RU2806622C1

RU2806622C1 - Method and device for calculating quality factor q of vibration measuring device

Info

Publication number: RU2806622C1
Application number: RU2023102634A
Authority: RU
Inventors: Джордж Александр МАКДОНАЛЬД; Эндрю С. КРАВИТЦ
Original assignee: Майкро Моушн, Инк.
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2023-11-02

Abstract

FIELD: metrology.

SUBSTANCE: sensors for measuring viscosity and density of a fluid. The sensor contains a generator, a vibrating element that is in contact with the liquid. The vibration sensor measures the vibration characteristic of the vibrating element. The sensor electronics generate and send an excitation signal to the driver and receive the vibration characteristic, then measure the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point for the vibration characteristic. The second vibration characteristic point is calculated by interpolation and extrapolation from the other measured characteristic points. The processor of the measuring device then calculates the quality factor Q of the vibration element using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point.

EFFECT: increased accuracy of quality factor measurement.

11 cl, 9 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Варианты осуществления, описанные ниже, относятся к вибрационным измерительным устройствам и, более конкретно, к устройствам измерения плотности и вязкости.The embodiments described below relate to vibration measuring devices and, more particularly, to density and viscosity measuring devices.

Уровень техникиState of the art

Вибрационные измерительные устройства, включающие в себя плотномеры и вискозиметры, являются важными инструментами, используемыми для измерения плотности или вязкости текучей среды. Вибрационные измерительные устройства могут содержать вибрационный элемент, такой как вилка, цилиндр, или плоскостной резонатор, и т.д., который подвергается воздействию испытываемой текучей среды. Один пример вибрационного измерительного устройства содержит цилиндрический кантилевер, установленный впускным концом, соединенным с существующим трубопроводом или другой конструкцией, и выпускным концом, свободным для вибрации. Элемент может вибрировать при резонансе, и частота ответных резонансных колебаний может быть измерена. Плотность испытываемой текучей среды может быть определена посредством измерения уменьшенной частоты ответных колебаний вибрационного элемента. Согласно хорошо известным принципам, резонансная частота вибрационного элемента будет изменяться обратно плотности текучей среды, которая контактирует с трубопроводом.Vibration measuring devices, including density meters and viscometers, are important instruments used to measure the density or viscosity of a fluid. Vibration measuring devices may include a vibrating element, such as a fork, cylinder, or planar resonator, etc., which is exposed to the fluid being tested. One example of a vibration sensing device comprises a cylindrical cantilever mounted with an inlet end connected to an existing pipeline or other structure and an outlet end free to vibrate. The element can vibrate at resonance, and the frequency of the response resonant vibrations can be measured. The density of the test fluid can be determined by measuring the reduced response frequency of the vibrating element. According to well known principles, the resonant frequency of the vibrating element will vary inversely to the density of the fluid that contacts the pipeline.

Вязкость является характеристикой текучей среды, которая описывает сопротивление потоку. Общим определением вязкости является показатель внутреннего трения текучей среды. В частности, это внутреннее трение становится видимым, когда слой текучей среды вынуждается двигаться относительно другого слоя. Таким образом, вязкость часто описывается как сопротивление, испытываемое одним фрагментом материала, движущимся поверх другого фрагмента этого материала. Вязкость обычно используется, чтобы характеризовать текучие среды на нефтяной основе, такие как различные виды топлива, масла и смазочные материалы, и часто они точно определяются в торговле и классификации нефтепродуктов. Например, кинематическая вязкость для нефтепродуктов обычно измеряется в капиллярном вискозиметре стандартным способом, таким как способ, описанный стандартом Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM) D445. Такие измерения подразумевают измерение времени для того, чтобы фиксированное количество жидкости протекло под действием силы тяжести через откалиброванный стеклянный капилляр под действием воспроизводимого усилия при заданной температуре. Капиллярный трубчатый вискозиметр был, в принципе, определен уравнением Гаген-Пуазейля. В ньютоновской текучей среде напряжение сдвига является пропорциональной скорости сдвига, и константа пропорциональности называется вязкостью.Viscosity is a characteristic of a fluid that describes resistance to flow. The general definition of viscosity is a measure of the internal friction of a fluid. In particular, this internal friction becomes visible when a fluid layer is forced to move relative to another layer. Thus, viscosity is often described as the resistance experienced by one piece of material moving over another piece of that material. Viscosity is commonly used to characterize petroleum-based fluids such as various fuels, oils and lubricants, and is often precisely defined in the trading and classification of petroleum products. For example, kinematic viscosity for petroleum products is typically measured in a capillary viscometer using a standard method, such as the method described by American Society for Testing and Materials (ASTM) D445. Such measurements involve measuring the time for a fixed amount of liquid to flow by gravity through a calibrated glass capillary under a reproducible force at a given temperature. The capillary tube viscometer was, in principle, defined by the Hagen-Poiseuille equation. In a Newtonian fluid, the shear stress is proportional to the shear rate, and the constant of proportionality is called the viscosity.

Измерительные устройства, которые используют механические резонаторы, такие как вибрационные камертоны, могут получать вязкость, уравновешивая уравнение Навье-Стокса и законы механики Ньютона, получая в результате уравнение формы:Measuring devices that use mechanical resonators, such as vibrating tuning forks, can obtain viscosity by balancing the Navier-Stokes equation and Newton's laws of mechanics, resulting in an equation of the form:

(1) (1)

Где µ является вязкостью текучей среды, с является плотностью текучей среды, щ₀ является угловой резонансной частотой незатухающего колебания (2рf₀), A является константой, относящейся к показателю добротности Q резонатора в вакууме, а B является константой, относящейся к жесткости, массе и геометрии датчика. Q является безразмерным параметром, который описывает, насколько незатухающим является осциллятор или резонатор.Where µ is the viscosity of the fluid, c is the density of the fluid, u ₀ is the angular resonant frequency of the undamped oscillation (2pf ₀ ), A is a constant related to the quality factor Q of the resonator in vacuum, and B is a constant related to stiffness, mass and sensor geometry. Q is a dimensionless parameter that describes how undamped an oscillator or resonator is.

