之间流动。在其他示例中，可以在壳体102中设置孔口以将被测流体暴露于振动元件104的外表面。然而，在又一示例中，流体可以通过靠近第一端部106的金属制品中的通道进入振动计。流体可以沿着壳体102与振动元件104之间的纵向长度流向第二端部108，然后流体可以经由振动元件104的内部流回到第一端部106。这样，流体可以接触振动元件104的内表面以及外表面。这在被测流体包括气体时是有帮助的，因为较大的表面区域暴露于气体。
图1中还示出了定位在筒状件116内的驱动器112和振动传感器114。驱动器112和振动传感器114描绘为包括线圈，但其他实现方式也是可能的。如果向线圈提供电流，就会在振动元件104中感应磁场，使振动元件104振动。反之，振动元件104的振动在振动传感器114中感应出电压。驱动器112从计量电子设备118接收驱动信号，以在多个振动模式——包括例如简单弯曲型、扭转型、径向型或耦合型——中的一个振动模式的共振频率中的一个共振频率下使振动元件104振动。振动传感器114检测振动元件104的振动，包括振动元件104振动的频率，并且将振动信息发送至计量电子设备118以进行处理。随着振动元件104的振动，与振动元件的壁接触的流体、以及离筒状件不远的流体将与振动元件104一起振动。与振动元件104接触的流体的附加质量降低了共振频率。振动元件104的新的、较低的共振频率用于确定流体的密度。共振响应或质量系数也可以用于确定流体的粘度。
在示例振动计100中，当被测流体具有低密度或低粘度时、例如，当流体为气体时，密度灵敏度和粘度灵敏度可能不适合。这个问题的一个现有解决方案是使振动元件104的壁厚更薄，并且因此更轻。然而，这使振动元件104更难制造，而且不太稳健，因为它可能更容易损坏。
需要的是在测量低密度流体时具有较高的密度灵敏度和/或较低的粘度灵敏度的振动计。
发明内容
在第一实施方式中，提供了一种振动计。该振动计包括：振动元件，该振动元件包括纵向方向和垂直于纵向方向的平面内的横截面区域，该振动元件在垂直于纵向方向的平面内的第一位置与第二位置之间移动；邻近于振动元件的边界元件；以及电子设备，该电子设备能够操作以在第一位置与第二位置之间驱动振动元件，其中，边界元件和振动元件在垂直于纵向方向的平面内限定了流体速度提升间隙，当振动元件处于中立位置时，流体速度提升间隙在边界元件与振动元件之间具有平均间隙距离，振动元件在面向具有间隙周缘长度的流体速度提升间隙的平面的横截面区域周围具有面向间隙的周缘部分，并且间隙周缘长度与平均间隙距离的比率至少为160。
在第二实施方式中，提供了一种振动计。该振动计包括：振动元件，该振动元件包括纵向方向和垂直于纵向方向的平面内的横截面区域，该振动元件在垂直于纵向方向的平面内的第一位置与第二位置之间移动；邻近于振动元件的边界元件；以及电子设备，该电子设备能够操作以在第一位置与第二位置之间驱动振动元件，其中，边界元件和振动元件在垂直于纵向方向的平面内限定了流体速度提升间隙，当振动元件处于中立位置时，流体速度提升间隙在边界元件与振动元件之间具有平均间隙距离，该平均间隙距离为0.25毫米或更小。
在第三实施方式中，提供了一种使用由第一实施方式或第二实施方式限定的该振动计来确定流体的粘度或密度的方法。该方法包括使用驱动器和电子设备在第一位置与第二位置之间驱动振动元件；以及使用传感器和电子设备确定振动元件的固有频率。
在第四实施方式中，提供了一种用于组装根据第一实施方式或第二实施方式的振动计的方法。该方法包括：提供振动元件；提供边界元件；将边界元件相邻联接至振动元件以限定流体速度提升间隙；以及将电子设备联接至振动计。
各方面
根据一方面，平均间隙距离可以为0.2毫米或更小。
根据一方面，振动元件可以是第一齿，并且边界元件可以是壳体。
根据一方面，振动元件可以是第一齿，并且边界元件可以是第二齿。
根据一方面，振动元件可以是筒状件。
根据一方面，振动元件可以是平面共振器。
根据一方面，当流体为气体时，振动计的密度灵敏度可以大于1400ns/kg/m3。
根据一方面，当流体为气体时，粘度灵敏度可以大于1.949×10-7μPa.s。
根据一方面，平均间隙距离可以为0.2毫米或更小。
根据一方面，振动元件可以是第一齿，并且边界元件可以是壳体。
根据一方面，振动元件可以是第一齿，并且边界元件可以是第二齿。
根据一方面，振动元件可以是筒状件。
根据一方面，振动元件可以是平面共振器。
根据一方面，当流体为气体时，振动计的密度灵敏度可以大于1400ns/kg/m3。
根据一方面，当流体为气体时，粘度灵敏度可以大于1.949×10-7μPa.s。
根据一方面，可以在第一位置与第二位置之间驱动振动元件的驱动频率在600Hz以下。
根据一方面，平均间隙距离可以为0.2毫米或更小。
根据一方面，振动元件可以是第一齿，并且边界元件可以是壳体。
根据一方面，振动元件可以是第一齿，并且边界元件可以是第二齿。
根据一方面，振动元件可以是筒状件。
根据一方面，振动元件可以是平面共振器。
