NO338484B1 - Tetthets- og viskositetssensor og fremgangsmåte for bruk av samme - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Oppfinnelsen vedrører en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid. Sensoren baserer seg på bruk av mekaniske elementer som settes i vibrasjon i fluidet som skal måles.

Oppfinnelsen kan anvendes for densitets- og viskositetsmålinger i oljebransjen, i den kjemiske industrien, i matvarebransjen, etc.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Densitet er et mål på et mediums masse per volumenhet. Sl-enheten for densitet er kilogram pr. kubikkmeter (kg/m<3>). Som eksempler er ved normale tem-peratur- og trykkbetingelser densiteten til vann og etylalkohol henholdsvis 1000 kg/m<3>og 790 kg/m<3>.

Viskositet er et mål på et fluids motstand mot deformasjon under skjærspenninger. Viskositet beskriver et fluids indre motstand mot å strømme og kan tenkes på som et mål på fluidfriksjon. Den fysiske Sl-enheten for dynamisk viskositet er pascalsekund (Pa.s). Den fysiske cgs-enheten for dynamisk viskositet er poise (P). Det er mer vanlig, spesielt i ASTM standarder, å måle den i centipoise (cP). Som et eksempel har vann en viskositet på 0,001 Pa.s (1,0 cP)

(ved 20°C).

Fra patentdokumentet EP0282251 er det kjent en omformer for å måle densiteten eller viskositeten til fluid. Omformeren omfatter to parallelle gaffeltinder som står ut fra en felles stamme og danner en stemmegaffel innrettet for å neddykkes i fluidet. Gaffeltindene eksiteres til å vibrere i resonans og i motfase av ett eller flere piezoelektriske eksitasjonselementer, som er inneholdt i ett eller flere hulrom i gaffeltindene eller stammen. Vibrasjonene måles av ett eller flere tilsvarende anordnede piezoelektriske måleelementer. Denne omformen har typisk en størrelse på flere centimeter, noe som krever et stort og kostbart sensor hus. Dette resulterer i en veldig inngripende måleanordning som dermed ikke kan benyttes i små prøvekamre eller små rør. Videre er også drift under høyt trykk og høy tempe-ratur veldig vanskelig som følge av den store størrelsen.

US 5323638 A beskriver en sensor for bruk ved bestemmelse av fysiske egenskaper til fluid, som omfatter en fleksibelt membran som har et plan. To spisser henger ned fra membranen i hovedsaken i rett vinkel på planet. En første og andre i hovedsaken plane transdusere er hver bundet til membranen slik at planet av transduserne er parallell med planet til membranen. En første én av transduserne er operativ for å bøye seg mellom sine plan, og for å kople en vekslende drivende kraft inn i planet til membranen slik at spissene vibrere i en oscillerende bevegelse. En andre av transduserne er innrettet for å detektere vibrasjoner i membranen.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Ett mål med oppfinnelsen er å foreslå en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid som løser minst ett av problemene med kjent teknikk.

Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen er eksitasjons-/deteksjonsprosessen for sensoren ifølge oppfinnelsen basert på overføring av et mekanisk signal gjennom en membran som på den ene siden har et aktivator-/detektorelement isolert fra fluidet, og på den andre siden et resonanselement neddykket i fluidet. Mer spesifikt omfatter densitets- og viskositetssensoren ifølge oppfinnelsen et resonanselement innrettet for å neddykkes i fluidet, et aktivator-/detektorelement koblet til resonanselementet og en kobling for tilkobling til aktivator-/detektorelementet. Sensoren omfatter videre et hus som definerer et kammer som er isolert fra fluidet, der huset omfatter et område med redusert tykkelse som definerer en membran som skiller kammeret fra fluidet. Aktivator-/detektorelementet er anordnet inne i kammeret slik at det er isolert fra fluidet og mekanisk koblet til membranen. Resonanselementet innrettet for å neddykkes i fluidet, er mekanisk koblet til membranen. Membranen har en tykkelse som sørger for trykkbestandighet og muliggjør overføring av mekanisk vibrasjon mellom aktivator-/detektorelementet og resonanselementet. Den resulterende membranstivheten gjør det mulig å avkoble egenskapene til resonanselementet fra aktivator-/detektorelementet.

Mer spesifikt omfatter densitets- og viskositetssensoren ifølge oppfinnelsen et resonerende element innrettet for å neddykkes i fluidet, et aktivator-/detektorelement koblet til resonanselementet samt en kobling for tilkobling til aktivator-/detektorelementet. Sensoren omfatter videre et hus som definerer et kammer som er isolert fra fluidet, der huset omfatter et område med redusert tykkelse som definerer en membran som skiller kammeret fra fluidet. Aktivator-/detektorelementet er anordnet inne i kammeret slik at det er isolert fra fluidet og mekanisk koblet til membranen. Resonanselementet innrettet for å neddykkes i fluidet, er mekanisk koblet til membranen. Membranen har en tykkelse som muliggjør overføring av mekanisk vibrasjon mellom aktivator-/detektorelementet og resonanselementet. Resonanselementet kan være mekanisk koblet til membranen av et mekanisk koblingselement. Området med redusert tykkelse kan danne et hulrom der aktivator-/detektorelementet er festet. Aktivator-/detektorelementet kan omfatte minst ett piezoelektrisk element. Det piezoelektriske elementet har en første og en andre side, der den første siden er koblet til koblingen av en koblingstråd og den andre siden står i elektrisk forbindelse med membranen. Det piezoelektriske elementet kan presses mot membranen av en plugganordning som skrus inn i hulrommet. Pluggen omfatter et hull for tilkobling av koblingstråden. Koblingen kan være en koaksialkobling med en utvendig metalldel i kontakt med huset og en innvendig metalldel koblet til koblingstråden, der den utvendige og den innvendige metalldelen er atskilt av et isolerende element. Sensoren kan videre omfatte en termistor anordnet inne i kammeret. Sensoren kan omfatte en elektronisk innretning for å bringe aktivator-/detektorelementet fra en aktiveringsmodus til en detekteringsmodus og omvendt. Resonanselementet omfatter en første stang for å måle et første område av densitet og viskositet. Det kan videre omfatte i hvert fall en andre stang for å måle et andre område av densitet og viskositet. Resonanselementet kan velges fra gruppen av resonerende elementer som omfatter:

- en enkeltstang festet til koblingselementet ved midten,

- en enkeltstang festet til koblingselementet ved den ene enden,

- en U-formet stang med en første aksiell del koblet til en andre bøyd del festet til koblingselementet ved den ene enden, og - en dobbeltstang omfattende en første stang og en andre stang festet til hverandre, der den første stangen er festet til koblingselementet.

Stangen kan tjenlig omfatte i hvert fall en metalltråd rettet langs fluidstrøm-ningsretningen.

Ifølge et andre aspekt ved oppfinnelsen er fremgangsmåten for å måle densiteten og viskositeten til et fluid basert på en gitt eksitasjons-/deteksjonspro-sess. Eksitasjons-/deteksjonsprosessen baseres seg på en grunnsekvens som omfatter tre faser: en eksitasjonsfase, en ventefase og en deteksjonsfase. Under eksitasjonsfasen påføres et eksitasjonssignal med en initiale frekvens bestående av M perioder på aktivator-/detektorelementet (for eksempel kan M være lik 4). Ventefasen har en varighet på N perioder (for eksempel kan N være lik 1). Detek-sjonsfasen har en varighet på P perioder (for eksempel kan P være lik 3). Grunnsekvensen gjentas K ganger (for eksempel kan K være i samme størrelsesorden som kvalitetsfaktoren Q) for den initiale frekvensen, og muliggjør således bestemmelse av en målt eller faktisk i-fase-spektralkomponent og en målt eller faktisk kvadratur-spektralkomponent.

Ifølge et første alternativ gjentas disse trinnene for forskjellige frekvenser mellom initialfrekvensen og den siste frekvensen som omfatter resonansfrekvensen til resonanselementet. Det oppnås et målt eller faktisk i-fase-spektrum og kvadraturspektrum.