Плотность и резонансная частота связываются уравнением формы:Density and resonant frequency are related by an equation of the form:

(2) (2)

Где C и D являются константами, относящимися к жесткости, массе и геометрии резонатора, таким образом, предоставляя:Where C and D are constants related to the stiffness, mass and geometry of the resonator, thus providing:

(3) (3)

Для простоты резонансная частота может считаться такой же, что и f₀, которая является резонансной частотой незатухающего колебания. Для множества практических применений датчик вязкости будет откалиброван на текучих средах, аналогичных измеряемым в поле, и, следовательно, частота будет неизменной, таким образом, частота может считаться постоянной, и, следовательно, уравнение может принимать форму, аналогичную следующей:For simplicity, the resonant frequency can be considered the same as f ₀ , which is the resonant frequency of an undamped oscillation. For many practical applications, the viscosity sensor will be calibrated on fluids similar to those measured in the field, and therefore the frequency will be constant, thus the frequency can be considered constant, and hence the equation can take a form similar to the following:

(4) (4)

Где E является практически постоянной на основе жесткости, массы и геометрии датчика и номинальной резонансной частоты. Предоставленные уравнения предоставлены в качестве неограничивающих примеров.Where E is essentially constant based on the stiffness, mass and geometry of the sensor and the nominal resonant frequency. The equations provided are provided as non-limiting examples.

Принцип использования вибрационного датчика для измерения вязкости жидкости является хорошо известным. Примером которого является вилочный измеритель вязкости (FVM) Micro Motion, который основывается на принципе вибрационного элемента, в результате чего, резонансные свойства подвержены влиянию плотности и вязкости текучей среды. FVM использует этот рабочий принцип для определения вязкости жидкости. В частности, вязкость определяется посредством измерения показателя добротности (Q) резонанса и, следовательно, затухания резонатора. Например, без ограничения, уравнение 5 описывает один возможный способ для определения вязкости:The principle of using a vibration sensor to measure the viscosity of a liquid is well known. An example of this is the Micro Motion Fork Viscosity Meter (FVM), which is based on the principle of a vibrating element, whereby the resonant properties are influenced by the density and viscosity of the fluid. FVM uses this operating principle to determine the viscosity of a fluid. In particular, viscosity is determined by measuring the quality factor (Q) of the resonance and therefore the damping of the resonator. For example, without limitation, Equation 5 describes one possible method for determining viscosity:

Вязкость=V₀+V₂/ Q²(5)Viscosity=V ₀ +V ₂ / Q ² (5)

где:Where:

V₀ и V₂ являются константами калибровки.V ₀ and V ₂ are calibration constants.

Q может быть измерен как резонансная частота, поделенная на полосу пропускания, как показано:Q can be measured as the resonant frequency divided by the bandwidth, as shown:

(6) (6)

где: Where:

Геометрический Q может быть вычислен как:Geometric Q can be calculated as:

(7) (7)

где:Where:

T_A является моментом времени для первой точки измерения полосы пропускания 3 дБ.T _A is the time instant for the first 3 dB bandwidth measurement point.

T_B является моментом времени для конечной точки измерения полосы пропускания 3 дБ. T _B is the point in time for the end point of the 3 dB bandwidth measurement.

Фиг. 1 графически иллюстрирует моменты T_A и T_B времени 3дБ в форме периода времени. Фиг. 2 графически иллюстрирует моменты F₁, F₀ и F₂ времени 3 дБ в форме частоты.Fig. 1 graphically illustrates 3dB time instants T _A and T _B in the form of a time period. Fig. 2 graphically illustrates the 3 dB times F ₁ , F ₀ and F ₂ in frequency form.

Одним недостатком способа поочередного измерения первой и конечной точек 3дБ является то, что показатель измерения в точке B не получается в то же самое время, что и показатель измерения в точке A. Следовательно, если плотность текучей среды изменяется, тогда выполняются ошибочные измерения Q. Это иллюстрируется на фиг. 3 в форме частоты. Будет очевидно, что F₁ обновляется по нечетным номерам выборки, а F₂ обновляется по четным номерам выборки. Q вычисляется в каждом цикле с помощью самого последнего значения F₁ и F₂, таким образом, либо F₁, либо F₂ будет на один цикл устаревшим, и в этом случае вычисленный Q будет колебаться высоко и низко, даже если полоса пропускания и, следовательно, Q должна быть относительно постоянной.One disadvantage of the method of alternately measuring the first and final 3dB points is that the measurement at point B is not obtained at the same time as the measurement at point A. Therefore, if the density of the fluid changes, then erroneous measurements of Q are made. This is illustrated in Fig. 3 in frequency form. It will be obvious that F ₁ is updated on odd sample numbers and F ₂ is updated on even sample numbers. Q is calculated in each cycle using the most recent value of F ₁ and F ₂ , so either F ₁ or F ₂ will be one cycle out of date, in which case the calculated Q will fluctuate high and low even though the bandwidth and therefore, Q must be relatively constant.

Q является очень чувствительным к изменениям в частоте или периоде времени, вот почему существует необходимость в улучшенном способе. Обращаясь снова к фиг. 3, например, частота номинально равна 1350 Гц, а изменение в частоте равно приблизительно 0,09 Гц для каждой выборки. Хотя дрейф частоты очень мал, результирующее колебание показателя Q равно 1% для каждой выборки (см. фиг. 7). Т.е., воздействие на Q более чем в 100 раз больше по сравнению с лежащим в основе дрейфом частоты. Этот дрейф может быть результатом стабильного изменения в составе текучей среды, или он может возникать из изменения в температуре.Q is very sensitive to changes in frequency or time period, which is why there is a need for an improved method. Referring again to FIG. 3, for example, the frequency is nominally 1350 Hz, and the change in frequency is approximately 0.09 Hz for each sample. Although the frequency drift is very small, the resulting variation in Q is 1% for each sample (see FIG. 7). That is, the effect on Q is more than 100 times greater compared to the underlying frequency drift. This drift may be the result of a stable change in fluid composition, or it may arise from a change in temperature.