根据一方面，当流体为气体时，振动计的密度灵敏度可以大于1400ns/kg/m3。
根据一方面，当流体为气体时，粘度灵敏度可以大于1.949×10-7μPa.s。
附图说明
相同的附图标记在所有附图上表示相同的元件。应当理解的是，附图不一定按比例绘制。
图1描绘了现有技术的振动计100；
图2描绘了根据实施方式的振动计200；
图3A描绘了根据实施方式的振动计200；
图3B描绘了根据实施方式的振动计200；
图3C描绘了根据实施方式的振动计200；
图4A描绘了根据实施方式的振动计400；
图4B描绘了根据实施方式的振动计400；
图5A描绘了根据实施方式的振动构件502；
图5B描绘了根据实施方式的平面共振器550；
图6描绘了根据实施方式的无摩擦弹簧和质量小车系统600；
图7A描绘了根据实施方式的振动计700；
图7B描绘了根据实施方式的振动计700；
图7C描绘了根据实施方式的振动计700；
图8A描绘了根据实施方式的图表800；
图8B描绘了根据实施方式的图表850；
图9A描绘了根据实施方式的图表900；
图9B描绘了根据实施方式的图表950；
图10描绘了根据实施方式的振动计1000；
图11描绘了根据实施方式的方法1100；以及
图12描绘了根据实施方式的方法1200。
具体实施方式
图2至图12和以下说明描绘了以下具体示例，以教导本领域技术人员如何制造和使用振动计的实施方式的最佳模式。为了教导发明原理的目的，已经简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将理解来自落入本说明书范围内的这些示例的变型。本领域技术人员将理解的是，以下描述的特征可以以各种方式组合以形成振动计的多个变型。因此，以下所描述的实施方式并不限于以下描述的特定示例，而是仅由权利要求及其等同物限制。
图2描绘了根据实施方式的振动计200的立体剖切图。图3A、图3B和图3C描绘了沿图2中标示231的线截取的振动计200的横截面图。振动计200包括振动元件202、壳体204、边界元件232以及计量电子设备(未描绘)。振动计200还可以包括驱动器、传感器、一个或更多个孔口以及其他特征，但为了简化图形，这些特征没有被描绘出来。
振动元件202包括纵向方向228和垂直于纵向方向228的平面231内的横截面区域230。在振动计200的示例中，振动元件202包括具有部分圆形横截面区域230的两个叉齿中的至少一个叉齿。在示例中，横截面区域230可以是半圆形的。然而，在又一示例中，横截面区域230可以包括周缘，该周缘包括圆的小段。
然而，在又一实施方式中，振动元件202可以包括具有不同形状的叉齿。例如，振动元件202可以包括一个或更多个包括基本平面形状的齿。在一些示例中，基本平面形状可以包括形成在圆的两个平行线之间的横截面。
在又一实施方式中，振动元件可以不包括一个或更多个叉齿。例如，图4A描绘了根据实施方式的振动计400的横截面图。振动计400包括振动构件402和壳体404。振动构件402和壳体404各自包括筒形形状，很像振动计100中的筒形形状。
在又一实施方式中，振动元件可以替代地包括平面共振器。例如，图5A描绘了包括振动元件502的平面共振器550的俯视图，并且图5B描绘了沿垂直于纵向方向228的平面531截取的振动计500的横截面图，该纵向方向由图5A中带双箭头的线标记。
振动计500包括平面共振器550的振动元件502以及壳体504。振动元件502基本平坦，并且可以在联接端部503a(联接未被示出)处联接至振动计500，并且在被驱动时在振荡端部503b处自由振动。在示例中，如本领域技术人员将理解的，振荡端部503b还可以包括一个或更多个桨叶部分，桨叶部分一起振荡或彼此对立地移动。
如本领域技术人员将理解的，振动元件202的其他实施方式也是可能的。
回到图3A至图3C，可以看到振动元件202在垂直于纵向方向228的平面231内的第一位置302与第二位置304之间振荡。图3A、图3B和图3C描绘了振动元件202处于不同位置的振动计200。图3B描绘了处于第二位置304的振动元件202，该第二位置为叉齿之间间隔最大的位置，而图3C描绘了处于第一位置302的振动元件202，该第一位置为叉齿之间间隔最小的位置。图3A描绘了处于中立位置或静止位置306、或振动元件202没有被驱动振荡时所处的位置的振动元件202。
振动计200包括邻近振动元件的边界元件232。边界元件232在垂直于振动元件202的纵向方向228的平面231内的横截面区域中为边界元件232与振动元件202之间的流体提供边界。振动元件202朝向和远离边界元件232振荡，使得振动元件202与边界元件232之间的距离随着振动元件的振荡而改变。
在振动计200的实施方式中，边界元件232是围绕振动元件202的外部半圆形轮廓的筒形壳体构件204。然而，在又一实施方式中，边界元件可以包括不同的形状。例如，振动计500包括作为矩形壳体构件504的边界元件532。在又一实施方式中，边界元件可以包括振动元件202的第二齿，如以下将进一步描述的。