Ifølge et andre alternativ gjentas disse trinnene for forskjellige frekvenser mellom initialfrekvensen og den siste frekvensen som omfatter resonanselementets resonansfrekvens, og for to forskjellige verdier av antallet perioder N (for eksempel for N=1 og for N=4). Bestemmelsen av en målt i-fase-spektralkomponent og en målt kvadratur-spektralkomponent består i å beregne forskjellen mellom i-fase-spektralkomponentene oppnådd for de to forskjellige verdiene av antall perioder N. Det samme gjøres for kvadratur-spektralkomponentene. Det oppnås et målt eller faktisk i-fase-spektrum og kvadraturspektrum.

Deretter foretas en parametrisert identifisering av i-fase-spekteret og kvadraturspekteret. Den parametriserte identifiseringen omfatter det å sammenlikne det målte spekteret med et teoretisk spektrum beregnet basert på flere diskrete verdier for kvalitetsfaktor /resonansferkvens-par. For hvert kvalitetsfaktor/resonansfrekvens-par beregnes en første og en andre korrelasjonskoeffisient henholdsvis for i-fase-spekteret og kvadraturspekteret. Det kvalitetsfaktor/resonansfrekvens-paret som svarer til et maksimum for den normaliserte summen av den første og den andre korrelasjonskoeffisienten bestemmer kvalitetsfaktoren og resonansfrekvensen for resonanselementet i fluidet som skal måles.

Mer spesifikt omfatter fremgangsmåten for å måle densitet og viskositet ifølge oppfinnelsen de trinn å: a) påføre et eksitasjonssignal på en resonerende anordning som innbefatter et aktivator-/detektorelement og et resonerende element innrettet for å neddykkes

i fluidet, der eksitasjonssignalet har en første frekvens,

b) detektere et mottakssignal frembrakt av den resonerende anordningen, c) gjenta trinnet med å påføre et eksitasjonssignal og trinnet med å detektere et mottakssignal for forskjellige frekvenser slik at et område av frekvenser gjennomløpes i henhold til et frekvensinkrement, d) bestemme en faktisk i-fase-sensorrespons og en faktisk kvadratur-sensorrespons basert på mottakssignalet detektert i det aktuelle frekvensområdet, e) beregne en modellert i-fase-sensorrespons og en modellert kvadratur-sensorrespons basert på en initiell resonansfrekvens og en initiell kvalitetsfaktor

for resonanselementet,

f) sammenlikne den modellerte i-fase-sensorresponsen med den faktiske i-fase-sensorresponsen og den modellerte kvadratur-sensorresponsen med den

faktiske kvadratur-sensorresponsen ved å bestemme en tilhørende korrelasjonskoeffisient,

g) gjenta beregningstrinnet og sammenlikningstrinnet med en modifisert resonansfrekvens og en modifisert kvalitetsfaktor og lagre et bestemt antall sett av

resonansfrekvens, kvalitetsfaktor og tilhørende korrelasjonskoeffisient,

h) bestemme en resulterende resonansfrekvens og en resulterende kvalitetsfaktor for resonanselementet i fluidet basert på det funnede antallet tilhørende

korrelasjonskoeffisienter, og

i) bestemme fluidets densitet og viskositet basert på den resulterende resonansfrekvensen, den resulterende kvalitetsfaktoren og en fornuftig eksakt analytisk modellering av resonanselementet.

Trinnene med sammenlikning og bestemmelse av resonansfrekvens/kvalitetsfaktor kan være basert på parametrisk identifikasjon, bestående av å: - beregne en normalisert korrelasjonskoeffisientsum for hver modellerte sensorrespons beregnet for det funnede antallet resonansfrekvenser og kvalitetsfaktorer for resonanselementet, og - bestemme den resulterende resonansfrekvensen og den resulterende kvalitetsfaktoren som svarer til et resonansfrekvens/kvalitetsfaktor-par som er forbundet med den høyeste normaliserte korrelasjonskoeffisientsummen.

Ifølge et første eksitasjonsskjema har eksitasjonssignalet en bestemt frekvens som gjentas et antall ganger, og den faktiske i-fase-sensorresponsen og den faktiske kvadratur-sensorresponsen bestemmes basert på et gjennomsnitt av mottakssignalene for hver frekvens detektert i det aktuelle frekvensområdet.

Ifølge et andre eksitasjonsskjema omfatter eksitasjonssignalet et første eksitasjonssignal og et andre eksitasjonssignal, der det første eksitasjonssignalet har et første antall perioder og det andre eksitasjonssignalet har et andre antall perioder. Eksitasjonssignalene gjentas med forskjellige frekvenser slik at et område av frekvenser gjennomløpes i henhold til et frekvensinkrement, og et første mottakssignal er forbundet med det første eksitasjonssignalet og et andre mottakssignal er forbundet med det andre eksitasjonssignalet. Den faktiske i-fase-sensorresponsen bestemmes basert på en subtraksjonsoperasjon mellom den faktiske i-fase-sensorresponsen forbundet med det første mottakssignalet og den faktiske i-fase-sensorresponsen forbundet med det andre mottakssignalet. Den faktiske kvadratur-sensorresponsen bestemmes basert på en subtraksjonsoperasjon mellom den faktiske kvadratur-sensorresponsen forbundet med det første mottakssignalet og den faktiske kvadratur-sensorresponsen forbundet med det andre mottakssignalet.

Følgelig er ifølge oppfinnelsen eksitasjons-/detektorelementene fullstendig isolert fra fluidet. Ettersom det hva angår sensoren kun er resonanselementet og en del av huset som er neddykket i fluidet, har sensoren ifølge oppfinnelsen høy kjemisk bestandighet, høy trykkbestandighet og høy temperaturbestandighet. Sensorens oppbygning sørger for minimal inngripen i fluidstrømningskanalen der målingene gjøres, slik at en unngår forstyrrelse av fluidstrømningen, erosjons-problemer, mulig plugging samt sikrer at sensoren er pålitelig over lang tid.

Videre, siden aktivator-/detektordelen er avkoblet fra den resonerende delen, gir den full frihet i valg av materiale for resonanselementet, uavhengig av dets elektriske egenskaper. Spesielt kan sterkt korrosjonsbestandige legeringer eller krystaller med høy styrke anvendes.

Videre, ettersom det ikke finnes noen elektrisk gjennomføring mellom resonanselementet og aktivator-/detektorelementet, kan sensorhuset være laget av en enkel og robust monolittisk blokk. Følgelig reduseres omfanget av tempera-turskapte spenningseffekter. Sensoren kan miniatyriseres i forhold til kjente sensorer og er velegnet for bruk i vanskelige miljøer. Den er også velegnet for billig produksjon.

Endelig muliggjør målemetoden ifølge oppfinnelsen en drastisk reduksjon av offset og bakgrunnsstøy. Dette gir et betydelig bredere bruksområde for sensoren og en betydelig forbedring av densitets-/viskositetsprediksjonenes robusthet og nøyaktighet.

Foreliggende oppfinnelse er særlig egnet til å tilveiebringe en tetthets og viskositets sensor for måling av tetthet og viskositet av et fluid, sensoren omfatter et resonanselement som er innrettet til å være nedsenket i fluidet, en aktivator- / detektorelement som er koblet til resonanselementet, og en kontakt for tilkobling til aktivator- / detektorelementet, hvor: - sensoren videre omfatter et hus som avgrenser et kammer isolert fra fluidet, huset omfatter et område med redusert tykkelse som definerer en membran som skiller kammeret fra fluidet, der huset har et område som er i kontakt med fluidet som skal måles, -aktivator- / detektorelementet er anordnet inne i kammeret slik at det er isolert fra fluidet og er mekanisk koblet til membranen, - resonanselementet er innrettet til å være nedsenket i fluidet og er mekanisk koblet til membranen, og - membranen har en tykkelse som tillater overføring av mekanisk vibrasjon mellom aktivator- / detektorelementet og resonanselementet;

hvor resonanselementet omfatter en første bjelke som er mekanisk koblet til membranen av et mekanisk koblingselement for å være tilnærmet parallelt anordnet med området av sensorhuset som er i kontakt med fluidet som skal måles.