Настоящие варианты осуществления относятся к устройствам и способам для получения показателей F₁ и F₂, которые соответствуют одному и тому же моменту времени, так что даже если плотность текучей среды изменяется, показатель Q является значительно более точным.The present embodiments relate to devices and methods for obtaining F ₁ and F ₂ values that correspond to the same point in time, so that even if the fluid density changes, the Q value is significantly more accurate.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Вибрационное измерительное устройство, функционирующее, чтобы определять, по меньшей мере, одно из вязкости и плотности текучей среды в нем, предоставляется согласно варианту осуществления. Вибрационное измерительное устройство содержит задающее устройство и вибрационный элемент, приспособленный для вибрации посредством задающего устройства и функционирующий, чтобы быть в контакте с текучей средой. Вибрационный датчик конфигурируется, чтобы обнаруживать вибрационную реакцию вибрационного элемента. Электроника измерительного устройства конфигурируется, чтобы отправлять сигнал возбуждения задающему устройству и принимать вибрационную характеристику, и дополнительно конфигурируется, чтобы измерять первую точку вибрационной характеристики и вычислять вторую точку вибрационной характеристики для вибрационной характеристики, при этом вторая точка вибрационной характеристики является одной из интерполированной и экстраполированной из других измеренных точек характеристики, и при этом электроника измерительного устройства дополнительно конфигурируется, чтобы вычислять Q вибрационного элемента с помощью первой точки вибрационной характеристики и второй точки вибрационной характеристики.A vibration measuring device operable to determine at least one of viscosity and density of a fluid therein is provided according to an embodiment. The vibration measuring device includes a driver and a vibration element adapted to vibrate by the driver and operative to be in contact with a fluid. The vibration sensor is configured to detect the vibration response of the vibration element. The measurement device electronics are configured to send a drive signal to the driver and receive the vibration characteristic, and are further configured to measure a first vibration characteristic point and calculate a second vibration characteristic point for the vibration characteristic, wherein the second vibration characteristic point is one interpolated and extrapolated from the others measured characteristic points, and wherein the electronics of the measuring device are further configured to calculate Q of the vibration element using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point.

Способ определения вязкости или плотности текучей среды с помощью вибрационного измерительного устройства предоставляется согласно варианту осуществления. Способ содержит отправку сигнала возбуждения задающему устройству и приведение в действие вибрационного элемента с помощью задающего устройства. Вибрации вибрационного элемента обнаруживаются. Первая точка вибрационной характеристики для вибрационной характеристики измеряется. Вторая точка вибрационной характеристики для вибрационной характеристики вычисляется, при этом вторая точка вибрационной характеристики является одной из интерполированной и экстраполированной из других измеренных точек характеристики. Q вибрирующего элемента вычисляется с помощью первой точки вибрационной характеристики и второй точки вибрационной характеристики.A method for determining the viscosity or density of a fluid using a vibration measuring device is provided according to an embodiment. The method comprises sending an excitation signal to a driver and driving a vibrating element using the driver. Vibrations of the vibrating element are detected. The first vibration characteristic point for the vibration characteristic is measured. A second vibration characteristic point for the vibration characteristic is calculated, wherein the second vibration characteristic point is one interpolated and extrapolated from other measured characteristic points. The Q of the vibrating element is calculated using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point.

АспектыAspects

Согласно аспекту, вибрационное измерительное устройство функционирует, чтобы определять, по меньшей мере, одно из вязкости и плотности текучей среды в нем. Вибрационное измерительное устройство содержит задающее устройство и вибрационный элемент, приспособленный для вибрации посредством задающего устройства и функционирующий, чтобы быть в контакте с текучей средой. Вибрационный датчик конфигурируется, чтобы обнаруживать вибрационную характеристику вибрационного элемента. Электроника измерительного устройства конфигурируется, чтобы отправлять сигнал возбуждения задающему устройству и принимать вибрационную характеристику, и дополнительно конфигурируется, чтобы измерять первую точку вибрационной характеристики и вычислять вторую точку вибрационной характеристики для вибрационной характеристики, при этом вторая точка вибрационной характеристики является одной из интерполированной и экстраполированной из других измеренных точек характеристики, и при этом электроника измерительного устройства дополнительно конфигурируется, чтобы вычислять Q вибрационного элемента с помощью первой точки вибрационной характеристики и второй точки вибрационной характеристики.According to an aspect, the vibration measuring device functions to determine at least one of a viscosity and a density of a fluid therein. The vibration measuring device includes a driver and a vibration element adapted to vibrate by the driver and operative to be in contact with a fluid. The vibration sensor is configured to detect the vibration characteristic of the vibration element. The measurement device electronics are configured to send a drive signal to the driver and receive the vibration characteristic, and are further configured to measure a first vibration characteristic point and calculate a second vibration characteristic point for the vibration characteristic, wherein the second vibration characteristic point is one interpolated and extrapolated from the others measured characteristic points, and wherein the electronics of the measuring device are further configured to calculate Q of the vibration element using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point.

Предпочтительно, электроника измерительного устройства конфигурируется, чтобы определять вязкость текучей среды с помощью Q.Preferably, the electronics of the measuring device are configured to determine the viscosity of the fluid using Q.

Предпочтительно, первая точка вибрационной характеристики содержит одну из первой точки измерения полосы пропускания 3дБ и конечной точки измерения полосы пропускания 3дБ, а вторая вибрационная характеристика содержит одну из первой точки измерения полосы пропускания 3 дБ и конечной точки измерения полосы пропускания 3 дБ, и вторая точка вибрационной характеристики отличается от первой точки вибрационной характеристики.Preferably, the first vibration characteristic point comprises one of a first 3 dB bandwidth measurement point and a 3 dB bandwidth measurement end point, and the second vibration characteristic comprises one of a first 3 dB bandwidth measurement point and a 3 dB bandwidth measurement end point, and a second vibration characteristic point. characteristics differs from the first point of the vibration characteristic.