当振动元件202振荡时，流体将进入和移出振动元件202与边界元件232之间的区域。在先前的振动计中，振动元件与任何边界元件之间的距离非常大，以至于流体响应于振荡而围绕振动元件移动时的平均速度较低。相比之下，边界元件232和振动元件202在垂直于纵向方向228的平面231内限定流体速度提升间隙308。流体速度提升间隙308构造成足够窄，以在振动元件振荡时大幅提高流体的平均速度，如以下将进一步说明的。例如，如在图3A中可以看到的，流体速度提升间隙308包括振动元件202的弧与壳体204的弧之间的C形横截面区域。
然而，在包括不同构造的振动元件和壳体的又一示例中，流体速度提升间隙308可以包括其他形状，例如，振动计400包括流体速度提升间隙408，该流体速度提升间隙一直围绕筒形振动元件402形成环形形状。相反，振动计500包括流体速度提升间隙508，该流体速度提升间隙包括振动构件502上方和下方的矩形。
当振动元件202、402、502处于中立位置时，流体速度提升间隙308、408、508在边界元件232、432、532与振动元件202、402、502之间具有平均间隙距离309、409、509。例如，如从图3A中可以看到的，在振动计200处于中立位置的情况下，可以通过对振动元件202和壳体204的相邻弧段的最近点之间的距离进行平均来确定平均间隙距离309。在示例中，沿着流体速度提升间隙308、408、508的平均间隙距离309可能具有较低的标准偏差。换言之，振动元件202、402、502与边界元件232、432、532之间的距离可能基本相同。
在示例中，流体速度提升间隙308、408、508可以围绕振动元件202、402、502的一部分或振动元件202、402、502的整个周缘。
在振动元件202包括两个齿的示例中，流体速度提升间隙308还可以包括围绕第二齿的第二区域，在图3A中标记为310。
振动元件202、402、502在面向具有间隙周缘长度的流体速度提升间隙308、408、508的平面231的横截面区域230周围包括面向间隙的周缘部分。
例如，在图3A的实施方式中，振动元件202的面向流体速度提升间隙308的部分圆形外部包括面向间隙的周缘部分211。间隙周缘长度是面向间隙的周缘部分的长度。在图3A的示例中，间隙周缘长度等于包括面向间隙的周缘部分211的小弧的长度。
然而，在又一示例中，面向间隙的周缘部分可以采取不同的形状。例如，在振动计400的实施方式中，面向间隙的周缘部分411可以包括筒形振动构件402的整个圆周。而在振动计500的实施方式中，面向间隙的周缘可以包括沿着振动元件502的宽度W、沿着面向壳体元件504的两个较长侧部的周缘。
在先前的实施方式中，振动元件与边界元件之间的间隙大小为0.5毫米或更大。对于具有包括叉状件的振动元件202的示例实施方式，典型的齿直径为25.4毫米，对应于约为40毫米的间隙周缘长度。因此，先前的叉式振动计包括间隙周缘长度与平均间隙距离的比率为80。然而，对于振动元件402包括筒状件的示例实施方式，典型的筒状件直径为20毫米，对应于约为63毫米的间隙周缘长度。因此，先前的筒形振动计包括间隙周缘长度与平均间隙距离的比率为125。
在本申请的实施方式中，间隙周缘长度与平均间隙距离的比率至少为160。例如，对于直径为25.4毫米并且间隙大小为0.25毫米的齿式振动元件202，间隙周缘长度与平均间隙距离的比率约为160。对于直径为20毫米并且间隙大小为0.25毫米的筒式振动元件402，间隙周缘长度与平均间隙距离的比率约为251。
振动计200还包括电子设备，该电子设备能够操作以在第一位置302与第二位置304之间驱动振动元件，该振动元件在第二位置比在第一位置更接近边界元件232。在振动元件是筒状件或平面共振器的情况下，电子设备118可以来回驱动振动元件。然而，在振动元件202是叉状件的情况下，可能有两个齿(如图2、图3A、图3B和图3C中所描绘的)。因此，电子设备118可以和驱动器一起彼此对立地移动齿，如图3A、3B和3C中所描绘的。
对于自然共振器，或非强迫性共振器，行为可以通过以下方程1描述：
其中，ω为共振频率，K为有效刚度，M为有效质量。当在相对较低的频率下操作时，例如在600Hz或600Hz以下，或者在500Hz或500Hz以下，取决于几何形状，振动元件周围的流体可能不会对共振器贡献任何刚度。然而，流体的位移可能会贡献一些质量，并且因此共振频率ω随着流体密度的增加而降低。
能够通过考虑图6所描绘的无摩擦弹簧和质量小车系统600上的力来推导方程1。如果没有驱动系统600，例如，因为在没有外力干扰的情况下小车的无摩擦振荡已经开始，所以弹簧的压缩可以提供导致质量加速的驱动力。因此系统600的运动可以由方程2表示：
其中，x为小车的位移，
为小车的加速度，k为弹簧的刚度并且m为小车的质量。当方程2的解为x＝Asin(ωt)时，方程2还原为方程1。
