CN115917291A - 用于计算振动计q值的方法和设备 - Google Patents

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CN115917291A CN202080102774.9A CN202080102774A CN115917291A CN 115917291 A CN115917291 A CN 115917291A CN 202080102774 A CN202080102774 A CN 202080102774A CN 115917291 A CN115917291 A CN 115917291A
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Abstract

提供一种振动计(100)，其可操作以确定其中流体的粘度和密度中的至少一个。振动计(100)包括驱动器(112)、可由驱动器(112)振动的振动元件(104)，并且该振动元件(104)可操作以与流体接触。振动传感器(114)被配置成检测振动元件(104)的振动响应。计量电子设备(118)被配置成向驱动器(112)发送激励信号并接收振动响应，并且还被配置成测量振动响应的第一振动响应点和第二振动响应点。第二振动响应点是从其他测量的响应点进行内插和外推之一。计量电子设备(118)还被配置成使用第一振动响应点和第二振动响应点来计算振动元件(104)的Q值。

Description

用于计算振动计Q值的方法和设备
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。构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。
粘度是描述流动阻力的流体特性。粘度的通常定义是流体的内摩擦的量度。特别地，当使一层流体相对于另一层移动时，这种内摩擦变得明显。因此，粘度通常被描述为材料的一个部分在该材料的另一部分上移动所经受的阻力。粘度通常用于表征石油流体，比如燃料、油和润滑剂，并且这些石油流体通常在石油产品的贸易和分类中进行指定。例如，石油产品的运动粘度通常通过标准方法以毛细管粘度计测量，该标准方法比如为由美国试验与材料协会(ASTM)D445标准描述的方法。这样的测量包括在给定温度下，在可重复力下，测量固定量的液体在重力作用下流动通过校准的玻璃毛细管的时间。毛细管粘度计主要由Hagen-Poiseuille方程进行定义。在牛顿流体中，剪切应力与剪切速率成比例，并且比例常数被称为粘度。
利用机械共振器，比如振动音叉的计量器可以通过平衡Navier Stokes方程和牛顿运动定律得到粘度，获得以下形式的方程：
Figure BDA0004038956070000011
其中，μ是流体粘度，ρ是流体密度，ω0是无阻尼的角共振频率(2πf0)，A是与真空中的共振器的Q值有关的常数，以及B是与传感器的刚度、质量和几何形状有关的常数。Q值是描述振荡器或共振器的欠阻尼情况的无量纲参数。
密度和共振频率通过以下形式的方程相关：
Figure BDA0004038956070000021
其中，C和D是与共振器的刚度、质量和几何形状有关的常数，因此给出：
Figure BDA0004038956070000022
为了简单起见，共振频率可以视为与f0相同，f0是无阻尼共振频率。对于许多实际应用，粘度传感器将在与现场测量的流体类似的流体上进行校准，并且因此频率将不变，因此频率可以视为常数，并且因此方程可以采取类似于以下的形式：
Figure BDA0004038956070000023
其中，E本质上是基于传感器的刚度、质量和几何形状以及标称共振频率的常数。所提供的方程作为非限制性示例提供。
使用振动传感器测量液体粘度的原理是众所周知的。其示例是基于振动元件原理，由此共振特性受流体的密度和粘度影响的微动叉式粘度计(Micro Motion ForkViscosity Meter，FVM)。FVM利用该工作原理来确定液体粘度。特别地，通过测量共振的品质因数(Q值)并因此测量共振器的阻尼来确定粘度。例如，但不限于，方程5描述了一种用于确定粘度的可能方法：
粘度＝V0+V2/Q2       (5)
其中：
V0和V2是校准常数。
Q值可以通过谐振频率除以带宽来测量，如下所示：
其中：
Figure BDA0004038956070000031
Figure BDA0004038956070000032
几何Q值可以计算为：
Figure BDA0004038956070000033
其中：
TA是前3dB带宽测量点的时间点
TB是后3dB带宽测量点的时间点
图1以时间段的形式图示了3dB时间点TA和TB。图2以频率的形式图示了3dB时间点F1、F0和F2。