Foreliggende oppfinnelse er videre egnet til å tilveiebringe en fremgangsmåte for måling av tetthet og viskositet i et fluid som omfatter trinnene: a) å påføre et eksitasjonssignal til en resonansanordning omfattende et hus med en membran og et område i kontakt med fluidet som skal måles, en aktivator- / detektorelement og et resonanselement anordnet for å bli nedsenket i fluidet, resonanselementet omfatter en første bjelke mekanisk koblet til membranen av et mekanisk koblingselement slik at den er tilnærmet parallell til det området av sensorhuset som er i kontakt med fluidet som skal måles, eksitasjonssignalet har en første frekvens,

b) å detektere et mottakssignal levert av resonansanordningen,

c) å repetere eksitasjonssignaltrinnet, og deteksjonstrinnet av

mottakssignalet ved forskjellige frekvenser, slik at et område av frekvenser

er sveipet i henhold til et frekvensinkrement,

d) å bestemme en i-fase-sensor faktiske respons og en kvadratur-sensor faktiske respons basert på mottaket av signaler som detekteres i

frekvensområdet, hvor fremgangsmåten videre omfatter følgende trinn: e) å beregne en i-fase-sensor modell respons og en kvadratur-sensor modell respons basert på en første resonansfrekvens og en innledende

kvalitetsfaktor til resonanselementet,

f) å sammenligne i-fase-sensor modell responsen med den i-fase-sensor faktiske responsen, og den kvadratur-sensor modell responsen med den

kvadratur-sensor faktiske responsen ved bestemmelse av en assosiert korrelasjonskoeffisient, g) å gjenta beregningstrinnet og sammenligningstrinnet med en modifisert resonansfrekvens og en modifisert kvalitetsfaktor og å memorere et

bestemt antall av resonansfrekvenser, kvalitetsfaktor og tilhørende korrelasjonskoeffisient,

h) å bestemme en resulterende resonansfrekvens og en resulterende kvalitetsfaktor til resonanselementet i fluidet basert på det fastslåtte antall

assosierte korrelasjonskoeffisienter, og

i) bestemmelse av tetthet og viskositet av fluidet basert på den resulterende resonansfrekvens, den resulterende kvalitetsfaktor og en i det vesentlige nøyaktig analytisk modellering av resonanselementet.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Foreliggende oppfinnelse skal belyses ved hjelp av eksempler, og er ikke begrenset til det vist i de vedlagte figurene, der like referansenummer angir tilsvarende elementer: Figurene 1, 2, 3, 4 og 5 er henholdsvis perspektivskisser sett skrått nedenfra og skrått ovenfra samt snitt sett rett fra undersiden, rett ovenfra og fra siden, og viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge en første utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 6.A er et tverrsnitt langs linjen AA i figur 5, og viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge en første utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 6.B er et tverrsnitt langs linjen AA i figur 5, og viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge en variant av den første utførelses-formen av oppfinnelsen; Figur 6.C er et tverrsnitt langs linjen AA i figur 5, og viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge en annen variant av den første ut-førelsesformen av oppfinnelsen; Figurene 7.A og 7.B er perspektivskisser av et piezoelektrisk element ifølge henholdsvis en første og en andre variant; Figurene 8.A, 8.B og 8.C viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge en andre utførelsesform av oppfinnelsen, henholdsvis sett fra siden, fra undersiden og i en perspektivskisse sett skrått nedenfra; Figurene 9.A, 9.B og 9.C viser en sensor for måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, henholdsvis sett fra siden, fra undersiden og i en perspektivskisse sett skrått nedenfra Figurene 10.A, 10.B og 10.C viseren sensor for måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge en fjerde utførelsesform av oppfinnelsen, henholdsvis sett fra siden, fra undersiden og i en perspektivskisse sett skrått nedenfra; Figur 11 illustrerer skjematisk en elektronisk innretning tilknyttet sensoren ifølge oppfinnelsen; Figurene 12.A og 12.B illustrerer skjematisk eksitasjons- og deteksjonsprosessen for sensoren ifølge henholdsvis en første variant og en andre variant; Figur 13 er et tverrsnitt som viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid anordnet i en kanal, og illustrerer måleprinsippet ifølge oppfinnelsen; Figur 14 er en diagrammatisk illustrasjon av en fremgangsmåte for å måle densiteten og viskositeten til et fluid ifølge oppfinnelsen; Figur 15 viser et faktisk kvadratur-sensorresponsspekter basert på målinger og et modellert kvadratur-responsspekter basert på beregninger; Figur 16 viser et faktisk i-fase-sensorresponsspekter basert på målinger og et modellert i-fase-responsspekter basert på beregninger; Figurene 17.A og 17.B er henholdsvis en perspektivskisse og et tverrsnitt som viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid koblet til en kanal ifølge en første variant; og Figurene 18.A og 18.B er henholdsvis en perspektivskisse og et tverrsnitt som viser en sensor for å måle densiteten og viskositeten til et fluid koblet til en kanal ifølge en andre variant.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Figurene 1 til 5 viser densitets- og viskositetssensoren 1 ifølge oppfinnelsen. Densitets- og viskositetssensoren 1 omfatter et hus 2. Huset 2 omfatter en kobling 7, for eksempel en standard koaksialkobling. Huset 2 kan omfatte et spor 10 for en O-ringtetning (ikke vist). Tetningen isolerer en fluidkontaktside FCS (Fluid Contacting Side) fra sensortilkoblingssiden SCS (Sensor Connecting Side). Fluidkontaktsiden kan være eksponert for et vanskelig miljø (høyt trykk, korrosivt fluid). Sensortilkoblingssiden er typisk under atmosfærisk trykk. Sensoren omfatter et resonerende element 3A. Resonanselementet 3A er koblet til huset 2 av et mekanisk koblingselement 5. I utførelsesformen illustrert i figurene 1 til 6B er resonanselementet 3A i form av én enkelt stang festet på midten til huset 2 av det mekaniske koblingselementet 5.

I denne konkrete utførelsesformen er det mekaniske koblingselementet 5 en del av huset. Imidlertid vil det være klart for fagmannen at det mekaniske koblingselementet 5 kan være en del av resonanselementet eller kan være et separat element som er koblet til huset og til resonanselementet. Formålet med det mekaniske koblingselementet er å mekanisk koble huset 2 til resonanselementet 3A slik at vibrasjoner kan overføres gjennom det. Et annet formål er å plassere resonanselementet 3A i fluidet som skal måles, slik at resonanselementet er omgitt av nevnte fluid eller helt neddykket i nevnte fluid. Resonanselementet 3A og huset, som er ett med koblingselementet 5 eller ikke, kan være koblet sammen (f.eks. med en hvilken som helst passende metode for sveising, liming, lodding, etc).

Figur 6.A er et tverrsnitt gjennom en sensor 1 ifølge en første variant av den første utførelsesformen. Huset omfatter en indre del som definerer et kammer 8A. Huset 2, på kammersiden, har et hulrom 8B. Hulrommet 8B definerer et område av huset med redusert tykkelse som definerer en membran 9 mellom kammeret 8A og fluidkontaktsiden FCS. Koblingselementet 5 er anordnet på membranen 9. Koblingselementet 5 er fortrinnsvis anordnet ved et midtpunkt på membranen. Kammeret 8A kan være fylt med et materiale. Materialet kan med fordel være et vibrasjonsabsorberende materiale (f.eks. gass, olje, gel, etc). Det vibrasjonsabsorberende materialet gjør det mulig å redusere forstyrrelser som følge av parasittiske vibrasjonsmoder i selve huset. Kammeret 8A kan være forseglet via koblingen 7.

Et aktivator-/detektorelement 4, for eksempel et piezoelektrisk element 4A, er anordnet i hulrommet 8B. Den ene siden av det piezoelektriske elementet er koblet til koblingen 7 via en koblingstråd 6. Den andre siden av det piezoelektriske elementet 4A står i elektrisk forbindelse med membranen 9. I denne varianten virker det piezoelektriske elementet hovedsaklig i strekk.

Et piezoelektrisk element omfatter typisk et metallag over hovedsaklig hele sin overflate, på begge sider.

Den elektriske forbindelsen kan oppnås enten ved å lime det piezoelektriske elementet på membranen med et strømledende lim eller med et piezoelektrisk element som er mekanisk festet mot membranen, eller ved å lodde fast det piezoelektriske elementet til membranen.