通过假设无摩擦弹簧和质量小车系统600的振荡弹簧质量布置中的总能量随时间保持不变，方程1也是能够推导的，这是该布置无摩擦时的情况。在这种情况下，无摩擦弹簧和质量小车系统600将提供从100％的势能——当弹簧中的应力最大并且质量的速度为零——到100％的动能——当速度为最大并且弹簧中的应力为零——的周期性转移。
在小车振荡的能量为100％动能的终点阶段——例如，令相位ωt＝0——与能量为100％势能的终点阶段——例如，令相位ωt＝90——之间，将存在动能将等于势能的相位ωt＝45。方程3表示小车位移的相位ωt＝45，其中，动能和势能相等：
其中，k为弹簧常数，x为距离，m为质量，并且v为速度。如果x＝Asin(ωt)并且v＝Aωcos(ωt)，其中，A为振荡质量的最大位移，并且ω为共振频率，则方程3还原为方程1。
然而，在振动计中，除了振动元件之外，还必须考虑流体的运动能量。当流体没有刚度时，就像气体的情况一样，它对势能没有贡献。在振动计的应用中，方程3适用如下：
其中，m为振动元件的质量，v为振动元件的速度，mfluid为流体的质量，vfluid为流体的速度，k为振动元件的弹簧常数，并且x为振动元件的位移。如果x＝Asin(ωt)并且v＝Aωcos(ωt)，其中，A为振动元件202的最大位移，则振动计200可以通过下式描述：
δ为流体的质量mfluid与振动元件的质量m的比率。如本领域技术人员将容易理解的，比率δ也取决于流体的密度、振动元件的密度以及流体的几何形状和振动元件的几何形状。类似地，γ为流体的速度vfluid与振动元件的速度v的比率。方程5可以进一步重新排列如下：
如果x＝Asin(ωt)，v＝Aωcos(ωt)并且Z＝(1+δ)(1+γ)2，则：
当ωt等于45度(动能等于势能)时，以下频率关系适用：
其中，Zm为振动元件202和流体的有效质量。有效质量Zm取决于间隙大小。
如经由方程8可以理解的，通过增加系统的有效质量Zm，有可能降低振动计的共振频率。
粘度灵敏度是振动计中有多少阻尼的量度。阻尼的量可能取决于流体的位移速度。如下面进一步描述的，可以通过减少流体速度提升间隙308的大小来增加流体的平均位移速度。
假设流体没有被压缩，如果振动的频率ω非常低，则这是真的，那么无论边界元件232定位成靠近振动元件202以在它们之间形成较窄的间隙，还是边界元件232远离振动元件202以形成较宽的间隙，移位的流体的质量mfluid都将是相同的。然而，尽管在这两种情况下移位的流体的质量相同，但出于以下关于图7A至图7C描述的原因，当边界元件232更靠近振动元件202时，流体的平均位移速度更高，并且因此比率γ也更高。
图7A表示具有振动元件702和边界元件732的振动计700的简化的横截面区域，其中横截面区域垂直于振动计700的纵向方向。如横截面图中可以看到的，振动元件702和边界元件732被描绘为基本上是平面的，其中振动元件702相对于边界元件732上下振荡，很像对振动计500的描述。在边界元件732与振动元件702之间限定流体速度提升间隙754。
如图7A中的箭头所示，如果振动元件702向上或向下移动任何距离，即使是微量的移动，区域A中的一定体积的气体也将通过一直沿着振动元件702的周缘的一个长度、围绕振动元件702的两个端部、以及沿着振动元件702的周缘的第二长度流动从而移位到区域B。如本领域技术人员将理解的，区域A中大约一半的流体将向左行进，一半将向右行进。当流体为气体时，分子具有高动能，并且气体位移可以分布在振动计700的所有气体分子之中。
图7A至图7C中放大了振动元件702相对于边界元件732的运动。如本领域技术人员将容易地理解的，相对于振动元件702与边界元件732之间的流体速度提升间隙中的距离，振动元件702的运动可以非常小。例如，振动元件702可能肉眼不可见，并且该振动元件的位移可能在1微米或更小的数量级上。
为演示目的而简化图7A至图7C的振动元件702和边界元件732，但是本领域技术人员将容易地理解的是，所描述的概念可以适用于具有不同形状的振动元件(例如，筒形、平面或任何形状的叉齿)和不同形状的边界元件732(例如，筒形或椭圆形壳体，或平面的齿)的振动计。
为简单起见，图7B和图7C仅描绘了振动构件702的一半。图7B描绘了当振动元件702朝向第二位置304移动时，离边界元件732的最小距离，而图7C表示当振动元件702朝向第一位置302移动时，离边界元件732的最大距离。
边界元件732与振动元件702之间的距离限定了流体速度提升间隙754，在振动元件702处于静止状态时描述了该流体速度提升间隙的长度。示例流体速度提升间隙754的厚度为3.5单位，宽度为54单位。当振动元件702振荡时，流体的流体速度提升间隙754中的等于流体速度提升间隙横截面区域的大小的变化的面积由振动元件702移位，在示例中流体速度提升间隙横截面区域的尺寸为1单位乘54单位。这可以在图7B中看到，其中流体从行741被推到行740，然后围绕振动元件702，如箭头所描绘的。在动力学理论下，经位移的流体将重新分布，使得其再次具有基本一致的密度。图7B的行741中的流体围绕振动构件702的端部并且沿着振动构件702的底面流动。在图7C中，振动构件702朝向第一位置302移动，将流体从行742推到行743，然后流体可以从区域B重新分布到区域A。