交替测量前3dB点和后3dB点的方法的一个缺点是，在B点的测量与在A点的测量不是同时进行的。因此，如果流体密度在变化，则进行错误的Q值测量。这在图3中以频率的形式示出。将明显的是，F1在奇数样品号上更新，F2在偶数样品号上更新。Q值在每个周期使用F1和F2的最新值计算，因此F1或F2将会过时一个周期，并且在这种情况下，即使带宽和Q值应当相对恒定，计算出的Q值也会高低振荡。
Q值对频率或时间段的变化非常敏感，这就是为什么需要一种改进的方法。再次转向图3，例如，频率标称为1350Hz，并且频率变化约为每个样品0.09Hz。虽然频率漂移非常小，但是对于Q值测量的结果振荡为每个样品1％(见图7)。也就是说，对Q值的影响比基础频率漂移大100倍以上。这种漂移可能是流体成分稳定变化的结果，也可能是由温度变化引起的。
本实施方式涉及用于获得对应于同一时刻的F1和F2的读数的设备和方法，使得即使流体密度在变化，Q值测量也更加准确。
发明内容
根据一个实施方式，提供了可操作来确定其中流体的粘度和密度中的至少一个的振动计。振动计包括驱动器和可由驱动器振动的振动元件，并且该振动元件可操作以与流体接触。振动传感器被配置成检测振动元件的振动响应。计量电子设备被配置成向驱动器发送激励信号并接收振动响应，并且还被配置成测量振动响应的第一振动响应点和计算振动响应的第二振动响应点，其中第二振动响应点是从其他测量的响应点进行内插和外推之一，并且其中，计量电子设备还被配置成使用第一振动响应点和第二振动响应点计算振动元件的Q值。
根据一个实施方式，提供了使用振动计确定流体的粘度或密度的方法。该方法包括向驱动器发送激励信号，并利用驱动器驱动振动元件。检测振动元件的振动。测量振动响应的第一振动响应点。计算振动响应的第二振动响应点，其中第二振动响应点是从其他测量的响应点进行内插和外推之一。使用第一振动响应点和第二振动响应点计算振动元件的Q值。
各方面
根据一个方面，振动计可操作来确定其中流体的粘度和密度中的至少一个。振动计包括驱动器和可由驱动器振动的振动元件，并且该振动元件可操作以与流体接触。振动传感器被配置成检测振动元件的振动响应。计量电子设备被配置成向驱动器发送激励信号并接收振动响应，并且还被配置成测量振动响应的第一振动响应点和计算振动响应的第二振动响应点，其中第二振动响应点是从其他测量的响应点进行内插和外推之一，并且其中，计量电子设备还被配置成使用第一振动响应点和第二振动响应点计算振动元件的Q值。
优选地，计量电子设备被配置成使用Q值来确定流体的粘度
优选地，第一振动响应点包括前3dB带宽测量点和后3dB带宽测量点之一，并且第二振动响应包括前3dB带宽测量点和后3dB带宽测量点之一，并且第二振动响应点不同于第一振动响应点。
优选地，第一振动响应点和第二振动响应点包括频率。
优选地，第一振动响应点和第二振动响应点包括时间段。
优选地，振动元件是悬臂式的。
优选地，振动响应的第一振动响应点和第二振动响应点对应于同一时刻。
优选地，其他测量的响应点包括至少两个点。
根据一个方面，提供了使用振动计确定流体的粘度或密度的方法。该方法包括向驱动器发送激励信号，并且利用驱动器驱动振动元件。检测振动元件的振动。测量振动响应的第一振动响应点。计算振动响应的第二振动响应点，其中第二振动响应点是从其他测量的响应点进行内插和外推之一。使用第一振动响应点和第二振动响应点计算振动元件的Q值。
优选地，该方法包括使用Q值确定流体的粘度的步骤。
优选地，第一振动响应点包括前3dB带宽测量点和后3dB带宽测量点之一，并且第二振动响应包括前3dB带宽测量点和后3dB带宽测量点之一，并且第二振动响应点不同于第一振动响应点。
优选地，第一振动响应点和第二振动响应点包括频率。
优选地，第一振动响应点和第二振动响应点包括时间段。
优选地，振动响应的第一振动响应点和第二振动响应点对应于同一时刻。
优选地，其他测量的响应点包括至少两个点。
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，这些附图不一定按比例绘制。
图1以时间段形式示出了3dB时间点TA和TB；
图2以频率形式示出了3dB时间点F1和F2；
图3示出了与Q值计算相关的3dB点的现有技术测量；
图4示出了振动计；
图5示出了根据实施方式的与Q值计算相关的3dB点的测量；
图6示出了根据替选实施方式的与Q值计算相关的3dB点的测量；
图7示出了现有技术随时间测量的Q值与根据实施方式测量的Q值的比较；
图8示出了根据实施方式的计量电子设备；以及
图9示出了根据实施方式的计算Q值的方法。
具体实施方式
图1至图9和以下描述描绘了以下特定示例，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。