Koblingen 7 omfatter en utvendig metalldel 7A i kontakt med huset 2, og en innvendig metalldel 7B. Den utvendige metalldelen 7A og den innvendige metalldelen 7B er atskilt av et isolerende element 7C. Følgelig kan det piezoelektriske elementet 4 bli eksitert av et passende elektrisk signal som påføres mellom dets to sider, nemlig på den ene siden av den utvendige metalldelen 7A og huset 2 og på den andre siden av metalldelen 7B og koblingstråden 6. Figur 6.B er et tverrsnitt gjennom en sensor 1 ifølge en andre variant av den første utførelsesformen. I denne varianten er en termistor 11 anordnet inne i kammeret 8A i huset. Termistoren gjør det mulig å måle temperaturen på stedet der viskositets- og densitetsmålingen gjøres. Videre kan termistoren 11 også være koblet til en motstand 12 for å tilpasse temperaturmålingsområdet til den tiltenkte anvendelsen av densitets- og viskositetssensoren. Temperaturmålingen kan være nyttig for å kompensere for temperatureffekter i densitets- og viskositetsmålingene. En termistor er gitt som et eksempel, men andre tempera-turmålingsanordninger kan anvendes, f.eks. en diode. Figur 6.C er et tverrsnitt gjennom en sensor 1 ifølge en tredje variant av den første utførelsesformen av oppfinnelsen. For oversiktens skyld er koblingen 7 utelatt fra figur 6C. I denne varianten omfatter sensoren videre en propp 13 og en skruplugg 14 skrudd inn i kammeret 8A eller hulrommet 8B for å holde det piezoelektriske elementet 4A mot membranen 9. Skrupluggen 14 omfatter et passende hull for gjennomføring av koblingstråden 6, fortrinnsvis ved sentrum av skrupluggen. Proppen 13 gjør det mulig å holde det piezoelektriske elementet mot membranen når skrupluggen 14 er skrudd inn. Proppen 13 har en passasje for koblingstråden 6 fra sentrum av skrupluggen til det piezoelektriske elementet. Den ene siden av det piezoelektriske elementet er koblet til koblingen (ikke vist) via koblingstråden 6. Den andre siden av det piezoelektriske elementet 4 står i kontakt med membranen 9. For oppklaringsformål viser figur 6.C også et forstørret område av det piezoelektriske elementet 4A. Det piezoelektriske elementet 4A omfatter to overlagrede piezoelektriske elementer 4A1 og 4A2 koblet til hverandre via et første strømledende lag 6A. Det første koblingslaget 6A er koblet til koblingstråden 6. Det første piezoelektriske elementet 4A1 er også koblet til proppen 13 av et andre strømledende lag 13A. Det andre piezoelektriske elementet 4A2 er også koblet til membranen 9 av et tredje strømledende lag 9A. Det første piezoelektriske elementet 4A1 har fortrinnsvis omvendt polarisasjonstilstand i forhold til det andre piezoelektriske elementet 4A2. I denne varianten virker de piezoelektriske elementene hovedsaklig i kompresjon. Følgelig kan de to overlagrede piezoelektriske elementene 4A1 og 4A2 bli eksitert av et passende elektrisk signal som påføres mellom på den ene siden det første strømledende laget 6A og på den andre siden de andre og tredje strømledende lagene 9A, 13A.

Selv om det ikke er vist i figurene kan det dannes en stabel av ytterligere piezoelektriske elementer (f.eks. 3, 4, 5, etc. piezoelektriske elementer) med passende polarisasjon og forbindelser gjennom strømledende lag. Jo større antall piezoelektriske elementer, jo sterkere signal leveres av stabelen, noe som bedrer målingene som kan oppnås med sensoren.

Sensoren omfatter videre tjenlig en hvilken som helst passende innretning for å feste sensoren til en kanal, en slange eller et rør (flens, skrueforbindelse, etc). To eksempler vil bli gitt nedenfor, under henvisning til figurene 17 og 18. Figurene 7.A og 7.B viser et aktivator-/detektorelement 4 i form av et piezoelektrisk element. Ifølge en første variant vist i figur 7.A har det piezoelektriske elementet en enkel sylindrisk form 4A. Ifølge en andre variant vist i figur 7B har det piezoelektriske elementet en ringform 4B, nemlig en sylindrisk form med en hull i midten. Det piezoelektriske elementet i den andre varianten tåler tjenlig større deformasjon enn det i den første varianten. Følgelig er risikoen for svikt av det piezoelektriske elementet under høy belastning, spesielt høyt trykk, sterkt redusert. Nærmere bestemt utsettes det piezoelektriske elementet for strekkspenninger i den midtre delen og kompresjonsspenninger langs randen. Strekkspenningene kan føre til svikt av det piezoelektriske elementet. Figurene 8.A, 8.B og 8.C viser en densitets- og viskositetssensor 1 ifølge en andre utførelsesform av oppfinnelsen, henholdsvis sett fra siden, nedenfra og i en perspektivskisse sett skrått nedenfra. I denne utførelsesformen er resonanselementet 3B i form av en enkeltstang som er festet til koblingselementet 5 ved sin ene ende. Figurene 9.A, 9.B og 9.C viser en densitet- og viskositetssensor 1 ifølge en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, henholdsvis sett fra siden, nedenfra og i en perspektivskisse sett skrått nedenfra. I denne utførelsesform er resonanselementet 3C i form av en usymmetrisk U-formet stang. Stangen kan være en metalltråd med f.eks. et sylindrisk eller elliptisk tverrsnitt og en diameter på noen få mikrometer. Metalltråden omfatter en første rett del i kontakt med fluidet som skal måles. Metalltråden omfatter en andre bøyd del som er festet til koblingselementet 5 ved den ene enden.

Stangen ifølge den første, den andre og den tredje utførelsesformen står fortrinnsvis parallelt med fluidstrømningen. Dette gjør det mulig å minimere erosjon ved høy fluidhastighet. Det gjør det også mulig å minimere turbulens forårsaket av tilstedeværelsen av måleanordningen og følgelig støyen rundt stangen.

Figurene 10.A, 10.B og 10.C viser en densitets- og viskositetssensor 1 ifølge en fjerde utførelsesform av oppfinnelsen, henholdsvis sett fra siden, nedenfra og i en perspektivskisse sett skrått nedenfra. I denne utførelsesform omfatter resonanselementet 3D en første stang 301 og en andre stang 302. Hver metalltråd er neddykket i fluidet som skal måles. Den første stangen 301 er festet til koblingselementet 5 i ett punkt. Den andre stangen 302 er festet til den første stangen i ett punkt. Den første stangen kan være anordnet i en hvilken som helst vinkel i forhold til den andre stangen, fortrinnsvis 90°. Festepunktet på den første stangen kan velges midt på metalltråden slik at det kan dannes en symmetrisk stang, eller i et hvilket som helst punkt på metalltråden slik at det dannes en usymmetrisk stang. Det samme gjelder for den andre stangen. En kombinasjon av symmetrisk og asymmetrisk stang er også mulig. Hver stang har fortrinnsvis sin egen kvalitetsfaktor og resonansfrekvens. Følgelig muliggjør de flere stengene med forskjellig lengde et større densitets- og viskositetsmålingsintervall (ettersom hver stang er i stand til å måle et gitt densitets- og viskositetsområde). De flere stengene med samme lengde øker signal/støy-forholdet, og bedrer således sensorens nøyaktighet.

I utførelsesformene beskrevet over omfatter de forskjellige stengene vist i figurene metalltråder med sirkulært tverrsnitt. Dette er imidlertid ikke begrensende, ettersom stengene alternativt kan omfatte en hvilken som helst metalltråd med et elliptisk tverrsnitt eller med et parallell piped tverrsnitt (for eksempel et rektangulært tverrsnitt) eller med et triangulært tverrsnitt, etc. Metalltrådens diameter eller bredde kan være noen få hundre mikrometer.

Sensorhuset er fortrinnsvis laget av rustfritt stål med høy styrke og høy korrosjonsbestandighet, foreksempel Inconel. Resonanselementet er fortrinnsvis laget av et materiale med høy styrke og høy korrosjonsbestandighet, for eksempel rustfritt stål eller materiale med lav densitet så som safir eller borkarbid. Bruk av safir eller borkarbid øker sensitiviteten for fluiddensitet. Alternativt kan resonansele mentet være laget av spesifikke materialer for deteksjon eller måling av kjemiske elementer i fluidet.