关于图7A至图7C所描述的简化的振动计700旨在提供为什么当间隙长度减小时，密度灵敏度和粘度灵敏度会增加的定性描述。在简谐运动中，流体的位移是周期的和连续的，因此本领域技术人员将理解可能存在速度梯度。例如，靠近振动元件702的平均流体速度可能最高，并且平均流体速度可能随着与边界元件的距离的增加而减小。
因为相对于相对较短的流体速度提升间隙754，流体必须围绕振动元件702的周缘行进较长距离，所以流体在具有较长间隙距离的振动计上将具有更大的平均位移。类似地，当流体速度提升间隙754的长度基本上小于围绕振动元件702的周缘的距离时，振动计700内的流体的平均位移速度也会更大。当流体的平均位移速度增加时，流体的平均动能也将增加，因为动能与速度的平方成正比。建模和实验室实验已经确定的是，当间隙变窄时，会出现间隙754减半的点，并且区域A与区域B之间的流体的平均位移速度大约加倍，对应于动能增大4倍。
本领域技术人员还将理解的是，与较小的流体速度提升间隙754相比，以上关于围绕振动元件702的横截面区域的周缘行进相对较长距离的流体所描述的原理也将适用于振动元件702的纵向尺寸。因此，在示例中，振动元件202、402、502、702的纵向长度与流体速度提升间隙308、408、508、754的比率也可以大于160。
本领域技术人员进一步理解的是，关于图7A至图7C所描述的物理学也适用于可以提供不同流体流的振动计组件的其他实施方式。
例如，图4B描绘了筒形振动元件402的振荡。在图4B中，筒形振动构件402在阳极处径向移位，如以振动构件402为中心的虚线所表示的。由图4B中的箭头表示振动构件402振荡期间的流体的流动。通过提供0.25毫米或更小的平均间隙距离，或者提供160或更大的间隙周缘长度与平均间隙距离的比率，有可能提高振动元件402周围的流体速度。
已经发现，当把振动元件702与边界元件732之间的流体速度提升间隙754从0.5毫米的间隙大小缩小到0.25毫米的间隙大小时，气体的平均位移速度至少加倍。然而，如本领域技术人员将容易地理解的，这可能基于振动计的几何形状和所测试的流体而变化。
密度灵敏度是共振频率相对于流体密度的变化，通常以Hz每kg/m3或μs每kg/m3测量。由振动计700的狭窄间隙提供的流体速度的平均增加提供了流体在振动计700上的有效质量的增加，并且因此提供了振动计和流体组合的共振频率的增加，如由以上方程5至方程8所提供的。
图8A描绘了图表800，示出了密度灵敏度与间隙大小。图表800的y轴是标准化的密度灵敏度单位，x轴是单位为毫米的间隙大小。标准化的密度灵敏度单位是关于如下的振动计而言的标准化：具有振动构件而没有边界构件的振动计，或者该振动计具有形成间隙的边界构件，该间隙非常宽以至于没有速度提升效应。
图表800包括标记出没有边界元件时的密度灵敏度的线802，例如当浸入式密度计或粘度计没有壳体，或壳体与振动元件的横截面宽度相比非常大时，就可能是这种情况。线804遵循不同间隙大小的密度灵敏度的实验结果。如从图8A中可以看到的，间隙大小为0.25毫米的振动计可以提供比没有边界元件并且因此没有间隙的振动计大10倍的密度灵敏度的增加。没有边界元件的现有振动计已经被确定为具有大约140ns/kg/m3的密度灵敏度。因此，10倍的标准化密度灵敏度单位等同于1400ns/kg/m3。类似地，间隙大小为0.15毫米的振动计可以提供比没有边界元件的振动计大20倍的密度灵敏度。
粘度灵敏度可以限定为阻尼相对于粘度的变化。确定阻尼的一种方式是测量振动计的共振峰的广度。常规上这由质量系数Q限定，即Q＝共振频率/带宽。
对于测量液体的振动计，粘度大致与1/Q2成正比。用于确定粘度η的方程为：
其中，V0和V1为校准系数，并且粘度灵敏度为V1。如果测量两种流体，有可能使用从每种流体测量的粘度和Q因子来确定粘度灵敏度V1，
和
通过求解该粘度灵敏度V1的方程组，我们得出了方程10：
以下的方程11概括地描述了流体的粘度η与质量系数Q、密度ρ和振动元件的共振频率ω0的关系：
当流体为液体时，可以忽略包括密度ρ和共振频率ω0的最后一项。如可以看到的，由方程11表示的液体的粘度因此变得与方程9所表示的液体的粘度大致相同的形式。因此方程10也可以是针对流体的粘度灵敏度的充分逼近。
图8B描绘了图表850，该图表描绘了粘度灵敏度与间隙大小。图表850的y轴是标准化的粘度灵敏度单位，x轴是单位为毫米的间隙大小。标准化的粘度灵敏度单位是关于如下的振动计而言的标准化：具有振动构件而没有边界构件的振动计，或者该振动计具有形成间隙的边界构件，该间隙非常宽以至于没有速度提升效应。