所提供的实施方式涉及密度计和粘度计以及用于准确计算振动构件的Q值测量的相关方法。特别地，前3dB带宽测量点(TA)和后3dB带宽测量点(TB)的读数被用在对应于同一时刻的Q值测量计算中，使得即使流体密度在变化，Q值测量也保持准确。
图4描绘了振动计100。例如，振动计100可以被配置成测量诸如液体或气体的流体的密度和/或粘度。振动计100包括壳体102，其中振动元件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的一部分被切掉。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。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。振动元件104可以采取管、片、改进的片、叉(如所示出的)、杆或本领域已知的任何其他形状的形式。振动元件104可以在一端或两端固定，并且在一些实施方式中可以是悬臂式的，例如所示出的。根据所示出的示例，振动元件104可以包括靠近第一端部106的多个流体孔口(未示出)。可以提供流体孔口以允许进入振动计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。
图4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可以包括线圈，但是其他实现方式也是可能的，例如压电传感器、光学传感器、应变仪等。如果向线圈提供电流，则在振动元件104中感应出磁场，引起振动元件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、以及离筒状件短距离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液体的密度。共振响应或质量系数也可以用于确定流体的粘度。如果存在被测流体，则振动元件104的Q值将与流体粘度成反比地变化。
在实施方式中，测量第一频率响应点和第二频率响应点以用于Q值计算。替选地，测量第一时间点和第二时间点。转向图3和图4，在实施方式中，对于前3dB带宽测量点(F1)和后3dB带宽测量点(F2)中的至少一个，振动元件104的频率响应的读数将拟合直线，使得使用来自相同时间段的两个值。如所示出的，这样的值可以是连续的，或者是非连续的。这样的读数由计量电子设备118计算。应当注意，可以针对3dB带宽测量点使用时间段或频率。
在图5中，通过示例示出了在实际测量的点之间内插F1值。在这种情况下，在样品号4与6之间为F2内插值。将清楚的是，该时间点对应于测量F1的点，即样品5。该点对应于图5中所示的箭头。然后，在F1值测量时，结合测量的F1值使用内插的F2值来计算Q值。应当注意，这仅仅是示例，并且F1值可以被内插，其中F2测量被用于Q值计算。此外，样品号也仅是出于说明性示例的目的而提供的，并且可以使用任何连续或非连续的样品号。
这种方法的缺点是Q值的计算总是滞后于实时测量。图6中示出了不会导致滞后的替选方法。在该实施方式中，在样品号2和4处的连续F2测量之间拟合线，并且然后外推至取得样品号5的时间点。该点对应于图6中所示的箭头。应当再次注意，这仅仅是示例，并且F1值可以外推，其中F2测量用于Q值计算。此外，样品号也仅是出于示例的目的而提供的，并且可以使用任何连续或非连续的样品号。
在以上示例中，仅两个点用于计算内插值或外推值。多点、平均、移动平均、斜率方程等及其组合也可以用于计算内插值和/或外推值。
图7示出了计算的Q值随时间变化的性质，其中密度利用现有技术装置采用的偏移3dB带宽测量点而变化。将清楚的是，测量的Q值是不稳定的。叠加在这条线上的是作为内插或外推的结果的改进的Q值测量的示例，如图3和图4所示。
图8是根据实施方式的计量电子设备118的框图。在操作中，振动计100提供可以输出的各种测量值，包括密度、粘度和流速的测量值或平均值中的一个或更多个。
振动计100产生振动响应。振动响应由计量电子设备118接收和处理以生成一个或更多个流体测量值。可以监测、记录、保存、总计和/或输出这些值。
计量电子设备118包括接口201、与接口201通信的处理系统200、以及与处理系统200通信的存储系统202。尽管这些部件被示出为不同的框，但是应当理解，计量电子设备118可以包括集成和/或分立部件的各种组合。
接口201可以被配置成联接至引导部并且例如与驱动器112、振动传感器114以及温度或压力传感器(未示出)交换信号。接口201还可以被配置成通过通信路径与外部装置通信。
处理系统200可以包括任何方式的处理系统。处理系统200被配置成取回并执行所存储的例程，以便操作振动计100。存储系统202可以存储包括通用计量器例程204的例程。存储系统202可以存储测量结果、所接收的值、工作值和其他信息。在一些实施方式中，存储系统存储质量流量(m)220、密度(ρ)208、粘度(μ)210、温度(T)212、压力214、驱动增益205、频率和/或时间段216、Q值218、诸如驱动增益例程206的例程以及本领域已知的任何其他变量或例程。其他测量/处理例程是可以预期的并且在说明书和权利要求的范围内。