Предпочтительно, первая и вторая точки вибрационной характеристики содержат частоту.Preferably, the first and second points of the vibration characteristic contain a frequency.

Предпочтительно, первая и вторая точки вибрационной характеристики содержат период времени.Preferably, the first and second vibration characteristic points comprise a time period.

Предпочтительно, вибрационный элемент является консольным.Preferably, the vibration element is cantilevered.

Предпочтительно, первая точка вибрационной характеристики и вторая точка вибрационной характеристики для вибрационной характеристики соответствуют одному и тому же моменту времени.Preferably, the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point for the vibration characteristic correspond to the same point in time.

Предпочтительно, другие измеренные точки характеристики содержат, по меньшей мере, две точки.Preferably, the other measured characteristic points contain at least two points.

Согласно аспекту, предоставляется способ определения вязкости или плотности текучей среды с помощью вибрационного измерительного устройства. Способ содержит отправку сигнала возбуждения задающему устройству и приведение в действие вибрационного элемента с помощью задающего устройства. Вибрации вибрационного элемента обнаруживаются. Первая точка вибрационной характеристики для вибрационной характеристики измеряется. Вторая точка вибрационной характеристики для вибрационной характеристики вычисляется, при этом вторая точка вибрационной характеристики является одной из интерполированной и экстраполированной из других измеренных точек характеристики. Q вибрационного элемента вычисляется с помощью первой точки вибрационной характеристики и второй точки вибрационной характеристики.According to an aspect, a method is provided for determining the viscosity or density of a fluid using a vibration measuring device. The method comprises sending an excitation signal to a driver and driving a vibrating element using the driver. Vibrations of the vibrating element are detected. The first vibration characteristic point for the vibration characteristic is measured. A second vibration characteristic point for the vibration characteristic is calculated, wherein the second vibration characteristic point is one interpolated and extrapolated from other measured characteristic points. The Q of the vibration element is calculated using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point.

Предпочтительно, способ содержит этап определения вязкости текучей среды с помощью Q.Preferably, the method comprises the step of determining the viscosity of the fluid using Q.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Один и тот же ссылочный номер представляет один и тот же элемент на всех чертежах. Следует понимать, что чертежи необязательно должны быть нарисованы в масштабе.The same reference number represents the same element in all drawings. It should be understood that the drawings do not necessarily have to be drawn to scale.

Фиг. 1 иллюстрирует моменты T_A и T_B времени 3 дБ в форме периода времени;Fig. 1 illustrates 3 dB times T _A and T _B in time period form;

Фиг. 2 иллюстрирует моменты F₁ и F₂ времени 3 дБ в форме частоты;Fig. 2 illustrates 3 dB times F ₁ and F ₂ in frequency form;

Фиг. 3 иллюстрирует измерение предшествующего уровня техники точек 3 дБ, связанных с вычислениями Q;Fig. 3 illustrates prior art measurement of 3 dB points associated with Q calculations;

Фиг. 4 иллюстрирует вибрационное измерительное устройство;Fig. 4 illustrates a vibration measuring device;

Фиг. 5 иллюстрирует измерение точек 3 дБ, связанное с вычислениями Q согласно варианту осуществления;Fig. 5 illustrates 3 dB point measurement associated with Q calculations according to an embodiment;

Фиг. 6 иллюстрирует измерение точек 3 дБ, связанное с вычислениями Q согласно альтернативно варианту осуществления;Fig. 6 illustrates 3 dB point measurement associated with Q calculations according to an alternative embodiment;

Фиг. 7 иллюстрирует сравнение измеренного согласно предшествующему уровню техники Q в течение времени с измеренным Q согласно вариантам осуществления;Fig. 7 illustrates a comparison of prior art measured Q over time with measured Q according to embodiments;

Фиг. 8 иллюстрирует электронику измерительного устройства согласно варианту осуществления; иFig. 8 illustrates the electronics of a measuring device according to an embodiment; And

Фиг. 9 иллюстрирует способ вычисления Q согласно варианту осуществления.Fig. 9 illustrates a method for calculating Q according to an embodiment.

Подробное описание изобретенияDetailed Description of the Invention

Фиг. 1-9 и последующее описание изображают конкретные примеры, чтобы научить специалистов в области техники тому, как создавать и использовать оптимальный режим вариантов осуществления вибрационного измерительного устройства. Для целей изучения принципов изобретения, некоторые традиционные аспекты упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники поймут вариации из этих примеров, которые попадают в рамки настоящего описания. Специалисты в данной области техники поймут, что признаки, описанные ниже, могут быть объединены различными способами, чтобы формировать множественные вариации вибрационного измерительного устройства. В результате, варианты осуществления, описанные ниже, не ограничиваются конкретными примерами, описанными ниже, а только формулой изобретения и ее эквивалентами.Fig. 1-9 and the following description depict specific examples to teach those skilled in the art how to create and use optimal performance of vibration sensing device embodiments. For purposes of teaching the principles of the invention, certain traditional aspects have been simplified or omitted. Those skilled in the art will recognize variations from these examples that fall within the scope of the present description. Those skilled in the art will appreciate that the features described below can be combined in various ways to form multiple variations of a vibration sensing device. As a result, the embodiments described below are not limited to the specific examples described below, but only to the claims and their equivalents.