Figur 11 illustrerer skjematisk en elektronisk innretning EA i forbindelse med densitets- og viskositetssensoren 1 ifølge oppfinnelsen. Den elektroniske innretningen kan være en del av densitets- og viskositetssensoren 1 ved at den er innsatt i kammeret, eller kan være tilkoblet til koblingen 7 utenfra. Den elektroniske innretningen kan omfatte separate elektroniske komponenter eller kan være i form av en integrert krets. Den elektroniske innretningen EA omfatter en styrekrets LOG, en oscillator SOS, en første bryter SW1, en andre bryter SW2, en forsterker AMP, en deteksjonskrets SYS og en prosesseringskrets PRO. Styrekretsen LOG er koblet til oscillatoren SOS, den første bryteren SW1 og den andre bryteren SW2, forsterkeren AMP og deteksjonskretsen SYS. Oscillatoren SOS kan være en variabel (sweep) oscillator. Oscillatoren utfører en sensoreksitasjons- og detek-sjonsprosess som vil bli beskrevet nærmere nedenfor (se figurene 12.A og 12.B). I et første trinn lukker styrekretsen LOG den første bryteren SW1 og åpner den andre bryteren SW2. Følgelig påtrykker oscillatoren SOS et eksitasjonssignal på det piezoelektriske elementet 4. Påtrykningen av eksitasjonssignalet gjør at det piezoelektriske elementet 4 påfører og avlaster spenninger i membranen 9 og således i resonanselementet 3 som følge av at de er mekanisk koblet sammen. Eksitasjonssignalet er typisk i størrelsesorden 1 Volt. Etter at en vibrasjon er skapt ved å eksitere det piezoelektriske elementet 3, kan eksitasjonen fjernes og et mottakssignal som representerer vibrasjonen av resonanselementet 3 i fluidet F kan måles. Mottakssignalet er typisk i størrelsesorden mikroampere. Følgelig lukker i et andre trinn styrekretsen LOG den andre bryteren SW2 og åpner den første bryteren SW1. Det piezoelektriske elementet genererer således et mottakssignal 5 som representerer tøyningsvariasjoner i membranen 9 som er mekanisk koblet til resonanselementet 3. Detektorsignalet forsterkes av forsterkeren AMP. Detektorkretsen SYS utfører synkron deteksjon under en deteksjonsfase. Den forsyner prosesseringskretsen PRO med et faktisk i-fase-responssignal IPR og et faktisk kvadratur-responssignal IQR målt av sensoren 1. Prosesseringskretsen PRO kan også være koblet til termistoren 11. Den gir en måling av temperaturen ved sensoren. Prosesseringskretsen PRO beregner densiteten og viskositeten til fluidet F i henhold til en fremgangsmåte som vil bli beskrevet nærmere nedenfor

(se figur 14). Det skal bemerkes at den andre bryteren SW2 kan utelates eller erstattes med en passende motstand. Hovedfunksjonen til den andre bryteren SW2 er å beskytte forsterkeren AMP som følge av den store styrkeforskjellen mellom eksitasjonssignalet og mottakssignalet.

En første variant av eksitasjons- og deteksjonsprosessen for densitets- og viskositetssensoren er illustrert i figur 12.A. Eksitasjons- og deteksjonsprosessen er basert på en sekvens av en eksitasjonsfase etterfulgt av en ventefase og en deteksjonsfase. I det første trinnet, som beskrevet over, påtrykkes et første eksitasjonssignal ESo(f) på det piezoelektriske elementet. Det første eksitasjonssignalet ES0(f) har en første frekvens f og omfatter et bestemt antall perioder M (f.eks. fire perioder, seks perioder, etc). Deretter, i det andre trinnet, som beskrevet over, etter en venteperiode TWO, finner deteksjon av mottakssignalet generert av det piezoelektriske elementet sted under en deteksjonsperiode TDO. Venteperioden TWO omfatter et bestemt antall perioder L, der L for eksempel kan være ca. én periode og gir systemet tid til å roe seg før målingen gjøres. Under perioden TDO måles et tilbakegang-signal (ikke vist) som følge av dempningen av oscillasjonen av resonanselementet i fluidet. Deteksjonsperioden TDO omfatter et bestemt antall perioder P1, der P for eksempel kan være omtrent tre perioder. Disse to trinnene gjentas n ganger, fra et eksitasjonssignal ES^f) til et eksitasjonssignal ESn(f). For eksempel er n=10, 50, 100, etc. Fortrinnsvis er n nokså lik kvalitetsfaktoren Q til resonanselementet. Dette valget muliggjør en stabilt oscillerende tilstand. Trinnene over blir da gjentatt slik at oscillatoren SOS tilveiebringer et eksitasjonssignal med en frekvens som gjennomløper et område av frekvenser som omfatter resonansfrekvensen til resonanselementet. Mer spesifikt gjentas trinnene over med et andre eksitasjonssignal ES0(f+Af). Det andre eksitasjonssignalet ES0(f+Af) har en andre frekvens f+Af som svarer til den første frekvensen f pluss et frekvensinkrement Af. Det omfatter samme antall perioder som det første eksitasjonssignalet ES0(f). Disse trinnene gjentas inntil hele frekvensområdet er gjennomløpt, dvs. inntil et eksitasjonssignal ESn(f+Nx+Af) og tilhørende deteksjon er utført. Som et eksempel kan oscillatoren SOS gjennomløpe frekvensområdet mellom 8200 Hz og 8300 Hz med et frekvensinkrement på 1 Hz og N=100. Med denne varianten av eksitasjons-og deteksjonsprosessen forsterkes det detekterte tilbakegang signalet. Deretter ut-føres synkron deteksjon av detektorkretsen. Det detekterte tilbakegang signalet blir henholdsvis multiplisert med et sinussignal og et cosinussignal. Et gjennomsnitt beregnes for de n signalene for hver frekvens. Multiplikasjonen med sinussignalet gir i-fase-responssignalet. Multiplikasjonen med cosinussignalet gir kvadratur-responssignalet. Det spekteret som typisk oppnås vil bli beskrevet nærmere nedenfor i forbindelse med figurene 15 og 16.

En andre variant av eksitasjons- og deteksjonsprosessen for densitets- og viskositetssensoren er illustrert i figur 12.B. Eksitasjons- og deteksjonsprosessen baserer seg på en eksitasjonsfase etterfulgt av en ventefase og en deteksjonsfase. I det første trinnet, som beskrevet over, påtrykkes et første eksitasjonssignal ES'0(f) på det piezoelektriske elementet. Det første eksitasjonssignalet ES'0(f) har en første frekvens f og omfatter et bestemt antall perioder M', dvs. minst to perioder (f.eks. fire perioder, seks perioder, etc). Deretter, i det andre trinnet, som beskrevet over, etter en venteperiode TWO, finner deteksjon av mottakssignalet generert av det piezoelektriske elementet sted under en periode TDO. Venteperioden TWO varer et bestemt antall perioder L', der L' for eksempel kan være ca. én periode og gir systemet tid til å roe seg før målingen gjøres. Under perioden TDO måles et tilbakegang signal (ikke vist) som følge av dempningen av oscillasjonen av resonanselementet i fluidet. Deteksjonsperioden TDO varer et bestemt antall perioder P', der P' for eksempel kan være omtrent tre perioder. Disse to trinnene gjentas n ganger, fra et eksitasjonssignal ES'0(f) til et eksitasjonssignal ES'n(f). For eksempel er n=10, 50, 100, etc. Trinnene over blir da gjentatt slik at oscillatoren SOS tilveiebringer et eksitasjonssignal med en frekvens som gjennomløper et område av frekvenser som omfatter resonansfrekvensen til resonanselementet. Mer spesifikt gjentas trinnene over med et andre eksitasjonssignal ES'i(f+Af). Det andre eksitasjonssignalet ES'i(f+Af) har en andre frekvens f+Af, som svarer til den første frekvensen f pluss et frekvensinkrement Af. Det omfatter samme antall perioder som det første eksitasjonssignalet ES'0(f). Disse trinnene gjentas inntil hele frekvensområdet er gjennomløpt, dvs. inntil et eksitasjonssignal ES'n(f+nxAf) og tilhørende deteksjon er utført. Som et eksempel kan oscillatoren SOS gjennomløpe frekvensområdet mellom 8200 Hz og 8300 Hz med et frekvensinkrement på 1Hz og med n=100. Deretter, på tilsvarende måte, gjentas disse trinnene for andre eksitasjonssignaler ES"0(f) til ES"n(f+nxAf), slik at et fre-kvensområde som omfatter resonanselementets resonansfrekvens gjennomløpes. Eksitasjonssignalet ES"0(f), ES"i(f+Af), ES"2(f+2xAf), ..., ES"n(f+nxAf) omfatter kun én periode. I denne varianten av eksitasjons- og deteksjonsprosessen forsterkes det detekterte tilbakegang signalet. Deretter utføres synkron deteksjon av detektorkretsen. Det detekterte tilbakegang signalet multipliseres henholdsvis med et sinussignal og med et cosinussignal. Multiplikasjonen med sinussignalet gir i-fase-responssignalet. Multiplikasjonen med cosinussignalet gir kvadratur-responssignalet. For en gitt frekvens blir i-fase-responsen til det første eksitasjonssignalet (minst to perioder) subtrahert fra i-fase-responsen til det andre eksitasjonssignalet (kun én periode). Videre blir kvadratur-responsen til det første eksitasjonssignalet (minst to perioder) subtrahert fra kvadratur-responsen til det andre eksitasjonssignalet (kun én periode). Følgelig blir resultatene av subtraksjonene korrigert, i hvert fall delvis, for innvirkningen av avlastningen av sensoren etter eksitasjonsperioden som ikke er helt forsvunnet etter venteperioden. Det typiske spekteret som oppnås vil bli beskrevet nærmere nedenfor i forbindelse med figurene 15 og 16.