通用计量器例程204可以产生并且存储流体定量值和流量测量值。例如，通用计量器例程204可以产生粘度测量值和/或密度测量值，并且将粘度测量值存储在存储系统202的粘度210存储装置中，以及将密度测量值存储在存储系统202的密度208存储装置中。如先前所讨论的并且本领域已知的，可以由Q值218确定粘度210值。
图9描绘了根据实施方式的方法。该方法从步骤300开始。在步骤300中，由驱动器112驱动振动元件100振动。控制驱动器112的激励信号从计量电子设备118发送。
该方法继续到步骤302。在步骤302中，检测振动元件104的振动。
在步骤304中，测量振动响应的第一振动响应点。
在步骤306中，计算振动响应的第二振动响应点。第二振动响应点是经由从其他测量的响应点进行内插和外推之一来计算的。
如本文所描述的，在步骤308中，使用第一振动响应点和第二振动响应点计算振动元件104的Q值。
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 (15)

1.一种振动计(100)，其可操作以确定其中流体的粘度和密度中的至少一个，包括：
驱动器(112)；
振动元件(104)，其可由所述驱动器(112)振动，并且可操作以与所述流体接触；
振动传感器(114)，其被配置成检测所述振动元件(104)的振动响应；
计量电子设备(118)，其被配置成向所述驱动器(112)发送激励信号并接收所述振动响应，并且还被配置成测量所述振动响应的第一振动响应点和计算所述振动响应的第二振动响应点，其中，所述第二振动响应点是从其他测量的响应点进行内插和外推之一，并且其中，所述计量电子设备(118)还被配置成使用所述第一振动响应点和所述第二振动响应点来计算所述振动元件(104)的Q值。
2.根据权利要求1所述的振动计(100)，其中，所述计量电子设备(118)被配置成使用所述Q值来确定所述流体的粘度。
3.根据权利要求1所述的振动计(100)，其中，所述第一振动响应点包括前3dB带宽测量点(F1)和后3dB带宽测量点(F2)之一，并且所述第二振动响应包括前3dB带宽测量点(F1)和后3dB带宽测量点(F2)之一，并且所述第二振动响应点不同于所述第一振动响应点。
4.根据权利要求3所述的振动计(100)，其中，所述第一振动响应点和所述第二振动响应点包括频率。
5.根据权利要求3所述的振动计(100)，其中，所述第一振动响应点和所述第二振动响应点包括时间段。
6.根据权利要求1所述的振动计(100)，其中，所述振动元件(104)是悬臂式的。
7.根据权利要求1所述的振动计(100)，其中，所述振动响应的所述第一振动响应点和所述第二振动响应点对应于同一时刻。
8.根据权利要求1所述的振动计(100)，其中，所述其他测量的响应点包括至少两个点。
9.一种使用振动计(100)确定流体的粘度或密度的方法，包括：
向驱动器(112)发送激励信号；
利用所述驱动器(112)驱动振动元件(104)；
检测所述振动元件(104)的振动；
测量所述振动响应的第一振动响应点；
计算所述振动响应的第二振动响应点，其中，所述第二振动响应点是从其他测量的响应点进行内插和外推之一；
使用所述第一振动响应点和所述第二振动响应点计算所述振动元件(104)的Q值。
10.根据权利要求9所述的方法，包括使用所述Q值确定所述流体的粘度的步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一振动响应点包括前3dB带宽测量点(F1)和后3dB带宽测量点(F2)之一，并且所述第二振动响应包括前3dB带宽测量点(F1)和后3dB带宽测量点(F2)之一，并且所述第二振动响应点不同于所述第一振动响应点。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一振动响应点和所述第二振动响应点包括频率。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一振动响应点和所述第二振动响应点包括时间段。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述振动响应的所述第一振动响应点和所述第二振动响应点对应于同一时刻。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述其他测量的响应点包括至少两个点。
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