Предоставленные варианты осуществления относятся к плотномерам и вискозиметрам и к связанным способам для точного вычисления показателей добротности Q вибрационных элементов. В частности, показания для первой точки (T_A) измерения полосы пропускания 3 дБ и конечной точки (T_B) измерения полосы пропускания 3 дБ используются в вычислениях показателя Q, которые соответствуют одному и тому же моменту, так что, даже если плотность текучей среды изменяется, показатель Q остается точным.The provided embodiments relate to density meters and viscometers and related methods for accurately calculating quality factors Q of vibration elements. In particular, the readings for the first point (T _A ) of the 3 dB bandwidth measurement and the end point (T _B ) of the 3 dB bandwidth measurement are used in the Q metric calculations, which correspond to the same moment, so that even if the fluid density changes, the Q indicator remains accurate.

Фиг. 4 изображает вибрационное измерительное устройство 100. Вибрационное измерительное устройство 100 может быть сконфигурировано, чтобы измерять плотность и/или вязкость текучей среды, такой как жидкость или газ, например. Вибрационное измерительное устройство 100 включает в себя корпус 102 с вибрационным элементом 104, расположенным, по меньшей мере, частично внутри корпуса 102. Корпус 102 помогает поддерживать давление текучей среды, когда вибрационный элемент 104 колеблется. Фрагмент корпуса 102 вырезан. В примерах, вибрационное измерительное устройство 100 может быть расположено в ряд с существующим трубопроводом. В дополнительных примерах, однако, корпус 102 может содержать закрытые концы с отверстиями, чтобы принимать пробу текучей среды. Во многих случаях корпус 102 или вибрирующий элемент 104 может включать в себя фланцы или другие элементы для функционального присоединения вибрационного измерительного устройства 100 к трубопроводу или аналогичному устройству доставки текучей среды непроницаемым для текучей среды образом. В примере вибрационного измерительного устройства 100 вибрационный элемент 104 является кантилевером, установленным на корпус 102 на первом конце 106. Вибрационный элемент 104 является свободным для вибрации на втором конце 108.Fig. 4 depicts a vibration measuring device 100. The vibration measuring device 100 may be configured to measure the density and/or viscosity of a fluid such as a liquid or gas, for example. Vibration meter 100 includes a housing 102 with a vibration element 104 located at least partially within the housing 102. The housing 102 helps maintain fluid pressure as the vibration element 104 oscillates. A fragment of body 102 has been cut out. In examples, vibration measuring device 100 may be located in line with an existing pipeline. In additional examples, however, housing 102 may include closed ends with openings to receive a fluid sample. In many cases, housing 102 or vibrating element 104 may include flanges or other elements for operably connecting vibrating meter 100 to a pipeline or similar fluid delivery device in a fluid-tight manner. In the example vibration measuring device 100, the vibration element 104 is a cantilever mounted on the housing 102 at the first end 106. The vibration element 104 is free to vibrate at the second end 108.

Примерное вибрационное измерительное устройство 100 является погружным, в том смысле, что измеряемая текучая среда присутствует со всех сторон вибрационного элемента 104. Вибрационный элемент 104 может принимать форму трубки, листа, модифицированного листа, вилки (как иллюстрировано), стержня или другой формы, известной на уровне техники. Вибрационный элемент 104 может быть закреплен на одном или обоих концах и может быть консольным в некоторых вариантах осуществления, таких как иллюстрированный. Согласно показанному примеру, вибрационный элемент 104 может включать в себя множество отверстий для текучей среды (не показаны) рядом с первым концом 106. Отверстия для текучей среды могут быть предусмотрены, чтобы предоставлять возможность некоторой части текучей среды, поступающей в вибрационное измерительное устройство 100, протекать между корпусом 102 и вибрационным элементом 104. В других примерах, отверстия могут быть предусмотрены в корпусе 102, чтобы выводить испытываемую текучую среду на внешнюю поверхность вибрационного элемента 104. В дополнительных примерах, однако, текучая среда может поступать в вибрационное измерительное устройство через каналы в металлической конструкции рядом с первым концом 106.An exemplary vibrating meter 100 is submersible, in the sense that the fluid to be measured is present on all sides of the vibrating element 104. The vibrating element 104 may take the form of a tube, sheet, modified sheet, fork (as illustrated), rod, or other shape known in the art. level of technology. The vibrating element 104 may be secured at one or both ends and may be cantilevered in some embodiments, such as the illustrated one. According to the example shown, the vibrating element 104 may include a plurality of fluid openings (not shown) adjacent the first end 106. The fluid openings may be provided to allow some of the fluid entering the vibrating sensing device 100 to flow between the housing 102 and the vibration element 104. In other examples, openings may be provided in the housing 102 to conduct the test fluid to the outer surface of the vibration element 104. In additional examples, however, the fluid may enter the vibration measuring device through channels in the metal structures near the first end 106.