I den første og den andre eksitasjons- og deteksjonsprosessen beskrevet over avsluttes tjenlig eksitasjonssignalet når eksitasjonssignalet er null. Dette bedrer avlastningen under ventefasen.

Figur 13 er et tverrsnitt som viser en sensor 1 for å måle densiteten og viskositeten til et fluid F anordnet inne i en kanal C, og illustrerer måleprinsippet ifølge oppfinnelsen. Når resonanselementet 3 vibrerer i fluidet F, settes noe av det omkringliggende fluidet i bevegelse. Den effektive massen til resonanselementet 3 øker med en mengde 6m som bestemmes av volumet av fluid som settes i bevegelse av den bevegende seksjonen. Følgelig er denne effekten knyttet til fluiddensiteten, noe som muliggjør tetthetsmåling. Når resonanselementet 3 vibrerer i fluidet F, dras resonanselementet gjennom fluidet påvirket av skjærspenninger. Følgelig avhenger vibrasjonen av fluidets skjærmotstand, noe som muliggjør viskositetsmåling. Det er mulig å finne en eksakt analytisk modell for resonanselementets interaksjon med fluidet (f.eks. stenger ifølge den første, andre, tredje og fjerde utførelsesformen). For eksempel kan interaksjonen for resonanselementet ifølge den andre utførelsesformen i form av en enkeltstang med sirkulært tverrsnitt (figur 8) med fluidet modelleres tilnærmet eksakt.

For det første, basert på Navier Stokes likning:

der p er fluidets densitet, representerer kraften fra trykket P, svarer til stangens vibrasjonshastighet, q er fluidets viskositet og % er fluidets bulkviskositet. For det andre, basert på en antagelse om at fluidet er inkompressibelt, stangens hastighet er lav, stangens størrelse er større enn amplituden til oscillasjonen av resonanselementet og at addert masse 6m er liten sammenliknet med stangens masse, kan det regnes ut at: Addert masse for stangen er gitt ved 6m =TrpR<2>, der R er stangseksjonens radius. Kvalitetsfaktoren er gitt ved

der Pfiuider fluidets

densitet.

Fluidets viskositet er gitt ved

der (jo0 er knyttet til stangens resonansfrekvens neddykket i fluidet og wvacer knyttet til stangens resonansfrekvens i vakuum, og Qvacer tapet i vakuum. Figur 14 er en diagrammatisk illustrasjon av en fremgangsmåte for å måle densiteten og viskositeten til fluid ifølge oppfinnelsen. I et første trinn eksiteres den resonerende anordningen med aktivator-/detektorelementet 4 og resonanselementet 3, 3A, 3B, 3C, 3D innrettet for å neddykkes i fluidet i henhold til eksitasjons- og deteksjonsprosessen beskrevet over i forbindelse med figur 12.A eller 12.B. I et andre trinn detekteres mottakssignalet RS dannet av den resonerende anordningen. Disse to trinnene gjentas for forskjellige frekvenser modifisert slik at et område av frekvenser gjennomløpes med suksessiv frekvensinkrementering. De forskjellige mottakssignalene som detekteres innenfor frekvensområdet blir behandlet i PRCS og et faktisk i-fase-sensorresponsspektrum (IPAR) og et faktisk kvadratur-sensorresponsspektrum (QAR) bestemmes. Samtidig, basert på en initial resonansfrekvens F00og en initial kvalitetsfaktor Q0for resonanselementet blir et modellert i-fase-sensorresponsspektrum (IPMR) og et modellert kvadratur-sensorresponsspektrum (QMR) beregnet i MCALC. Deretter blir den modellerte kvadratur-sensorresponsen (QMR) sammenliknet i COMP med den faktiske kvadratur-sensorresponsen (QAR) og den modellerte i-fase-sensorresponsen (IPMR) sammenliknes i COMP med den faktiske i-fase-sensorresponsen (IPAR). Beregningstrinnet MCALC og sammenlikningstrinnet COMP gjentas med en modifisert MOD resonansfrekvens FO' og en modifisert kvalitetsfaktor Q' inntil de siste verdiene for resonansfrekvensen F0nog kvalitetsfaktoren Qner beregnet. Følgelig gjennomløpes et bestemt antall diskrete verdier for resonansfrekvensen FO og kvalitetsfaktoren Q, som fortrinnsvis omfatter verdiene som skal bestemmes. Trinnet COMP med å sammenlikne modellrespons og faktisk respons er tjenlig basert på parametrisk identifisering. Mer spesifikt beregnes et bestemt antall modellresponser for forskjellige resonansfrekvenser og forskjellige kvalitetsfaktorer. De modellerte i-fase-responsene multipliseres med den faktiske i-fase-responsen punkt for punkt, og en første korrelasjonskoeffisient beregnes for hver modellrespons. De modellerte kvadratur-responsene multipliseres med den faktiske kvadraturresponsen punkt for punkt, og en andre korrelasjonskoeffisient beregnes for hver modellrespons. Beregningen av korrelasjonskoeffisienten er en kjent matematisk beregning som ikke vil bli forklart nærmere. Den normaliserte korrelasjonskoeffisienten cc for en gitt kvalitetsfaktor Q' og en gitt resonansfrekvens F0' er gitt ved følgende formel:

der s(fj) er det målte i-fase-spekteret for frekvens fj, c(fj) er det målte kvadraturspekteret for frekvens fj, S(Q', F0\fi) er det modellerte i-fase-spekteret for frekvens fj, C(Q', F0', fj) er det modellerte kvadraturspekteret for frekvens fj, og frekvensen fjgjennomløper frekvensområdet som omfatter resonansfrekvensen. For hvert resonansfrekvens/kvalitetsfaktor-par beregnes en normalisert korrelasjonskoeffisient. Resonansfrekvensen FO og kvalitetsfaktoren Q for resonanselementet i fluidet betraktes som bestemt DET som det resonansfrekvens/kvalitetsfaktor-paret som svarer til den høyeste normaliserte summen. Naturligvis er nøyaktigheten i bestemmelsen av resonansfrekvens/kvalitetsfaktor-paret avhengig av antallet par som anvendes for å beregne modellresponsen, og følgelig av størrelsen på inkrementet av resonansfrekvensen (for eksempel 0,1 Hz) og av kvalitetsfaktoren (for eksempel 1 enhet). For å redusere antallet beregninger samtidig som nøyaktig-

heten i bestemmelsen av resonansfrekvens og kvalitetsfaktor holdes på et tilfredsstillende nivå er det mulig å begrense beregningen av modellresponsene til et begrenset antall mulige kvalitetsfaktorer og øke inkrementeringen av resonansfrekvensen (f.eks. 10 Hz). For det best korrelerte paret beregnes også korrelasjonskoeffisienten for nærliggende par (for eksempel 8 par rundt det best korrelerte paret). Deretter gjøres en interpolasjon i to dimensjoner for å bestemme det beste resonansfrekvens/kvalitetsfaktor-paret (dette er en kjent matematisk beregning som vil ikke bli forklart nærmere). Det er også mulig å redusere antallet beregninger ved selektivt å sammenlikne kun i-fase-responsene eller bare kvadratur-responsene. Til slutt kan densiteten p og viskositeten q til fluidet beregnes i DVCALC basert på den identifiserte resonansfrekvensen FO og den resulterende kvalitetsfaktoren Q, og på en eksakt analytisk modell MDL av resonanselementet med fluidinteraksjon.