图表850包括标记出没有边界元件时的粘度灵敏度的线852。图8B还描绘了线854，线854遵循针对不同间隙大小的粘度灵敏度的实验结果。如从图8B中可以看到的，间隙大小为0.25毫米的振动计可以提供比没有边界元件并且因此没有间隙的振动计大了超过1000倍的粘度灵敏度的增加。没有边界元件的现有振动计已经被确定为具有大约1.949×10-10μPa.s的粘度灵敏度，因此0.25毫米间隙的粘度灵敏度为1.949×10-7μPa.s。类似地，间隙大小为0.15毫米的振动计可以提供比没有边界元件的振动计大了超过16000倍的粘度灵敏度。
图9A和图9B描绘了实验数据图表900和950，它们进一步表明了本申请的实施方式的有效性。图表900描绘了当被测气体在环境空气与氮气N2之间切换时，使用振动计测量的时间段(频率ω的倒数)的变化。与频率ω一样，测量的时间段与被测流体的密度成正比。现有振动计不能解决环境空气的密度与N2的密度之间的差异，但是由本申请的实施方式提供的改进提高了密度灵敏度，使得现在能够检测到差异。
图表950描绘了当被测气体在环境空气与氮气N2之间切换时测量的质量系数Q的变化。现有振动计不能解决环境空气与氮气N2之间的质量系数Q、或者粘度的差异。然而，本申请中描述的改进可以提高粘度灵敏度，使得现在能够检测到质量系数Q或粘度的差异。
因此，如可以看到的，通过使振动元件与边界元件之间的流体速度提升间隙308、408、508、754变窄，可以提高流体的平均位移速度，并且也可以提高振动计的密度灵敏度和粘度灵敏度。然而，如果间隙变得太窄，振动计的性能就会有限制。一个原因是，管理振动元件和边界元件的加工公差可能非常困难。另外，如果间隙太窄，可能引起振动计中不必要的压降。最后，如果间隙太窄，颗粒物可能在其中堆积，有可能引起流体堵塞。然而，已经在实验室中观察到，如果间隙大小在0.1毫米以上，这些问题通常不会发生。
在一实施方式中，间隙可以是0.25毫米宽或更小。在又一实施方式中，间隙可以是0.2毫米、或0.15毫米或更小。在又一实施方式中，间隙可以在0.2毫米与0.1毫米之间。在实施方式中，振动计可以在第一位置302与第二位置304之间移动0.1毫米。然而，在又一实施方式中，振动计可以在第一位置302与第二位置304之间移动1微米或更小。
在实施方式中，振动元件202可以包括第一齿234a，并且边界元件232可以包括壳体204。例如，图3A至图3C描绘了带有包括第一齿234a和第二齿234b的叉状件的振动计200。在第一齿234a与壳体204之间限定间隙308。在示例中，也可以在第二齿234b与壳体之间进一步限定间隙308。
在又一实施方式中，振动元件可以包括第一齿，并且边界元件可以包括第二齿。例如，图10描绘了振动计1000。除了振动计1000包括壳体1004外，振动计1000与振动计200类似，壳体1004按比例远远大于它所包围的振动元件1002的周缘。出于这个原因，壳体1004与振动元件1002之间的流体的平均位移速度不会受到壳体1004与振动元件1002之间的流体的运动的显著影响。
振动计1000替代地包括用作振动元件1002的第一齿1034a，与用作边界元件1032的第二齿1034b一起，限定可以增加流体的平均位移速度的间隙1008。出于与以上关于振动计200和700描述的原因类似的原因，振动计1000因此可以具有增加的密度灵敏度和粘度灵敏度。
在实施方式中，振动元件可以包括筒状件。例如，振动元件可以包括筒状件共振器，例如图4A中描绘的筒状件共振器。在又一实施方式中，振动元件可以包括平面共振器。例如，图5A和图5B描绘了示例平面共振器550。
在实施方式中，当被测流体为气体时，振动计的密度灵敏度可以大于1400ns/kg/m3。
在实施方式中，当流体为气体时，粘度灵敏度可以大于1.949×10-7μPa.s，如上所述。
图11描绘了根据实施方式的方法1100。方法1100开始于步骤1102。在步骤1102中，使用驱动器和电子设备在第一位置与第二位置之间驱动振动元件。例如，使用驱动器和电子设备在第一位置302与第二位置304之间驱动振动元件202，如以上关于振动计200所描述的。
方法1100继续进行步骤1104。在步骤1104中，使用传感器和电子设备确定振动元件的固有频率ω。例如，可以使用传感器和电子设备确定振动元件202的固有频率ω，如以上关于振动计200所描述的。
图12描绘了根据实施方式的方法1200。方法1200开始于步骤1202。在步骤1202中，提供振动元件。例如，可以提供振动元件202、402、502、702、1002，如上所述。
方法1200继续进行步骤1204。在步骤1204中，提供边界元件。例如，可以提供边界元件232、432、532、732、1032，如上所述。
方法1200继续进行步骤1206。在步骤1206中，将边界元件相邻联接至振动元件以限定间隙。例如，边界元件232、432、532、732、1032可以联接至振动元件202、402、502、702、1002以限定流体速度提升间隙308、408、508、754、1008，如上所述。
方法1200继续进行步骤1208。在步骤1208中，将电子设备联接至振动计。例如，电子设备118可以联接至振动计200、400、500、700、1000，如上所述。