Дополнительно показаны на фиг. 4 задающее устройство 112 и вибрационный датчик 114, расположенный в цилиндре 116. Задающее устройство 112 и вибрационный датчик 114 могут содержать катушки, но другие реализации также являются возможными, такие как пьезо датчики, оптические датчики, тензодатчики и т.д. Если электрический ток предоставляется катушке, магнитное поле индуцируется в вибрационном элементе 104, вынуждающее вибрационный элемент 104 вибрировать. Наоборот, вибрация вибрационного элемента 104 индуцирует напряжение в вибрационном датчике 114. Задающее устройство 112 принимает задающий сигнал от измерительной электронной аппаратуры 118 для того, чтобы осуществлять вибрацию вибрационного элемента 104 с одной из его резонансных частот в одном из множества режимов вибрации, включающих в себя, например, простое сгибание, торсионный, радиальный или связанный тип. Вибрационный датчик 114 обнаруживает вибрацию вибрационного элемента 104, включающую в себя частоту, с которой вибрационный элемент 104 вибрирует, и отправляет информацию о вибрации измерительной электронной аппаратуре 118 для обработки. Когда вибрационный элемент 104 вибрирует, текучая среда, контактирующая со стенкой вибрационного элемента, и текучая среда на коротком расстоянии от цилиндра будут вибрировать вместе с вибрационным элементом 104. Добавленная масса текучей среды, контактирующей с вибрационным элементом 104, снижает резонансную частоту. Новая, более низкая, резонансная частота вибрационного элемента 104 используется для определения плотности текучей среды. Резонансная характеристика, или показатель добротности, может также быть использована для определения вязкости текучей среды. Если испытываемая текучая среда присутствует, показатель добротности вибрационного элемента 104 будет изменяться обратно пропорционально вязкости текучей среды.Additionally shown in Fig. 4, a driver 112 and a vibration sensor 114 located in the cylinder 116. The driver 112 and vibration sensor 114 may include coils, but other implementations are also possible, such as piezo sensors, optical sensors, strain gauges, etc. If electric current is supplied to the coil, a magnetic field is induced in the vibration element 104, causing the vibration element 104 to vibrate. Conversely, vibration of the vibration element 104 induces a voltage in the vibration sensor 114. The driver 112 receives a driver signal from the instrument electronics 118 to vibrate the vibration element 104 at one of its resonant frequencies in one of a variety of vibration modes, including, for example, simple bending, torsion, radial or bonded type. The vibration sensor 114 detects vibration of the vibration element 104, including the frequency at which the vibration element 104 vibrates, and sends the vibration information to the measurement electronics 118 for processing. When the vibrating element 104 vibrates, the fluid in contact with the wall of the vibrating element and the fluid a short distance from the cylinder will vibrate along with the vibrating element 104. The added mass of the fluid in contact with the vibrating element 104 reduces the resonant frequency. The new, lower, resonant frequency of the vibrating element 104 is used to determine the density of the fluid. The resonance characteristic, or quality factor, can also be used to determine the viscosity of a fluid. If the test fluid is present, the quality factor of the vibrating element 104 will vary inversely with the viscosity of the fluid.

В вариантах осуществления первая точка резонансной частоты и вторая точка резонансной частоты измеряются для использования в вычислениях показателя добротности. Альтернативно, первый и второй моменты времени измеряются. Обращаясь к фиг. 3 и 4, в вариантах осуществления, показатели измерения резонансной частоты вибрационного элемента 104, по меньшей мере, для одной из первой точки (F₁) измерения полосы пропускания 3 дБ и конечной точки (F₂) измерения полосы пропускания 3 дБ должны устанавливать прямую линию, так что два значения используются из одного и того же периода времени. Такие значения могут быть последовательными, как иллюстрировано, или непоследовательными. Такие показания вычисляются электроникой 118 измерительного устройства. Следует отметить, что либо период времени, либо частота могут быть использованы в отношении точек измерения полосы пропускания 3 дБ.In embodiments, the first resonant frequency point and the second resonant frequency point are measured for use in quality factor calculations. Alternatively, the first and second times are measured. Referring to FIG. 3 and 4, in embodiments, the resonant frequency measurement performance of the vibration element 104 for at least one of the first 3 dB bandwidth measurement point (F ₁ ) and the end 3 dB bandwidth measurement point (F ₂ ) should establish a straight line , so that the two values are from the same time period. Such values may be sequential, as illustrated, or inconsistent. Such readings are calculated by the electronics 118 of the measuring device. It should be noted that either the time period or the frequency can be used in relation to the 3 dB bandwidth measurement points.

На фиг. 5 иллюстрируется в качестве примера то, что значение F₁ интерполируется между точками фактического измерения. В этом случае, значение интерполируется для F₂ между номерами 4 и 6 выборки. Будет ясно, что этот момент времени соответствует моменту, когда F₁ измеряется - т.е., выборке 5. Этот момент соответствует стрелке, показанной на фиг. 5. Интерполированное значение F₂ затем используется совместно с измеренным значением F₁ во время измерения значения F₁, чтобы вычислять Q. Следует отметить, что это просто пример, и значение F₁ может быть интерполировано, при этом показатель F₂ используется для вычислений Q. Кроме того, номера выборок также предоставляются только с целью иллюстративного примера, и любые номера выборок, последовательные или непоследовательные, могут быть использованы.In fig. 5 illustrates by way of example that the value of F ₁ is interpolated between the actual measurement points. In this case, the value is interpolated for F ₂ between sample numbers 4 and 6. It will be clear that this point in time corresponds to the moment when F ₁ is measured - ie, sample 5. This point corresponds to the arrow shown in FIG. 5. The interpolated F ₂ value is then used in conjunction with the measured F ₁ value during the F ₁ value measurement to calculate Q. It should be noted that this is just an example and the F ₁ value can be interpolated with the F ₂ value used to calculate Q In addition, sample numbers are also provided for illustrative purposes only, and any sample numbers, sequential or non-sequential, may be used.

Недостатком этого подхода является то, что вычисления для Q всегда запаздывают от измерения в реальном времени. Альтернативный способ, который не приводит в результате к запаздыванию, иллюстрируется на фиг. 6. В этом варианте осуществления линия устанавливается между последовательными показаниями F₂ при номере выборки 2 и 4 и затем экстраполируется к моменту времени, когда получается выборка номер 5. Этот момент соответствует стрелке, показанной на фиг. 6. Следует отметить снова, что это просто пример, и значение F₁ может быть экстраполировано, при этом показатель F₂ используется для вычислений Q. Кроме того, номер выборки также предоставляется только в целях примера, и любые номера выборок, последовательные или непоследовательные, могут быть использованы.The disadvantage of this approach is that the calculation for Q always lags behind the real-time measurement. An alternative method that does not result in lag is illustrated in FIG. 6. In this embodiment, a line is established between successive readings of F ₂ at sample numbers 2 and 4 and is then extrapolated to the point in time at which sample number 5 is obtained. This point corresponds to the arrow shown in FIG. 6. It should be noted again that this is just an example and the value of F ₁ may be extrapolated, with the value of F ₂ used for calculations of Q. Additionally, the sample number is also provided for example purposes only, and any sample numbers, sequential or non-consecutive, can be used.