Figurene 15 og 16 illustrerer typiske målte sensor respons spektre sammenliknet med modellerte respons spektre. Figur 15 viser et faktisk kvadratur-sensorresponsspektrum QAR og et modellert kvadratur-responsspektrum QMR. Disse kvadratur spektrene omfatter en topp MPK i hoved båndet og en første topp SPK1 og en andre topp SPK2 i sidebåndene. De forskjellige toppene MPK, SPK1, SPK2, MPK', SPK1' og SPK2' forårsakes av den diskontinuerlige eksitasjons-sekvensen for aktivator-/detektorelementet og resonanselementet. Figur 16 viser et faktisk i-fase-sensorresponsspektrum IPAR og et modellert i-fase-responsspektrum IPMR. Disse spektrene omfatter en topp MPK' i hoved båndet og en første topp SPK1' og en andre topp SPK2' i sidebåndene. De faktiske responsspektrene QAR og IPAR er basert på målinger gjort med densitets- og viskositetssensoren ifølge oppfinnelsen. De modellerte responsspektrene QMR og IPMR er basert på beregninger. Kurvetilpasningsmodellen omfatter de spesifikke trekkene ved resonanselementet i densitets- og viskositetssensoren som målingene er gjort med.

Basert på den identifiserte resonansfrekvensen FO og kvalitetsfaktoren Q samt kurvetilpasningsmodellen for det spesifikke resonerende elementet som er anvendt, kan densiteten p og viskositeten n beregnes. Fortrinnsvis kan densiteten og viskositeten til fluidet korrigeres ytterligere basert på temperaturmålinger, for eksempel gjort av termistoren.

Alle fremgangsmåtetrinnene over utføres fortrinnsvis av prosesseringskretsen PRO i den elektroniske innretningen EA. Figurene 17.A og 17.B er henholdsvis en perspektivskisse og et tverrsnitt som viser et første eksempel på densitets- og viskositetssensoren 1 koblet til en kanaldel C1 med sekskantet tverrsnitt. Kanaldelen C1 omfatteren kobling CC1 for tilkobling til en hovedkanal eller et rør. Densitets- og viskositetssensoren 1 er anordnet i et gjenget hus SC1. Den sekskantede kanaldelen C1 omfatter en gjengemuffe for å skrus sammen med det gjengede huset SC1. Gjengemuffen omfatter en anleggs skulder slik at når det gjengede huset SC1 er skrudd til, resonanselementet er optimalt plassert inne i kanaldelen C1. Figurene 18.A og 18.B er henholdsvis en perspektivskisse og et tverrsnitt som skjematisk viser et første eksempel på densitets- og viskositetssensoren 1 koblet til en kanaldel C2 med rektangulært tverrsnitt. Kanaldelen C2 omfatter en kobling CC2 for tilkobling til en hovedkanal eller et rør. Densitets- og viskositetssensoren 1 er anordnet inne i en mottakerdel av et koblings hus SC2. Koblingshuset SC2 omfatter også en plate. Den rektangulære kanaldelen C2 omfatter et hull for innsetting av mottakerdelen. Når koblingshuset SC2 settes inn i hullet, bringes platen i anlegg mot den ytre delen av kanalen. På denne måten blir resonanselementet optimalt plassert inne i kanaldelen C1. Platen kan kobles til den ytre delen av kanalen på en hvilken som helst passende måte.

SLUTTKOMMENTARER

Et aktivator-/detektorelement i form av et piezoelektrisk element er beskrevet. Imidlertid skal det være klart at dette kun er et eksempel på aktivator-/detektorelement, og at en hvilken som helst elektrisk/mekanisk vibrasjonsomformingsanord-ning, f.eks. en elektrisk motor, kan anvendes.

Det vil være klart for fagmannen at oppfinnelsen ikke er begrenset til de fire spesifikke resonerende elementene som er beskrevet over. Forutsatt at det er mulig å finne likningen som styrer oppførselen til resonanselementet 3 i et fluid kan nevnte element kan ha en annen form, for eksempel omfatte en kulemasse i den ene enden av en stang, en stang utspent mellom de to armene til en gaffel, etc. Det vil også være klart for fagmannen at antallet stenger som danner resonanselementet ikke er begrenset til én eller to som beskrevet i de fire utførelses- formene. Ytterligere stenger kan være koblet til membranen, der hver stang har sin egen resonansfrekvens og følgelig gjør det mulig å måle et gitt densitets- og viskositetsområde. Videre er stengene i figurene vist som nokså parallelle med det området av sensorhuset som er i kontakt med fluidet som skal måles. Imidlertid vil det være klart for fagmannen at hver stang kan stå i en hvilken som helst vinkel i forhold til det området av sensorhuset som er i kontakt med fluidet som skal måles (for eksempel 10°, 30°, 45°, etc).

Tilkobling av densitets- og viskositetssensoren til en kanal der det strømmer et fluid som skal måles er ikke begrenset til de to eksemplene beskrevet over. Det vil være klart for fagmannen at andre tilkoblinger er mulige avhengig av den konkrete anvendelsen av densitets- og viskositetssensoren.

Videre er ikke betegnelsen "kobling" som anvendt over begrenset til en mekanisk/elektrisk kobling eller forbindelse. Det vil være klart for fagmannen at en trådløs forbindelse kan anvendes for å sende målinger fra sensoren til et hvilket som helst system med behov for slike målinger.

Oppfinnelsen finner anvendelse innen forskjellige industrigrener, for eksempel i oljeindustrien som densitets- og viskositetssensor i nedihullsverktøy, den kjemiske industrien (plastproduksjon, kosmetikkproduksjon), matvareindustrien, etc. Den kan også anvendes i aeronautiske anvendelser, for eksempel for deteksjon av isdannelse f.eks. på flyvinger ved å måle endringen av resonansfrekvensen som følge av addert masse fra is på resonanselementet.

Figurene og den tilhørende beskrivelsen over er ment for å belyse heller enn å begrense oppfinnelsen. Eventuelle referanses tegn i et krav skal ikke anses som en begrensning av kravet. Ordet "omfattende" ekskluderer ikke tilstede-værelse av andre elementer enn de angitt i et krav. Det at et element er angitt i entallsform utelukker ikke at det finnes flere slike elementer.

Claims (15)

1. Tetthets og viskositets sensor (1) for måling av tetthet og viskositet av et fluid (F), sensoren (1) omfatter et resonanselement (3, 3A, 38, 3C, 3D) som er innrettet til å være nedsenket i fluidet (F), en aktivator- / detektorelement (4A, 4B) som er koblet til resonanselementet, og en kontakt (7) for tilkobling til aktivator- / detektorelementet (4A, 4B), hvor: - sensoren (1) videre omfatter et hus (2) som avgrenser et kammer (8A) isolert fra fluidet (F), huset (2) omfatter et område med redusert tykkelse som definerer en membran (9) som skiller kammeret (8A) fra fluidet (F), der huset har et område som er i kontakt med fluidet som skal måles, -aktivator- / detektorelementet (4A, 4B) er anordnet inne i kammeret slik at det er isolert fra fluidet (F) og er mekanisk koblet til membranen (9), - resonanselementet (3, 3A, 38, 3C, 3D) er innrettet til å være nedsenket i fluidet (F) og er mekanisk koblet til membranen (9), og - membranen (9) har en tykkelse som tillater overføring av mekanisk vibrasjon mellom aktivator- / detektorelementet (4A, 4B) og resonanselementet (3, 3A, 3B, 3C, 3D); karakterisert vedat resonanselementet (3, 3A, 3B, 3C, 3D) omfatter en første bjelke som er mekanisk koblet til membranen (9) av et mekanisk koblingselement (5) for å være tilnærmet parallelt anordnet med området av sensorhuset som er i kontakt med fluidet som skal måles.