以上实施方式的详细描述不是发明人设想的落入本说明书范围内的所有实施方式的详尽描述。实际上，本领域技术人员将认识到的是，上述实施方式的某些元件可以被不同地组合或移除以产生更多的实施方式，并且这些更多的实施方式落入本书明书的范围和教导内。对于那些本领域普通技术人员也将明显的是，上述实施方式可以全部或部分地组合以在本说明书的范围和教导内产生另外的实施方式。
因此，尽管本文出于说明性目的描述了具体实施方式，但是如相关领域技术人员将认识到的，在本说明书的范围内的各种等同修改也是可能的。本文提供的教导可以应用于其他振动计，而不仅是以上描述的和附图中示出的实施方式。因此，上述实施方式的范围应当由所附权利要求确定。
Claims (26)
1.一种振动计(200,400,500,700,1000)，包括：
振动元件(202,402,502,702,1002)，所述振动元件包括纵向方向(228)和垂直于所述纵向方向(228)的平面(231)内的横截面区域(230)，所述振动元件(202,402,502,702,1002)在垂直于所述纵向方向(228)的所述平面(231)内的第一位置(302)和第二位置(304)之间移动；
邻近于所述振动元件(202,402,502,702,1002)的边界元件(232,432,532,732,1032)；以及
电子设备(118)，所述电子设备能够操作以在所述第一位置(302)与所述第二位置(304)之间驱动所述振动元件(202,402,502,702,1002)；
其中，所述边界元件(232,432,532,732,1032)和所述振动元件(202,402,502,702,1002)在垂直于所述纵向方向(228)的所述平面(231)内限定流体速度提升间隙(308,408,508,754,1008)，当所述振动元件(202,402,502,702,1002)处于中立位置时，所述流体速度提升间隙(308,408,508,754,1008)在所述边界元件(232,432,532,732,1032)与所述振动元件(202,402,502,702,1002)之间具有平均间隙距离(309,409,509)，所述振动元件(202,402,502,702,1002)在面向具有间隙周缘长度的所述流体速度提升间隙(308,408,508,754,1008)的所述平面(231)的所述横截面区域(230)周围具有面向间隙的周缘部分(211)，并且所述间隙周缘长度与所述平均间隙距离(309,409,509)的比率至少为160。
2.一种振动计(200,400,500,700,1000)，包括：
振动元件(202,402,502,702,1002)，所述振动元件包括纵向方向(228)和垂直于所述纵向方向(228)的平面内(231)的横截面区域(230)，所述振动元件(202,402,502,702,1002)在垂直于所述纵向方向(228)的所述平面(231)内的第一位置(302)和第二位置(304)之间移动；
邻近于所述振动元件(202,402,502,702,1002)的边界元件(232,432,532,732,1032)；以及
电子设备(118)，所述电子设备能够操作以在所述第一位置(302)与所述第二位置(304)之间驱动所述振动元件(202,402,502,702,1002)，
其中，所述边界元件(232,432,532,732,1032)和所述振动元件(202,402,502,702,1002)在垂直于所述纵向方向(228)的所述平面(231)内限定流体速度提升间隙(308,408,508,754,1008)，当所述振动元件(202,402,502,702,1002)处于中立位置时，所述流体速度提升间隙(308,408,508,754,1008)在所述边界元件(232,432,532,732,1032)与所述振动元件(202,402,502,702,1002)之间具有平均间隙距离(309,409,509)，所述平均间隙距离(309,409,509)为0.25毫米或更小。
3.根据前述权利要求中任一项所述的振动计(200,400,500,700,1000)，其中，所述平均间隙距离(309,409,509)为0.2毫米或更小。
4.根据前述权利要求中任一项所述的振动计(200)，其中，所述振动元件(202)是第一齿(234a)，并且所述边界元件(232)是壳体(204)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的振动计(1000)，其中，所述振动元件(1002)是第一齿(1034a)，并且所述边界元件(1032)是第二齿(1034b)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的振动计(400)，其中，所述振动元件(402)是筒状件(116)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的振动计(500,700)，其中，所述振动元件(502,702)是平面共振器(550)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的振动计(200,400,500,700,1000)，其中，当所述流体为气体时，所述振动计(200,400,500,700,1000)的密度灵敏度大于1400ns/kg/m3。