В вышеприведенных примерах только две точки используются для вычисления интерполированного или экстраполированного значения. Множество точек, средних значений, скользящих средних, уравнений крутизны характеристики или т.п. и их сочетания также могут быть использованы для вычисления интерполированных и/или экстраполированных значений.In the above examples, only two points are used to calculate the interpolated or extrapolated value. Many points, averages, moving averages, slope equations, or the like. and combinations thereof may also be used to calculate interpolated and/or extrapolated values.

Фиг. 7 иллюстрирует природу вычисленных значений Q по времени, когда плотность изменяется, с использованием сдвига моментов измерения полосы пропускания 3 дБ, которые используются устройствами предшествующего уровня техники. Будет ясно, что измеренный Q не является устойчивым. На эту линию наложен пример улучшенного измерения значения Q в результате интерполяции или экстраполяции, как показано на фиг. 3 и 4.Fig. 7 illustrates the nature of the calculated Q values over time as density changes, using the 3 dB bandwidth measurement timing offset used by prior art devices. It will be clear that the measured Q is not stable. Superimposed on this line is an example of an improved measurement of the Q value resulting from interpolation or extrapolation, as shown in FIG. 3 and 4.

Фиг. 8 является блок-схемой электроники 118 измерительного устройства согласно варианту осуществления. В эксплуатации вибрационное измерительное устройство 100 предоставляет различные значения измерений, которые могут быть выведены, включающие в себя одно или более из измеренного или усредненного значения плотности, вязкости и расхода.Fig. 8 is a block diagram of meter electronics 118 according to an embodiment. In operation, vibration meter 100 provides various measurement values that can be output, including one or more of measured or averaged density, viscosity, and flow rate.

Вибрационное измерительное устройство 100 формирует ответную вибрацию. Вибрационная характеристика принимается и обрабатывается электроникой 118 измерительного устройства, чтобы формировать одно или более значений измерения текучей среды. Значения могут наблюдаться, записываться, сохраняться, суммироваться и/или выводиться.The vibration measuring device 100 generates a response vibration. The vibration signature is received and processed by the meter electronics 118 to generate one or more fluid measurement values. Values may be observed, recorded, stored, summed and/or output.

Электроника 118 измерительного устройства включает в себя интерфейс 201, систему 200 обработки на связи с интерфейсом 201 и систему 202 хранения на связи с системой 200 обработки. Хотя эти компоненты показаны как отдельные блоки, следует понимать, что электроника 118 измерительного устройства может состоять из различных сочетаний объединенных и/или раздельных компонентов.The meter electronics 118 includes an interface 201, a processing system 200 in communication with the interface 201, and a storage system 202 in communication with the processing system 200. Although these components are shown as separate units, it should be understood that the meter electronics 118 may be composed of various combinations of combined and/or separate components.

Интерфейс 201 может быть сконфигурирован для присоединения к выводам и обмена сигналами с задающим устройством 112, вибрационными датчиками 114 и датчиками температуры или давления (не показаны), например. Интерфейс 201 может быть дополнительно сконфигурирован, чтобы связываться по каналу связи с внешними устройствами.Interface 201 may be configured to connect to pins and exchange signals with driver 112, vibration sensors 114, and temperature or pressure sensors (not shown), for example. Interface 201 may be further configured to communicate with external devices.

Система 200 обработки может содержать любой вид системы обработки. Система 200 обработки конфигурируется, чтобы извлекать и выполнять сохраненные программы для того, чтобы управлять вибрационным измерителем 100. Система 202 хранения может хранить программы, включающие в себя общую программу 204 измерительного устройства. Система 202 хранения может хранить показатели измерений, принятые значения, рабочие значения и другую информацию. В некоторых вариантах осуществления система хранения хранит расход (m) 220, плотность (с) 208, вязкость (µ) 210, температуру (T) 212, давление 214, коэффициент усиления возбуждения 205, частоту и/или период времени 216, показатель добротности Q 218, программы, такие как программа 206 коэффициента усиления возбуждения, и любые другие переменные и программы, известные в области техники. Другие программы измерения/обработки рассматриваются и находятся в рамках описания и формулы изобретения.The processing system 200 may comprise any kind of processing system. The processing system 200 is configured to retrieve and execute stored programs in order to control the vibration meter 100. The storage system 202 may store programs including the general meter program 204. Storage system 202 may store measurements, received values, operating values, and other information. In some embodiments, the storage system stores flow rate (m) 220, density (s) 208, viscosity (µ) 210, temperature (T) 212, pressure 214, driving gain 205, frequency and/or time period 216, quality factor Q 218, programs such as drive gain program 206, and any other variables and programs known in the art. Other measurement/processing programs are contemplated and are within the scope of the specification and claims.

Общая программа 204 измерительного устройства может производить и сохранять количественные оценки текучей среды и измерения расхода. Общая программа 204 измерительного устройства может формировать показатели измерения вязкости и сохранять их в хранилище вязкости 210 системы 202 хранения и/или показатели измерения плотности и сохранять их в хранилище плотности 208 системы 202 хранения, например. Значение вязкости 210 может быть определено из Q 218, как ранее обсуждалось и как известно в области техники.The general meter program 204 can produce and store fluid quantifications and flow measurements. The general meter program 204 may generate viscosity measurements and store them in the viscosity store 210 of the storage system 202 and/or density measurements and store them in the density store 208 of the storage system 202, for example. The viscosity value 210 can be determined from Q 218, as previously discussed and known in the art.

Фиг. 9 изображает способ в соответствии с вариантом осуществления. Способ начинается с этапа 300. На этапе 300 вибрационный элемент 100 возбуждается для вибрации посредством задающего устройства 112. Сигнал возбуждения, который управляет возбуждающим устройством 112, отправляется из электроники 118 измерительного устройства.Fig. 9 shows a method according to an embodiment. The method begins at step 300. At step 300, the vibration element 100 is driven to vibrate by the driver 112. The drive signal that drives the driver 112 is sent from the meter electronics 118.