2. Tetthets og viskositets sensor i henhold til krav 1, hvor området med redusert tykkelse danner et hulrom (8) i hvilket aktivator- / detektorelement (4A, 4B) er festet.

3. Tetthets og viskositets sensor ifølge krav 1 eller 2, hvor aktivator- / detektorelementet omfatter i det minste ett piezoelektrisk element (4A, 4B, 4A1, 4A2).

4. Tetthets og viskositets sensor ifølge krav 3, hvor det piezoelektriske elementet (4A, 4B) innbefatter en første og en andre side, idet den første siden er koblet til kontakten (7) ved en forbindelsesledning (6), den andre siden er elektrisk koblet til membranen (9).

5. Tetthets og viskositets sensor ifølge krav 3 eller 4, hvor det piezoelektriske elementet (4A, 4B) er presset mot membranen (9) av en plugg anordning (13, 14) som er skrudd inn i hulrommet (8), hvilken plugg omfatter et hull for tilkobling til forbindelsesledningen (6).

6. Tetthets og viskositets sensor ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor koblingen (7) er en koaksialkontakt omfattende en ytre metallisk del (7A) i kontakt med huset (2) og en indre metallisk del (7B) som er koblet til forbindelsesledningen (6), den ytre (7A) og indre (7B) metallisk del er adskilt av en isolerende del (7C).

7. Tetthets og viskositets sensor ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor sensoren (1) videre omfatter en termistor (11) anordnet inne i kammeret (8A).

8. Tetthets og viskositets sensor ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor sensoren (1) videre omfatter en elektronisk anordning (EA) for å drive aktivator- / detektorelement (4A, 4B) fra en aktiveringsmodus til en deteksjonsmodus og omvendt.

9. Tetthets og viskositets sensor ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor resonanselementet (3) videre omfatter minst en andre bjelke (302), den første bjelken måler et første område av tetthet og viskositet, og den andre bjelken måler et andre område av tetthet og viskositet.

10. Tetthets og viskositets sensor ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 8, hvor resonanselementet (3) er valgt blant gruppen av resonanselementer som omfatter: - en enkelt delbjelke (3A) som er festet i det vesentlige i midten av koblingselementet (5), - en enkelt delbjelke (3B) som er festet med én ende til koblingselementet (5), - en U-formet bjelke (3C) som omfatter en første langsgående del som er koblet til en andre bøyd del som er festet med én ende til koblingselementet (5), og - en dobbeltbjelke (3D) som omfatter en første bjelke og en andre bjelke som er festet sammen, idet den første bjelken er festet til koblingselementet (5).

11. Tetthets og viskositets sensor ifølge de foregående krav, hvor bjelken (3A, 3B, 3C, 3D) omfatter minst en ledning innrettet med fluidstrømningsretningen.

12. En fremgangsmåte for måling av tetthet og viskositet i et fluid som omfatter trinnene: a) å påføre et eksitasjonssignal (ES) til en resonansanordning omfattende et hus med en membran og et område i kontakt med fluidet som skal måles, en aktivator- / detektorelement og et resonanselement (3, 3A, 3B, 3C, 3D) anordnet for å bli nedsenket i fluidet (F), resonanselementet (3, 3A, 3B, 3C, 3D) omfatter en første bjelke mekanisk koblet til membranen (9) av et mekanisk koblingselement (5) slik at den er tilnærmet parallell til det området av sensorhuset som er i kontakt med fluidet som skal måles, eksitasjonssignalet har en første frekvens (f), b) å detektere et mottakssignal (RS) levert av resonansanordningen (4A, 4B), c) å repetere eksitasjonssignaltrinnet, og deteksjonstrinnet av mottakssignalet ved forskjellige frekvenser, slik at et område av frekvenser er sveipet i henhold til et frekvensinkrement (Af), d) å bestemme (PRCS) en i-fase-sensor faktiske respons (Ipar) og en kvadratur-sensor faktiske respons (QAR) basert på mottaket av signaler som detekteres i frekvensområdet,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter følgende trinn: e) å beregne (MCALC) en i-fase-sensor modell respons (IPMR) og en kvadratur-sensor modell respons (QMR) basert på en første resonansfrekvens (F00) og en innledende kvalitetsfaktor (Q0) til resonanselementet (3, 3A, 3B, 3C, 3D), f) å sammenligne (COMP) i-fase-sensor modell responsen (IPMR) med den i-fase-sensor faktiske responsen (Ipar), og den kvadratur-sensor modell responsen (QMR) med den kvadratur-sensor faktiske responsen (QAR) ved bestemmelse av en assosiert korrelasjonskoeffisient, g) å gjenta beregningstrinnet og sammenligningstrinnet med en modifisert resonansfrekvens (FO ') og en modifisert kvalitetsfaktor (Q<1>) og å memorere et bestemt antall (n) av resonansfrekvenser, kvalitetsfaktor og tilhørende korrelasjonskoeffisient, h) å bestemme en resulterende resonansfrekvens (FO) og en resulterende kvalitetsfaktor (Q) til resonanselementet (3, 3A, 3B, 3C, 3D) i fluidet (F) basert på det fastslåtte antall (n) assosierte korrelasjonskoeffisienter, og i) bestemmelse av tetthet og viskositet av fluidet (F) basert på den resulterende resonansfrekvens (FO), den resulterende kvalitetsfaktor (Q) og en i det vesentlige nøyaktig analytisk modellering (MDL) av resonanselementet (3, 3A, 3B, 3C, 3D).

13. Fremgangsmåte for måling av tetthet og viskositet i henhold til krav 12, hvor sammenligningstrinnet og resonansfrekvens / kvalitetsfaktor bestemmelsestrinnet er basert på parametrisk identifikasjon som består i: - å beregne en normalisert korrelasjonskoeffisientsum for hver sensor modell responsen beregnet for det bestemte antallet (n) av resonansfrekvenser og kvalitetsfaktor til resonanselementet, og - å bestemme den resulterende resonansfrekvensen, og den resulterende kvalitetsfaktoren svarende til et resonansfrekvens / kvalitetsfaktor parr som er forbundet med den høyeste normaliserte korrelasjonskoeffisienten sum.

14. Fremgangsmåte for måling av tetthet og viskositet i henhold til krav 12 eller 13, hvor: - eksitasjonssignalet (ES) har en bestemt frekvens (f, f + Af,f + NxAf) som blir gjentatt en rekke ganger (n), og - i-fase sensor faktiske responsen (Ipar) og kvadratur-sensor faktiske responsen (QAR) bestemmes (PRCS) basert på et gjennomsnitt av mottakssignalene for hver frekvens detektert i frekvensområdet.

15. Fremgangsmåte for måling av tetthet og viskositet i henhold til krav 12, 13 eller 14, hvor: - eksitasjonssignalet (ES) omfatter et første eksitasjonssignal og et andre eksiteringssignal, det første eksitasjonssignalet har et første antall perioder og det andre eksitasjonssignalet har et andre antall perioder, idet eksitasjonssignalene blir gjentatt ved forskjellige frekvenser, slik at et område av frekvenser blir sveipet i henhold til et frekvensinkrement (Af), et første mottakssignal er assosiert med det første eksitasjonssignalet og et andre mottakssignal er assosiert med det andre eksiteringssignalet, - den i-fase-sensor faktiske responsen (Ipar) blir bestemt (PRCS) basert på en subtraksjon beregning mellom den i-fase-sensor faktiske responsen assosiert med det første mottakssignalet og den i-fase-sensor faktiske responsen assosiert med det andre mottakssignalet, og - kvadratur-sensor faktiske responsen (QAR) blir bestemt (PRCS) basert på en subtraksjonsberegning mellom kvadratur-sensor faktiske responsen og det første mottakssignalet og den kvadratur-sensor faktiske responsen assosiert med det andre mottakssignalet.