9.根据前述权利要求中任一项所述的振动计(200,400,500,700,1000)，其中，当所述流体为气体时，粘度灵敏度大于1.949×10-7μPa.s。
10.一种使用由权利要求1或2中任一项限定的所述振动计(200,400,500,700,1000)来确定流体的粘度或密度的方法，所述方法包括：
使用驱动器(112)和电子设备(118)在所述第一位置(302)与所述第二位置(304)之间驱动所述振动元件(202,402,502,702,1002)；以及
使用传感器和所述电子设备(118)确定所述振动元件(202,402,502,702,1002)的固有频率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述平均间隙距离(309,409,509)为0.2毫米或更小。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(202)是第一齿(234a)，并且所述边界元件(232)是壳体。
13.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(1002)是第一齿(1034a)，并且所述边界元件(1032)是第二齿(1034b)。
14.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(202,402,502,702,1002)是筒状件(116)。
15.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(502)是平面共振器(550)。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，当所述流体为气体时，所述振动计(200,400,500,700,1000)的密度灵敏度大于1400ns/kg/m3。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，当所述流体为气体时，粘度灵敏度大于1.949×10-7μPa.s。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其中，在所述第一位置(302)与所述第二位置(304)之间驱动所述振动元件(202,402,502,702,1002)的驱动频率在600Hz以下。
19.一种用于组装由权利要求1至2中任一项限定的所述振动计(200,400,500,700,1000)的方法，所述方法包括：
提供所述振动元件(202,402,502,702,1002)；
提供所述边界元件(232,432,532,732,1032)；
将所述边界元件(232,432,532,732,1032)相邻地联接至所述振动元件(202,402,502,702,1002)以限定所述流体速度提升间隙(308,408,508,754,1008)；以及
将所述电子设备(118)联接至所述振动计(200,400,500,700,1000)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述平均间隙距离(309,409,509)为0.2毫米或更小。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(202)是第一齿，并且所述边界元件(232)是壳体。
22.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(1002)是第一齿(1034a)，并且所述边界元件(1032)是第二齿(1034b)。
23.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(202,402,502,702,1002)是筒状件(116)。
24.根据权利要求19至20中任一项所述的方法，其中，所述振动元件(502)是平面共振器(550)。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其中，当所述流体为气体时，所述振动计(200,400,500,700,1000)的密度灵敏度大于1400ns/kg/m3。
26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法，其中，当所述流体为气体时，粘度灵敏度大于1.949×10-7μPa.s。
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