Способ продолжается этапом 302. На этапе 302 обнаруживаются вибрации вибрационного элемента 104.The method continues at step 302. At step 302, vibrations of the vibrating element 104 are detected.

На этапе 304 измеряется первая точка вибрационной характеристики для вибрационной характеристики.At step 304, a first vibration characteristic point for the vibration characteristic is measured.

На этапе 306 вычисляется вторая точка вибрационной характеристики для вибрационной характеристики. Вторая точка вибрационной характеристики вычисляется посредством одного из интерполяции и экстраполяции из других измеренных точек характеристики.At step 306, a second vibration characteristic point for the vibration characteristic is calculated. The second vibration characteristic point is calculated through one of interpolation and extrapolation from other measured characteristic points.

Показатель добротности Q вибрационного элемента 104 вычисляется на этапе 308 с помощью первой точки вибрационной характеристики и второй точки вибрационной характеристики, как описано в данном документе.The quality factor Q of the vibration element 104 is calculated at step 308 using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point, as described herein.

Подробные описания вышеописанных вариантов осуществления не представляют собой полные описания всех вариантов осуществления, логически выводимых авторами изобретения как находящиеся в пределах объема настоящего описания. В действительности, специалисты в области техники поймут, что определенные элементы вышеописанных вариантов осуществления могут по-разному быть объединены или устранены, чтобы создавать дополнительные варианты осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления попадают в рамки и учения настоящего описания. Специалистам в данной области техники также должно быть очевидным, что вышеописанные варианты осуществления могут комбинироваться полностью или частично, чтобы создавать дополнительные варианты осуществления в пределах объема и идей настоящего описания.The detailed descriptions of the above-described embodiments do not constitute complete descriptions of all embodiments believed by the inventors to be within the scope of the present description. Indeed, those skilled in the art will appreciate that certain elements of the above-described embodiments may be combined or eliminated in various ways to create additional embodiments, and such additional embodiments fall within the scope and teachings of the present disclosure. It will also be apparent to those skilled in the art that the above-described embodiments may be combined in whole or in part to create additional embodiments within the scope and teachings of the present disclosure.

Таким образом, хотя конкретные варианты осуществления описываются в данном документе в качестве иллюстрации, различные эквивалентные модификации являются возможными в пределах объема настоящего описания, как должны признавать специалисты в данной области техники. Учения, предоставленные в данном документе, могут быть применены к другим вибрационным измерительным устройствам, а не только к вариантам осуществления, описанным выше и показанным на сопровождающих чертежах. Соответственно, рамки вариантов осуществления, описанных выше, должны определяться из последующей формулы изобретения.Thus, while specific embodiments are described herein by way of illustration, various equivalent modifications are possible within the scope of the present description as those skilled in the art will appreciate. The teachings provided herein may be applied to other vibration measuring devices, not just the embodiments described above and shown in the accompanying drawings. Accordingly, the scope of the embodiments described above is to be determined from the following claims.

Claims

1. A vibration measuring device (100) operable to determine at least one of viscosity and density of a fluid therein, comprising:

master device (112);

a vibration element (104) adapted to vibrate by means of a driver (112) and operative to be in contact with a fluid;

a vibration sensor (114) configured to detect a vibration characteristic of the vibration element (104);

measurement device electronics (118) configured to send a drive signal to the driver (112) and receive a vibration characteristic, and further configured to measure a first vibration characteristic point and calculate a second vibration characteristic point for the vibration characteristic, wherein the second vibration characteristic point is one of the interpolated and extrapolated from the other measured characteristic points, and wherein the meter electronics (118) are further configured to calculate a quality factor Q of the vibration element (104) using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point, wherein the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point for the vibration characteristic correspond to the same point in time, wherein the electronics (118) of the measuring device are configured to determine the viscosity of the fluid by Q.

2. The vibration measuring device (100) according to claim 1, wherein the first vibration characteristic point comprises one of a first 3 dB bandwidth measurement point (Fi) and a 3 dB bandwidth measurement end point (F2), and the second vibration characteristic point comprises one of a first 3 dB bandwidth measurement point (F1) and a 3 dB bandwidth measurement end point (F2), and a second vibration characteristic point different from the first vibration characteristic point.

3. The vibration measuring device (100) according to claim 2, wherein the first and second points of the vibration characteristic include a frequency.

4. The vibration measuring device (100) according to claim 2, wherein the first and second vibration characteristic points comprise a time period.

5. Vibration measuring device (100) according to claim 1, wherein the vibration element (104) is cantilever.

6. The vibration measuring device (100) according to claim 1, wherein the other points of the measured characteristic comprise at least two points.

7. A method for determining the viscosity or density of a fluid using a vibration measuring device (100), comprising the steps of:

sending an excitation signal to the driver (112); the vibration element (104) is activated using a driving device (112);

vibrations of the vibrating element (104) are detected; and the method differs in that:

measuring a first vibration characteristic point for the vibration characteristic;

calculating a second vibration characteristic point for the vibration characteristic, wherein the second vibration characteristic point is one interpolated and extrapolated from other measured characteristic points;

wherein the first point of the vibration characteristic and the second point of the vibration characteristic for the vibration

characteristics correspond to the same point in time,

calculating Q of the vibration element (104) using the first vibration characteristic point and the second vibration characteristic point, and

determine the viscosity of the fluid using Q.

8. The method of claim 7, wherein the first vibration characteristic point comprises one of a first 3 dB bandwidth measurement point (F1) and a 3 dB bandwidth measurement end point (F2), and the second vibration characteristic point comprises one of the first point ( F1) 3dB bandwidth measurement and the end point (F2) 3dB bandwidth measurement, and the second vibration characteristic point is different from the first vibration characteristic point.

9. The method according to claim 7, wherein the first and second points of the vibration characteristic contain a frequency.

10. The method according to claim 7, wherein the first and second points of the vibration characteristic contain a time period.

11. The method according to claim 7, wherein the other measured characteristic points contain at least two points.