專利名稱：密度和粘度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由于測量流體的密度和粘度的傳感器。所述傳感器使 用在流體中振動的機(jī)械元件從而進(jìn)行測量。
本發(fā)明適用于在油田工業(yè)、化工、食品工業(yè)等的密度和粘度的測量。
背景技術(shù)：
密度是單位體積的介質(zhì)質(zhì)量的測量。密度SI單位是千克每立方米 (kg/W)。例如，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下，分別地，水的密度為1000 kg/m3， 酒精的密度為790 kg/m3。
粘度是流體變形阻力的測量。粘度描述了流體內(nèi)部流動阻力并且被認(rèn) 為(be thought of as)是流體摩擦力的量度。動力粘度的SI物理單位是 帕 秒(Pa . s)。動力粘度的cgs物理單位是泊(P)。特別是在ASTM標(biāo)準(zhǔn) 中，動力粘度的物理單位更加普遍地表示為厘泊(cP)。例如，水的粘度 為1.0厘泊(2CTC時)。
從專利文件EP0282251中得知一種由于測量流體密度或粘度的傳感 器。所述傳感器包括從共同的軛上延伸的兩個平行的尖齒，從而形成適于 侵入所述流體中的音叉(tuning fork)。由于容納在所述尖齒或叉內(nèi)的一 個或更多腔室內(nèi)的一個或更多壓電激勵元件的作用，所述尖齒被激勵，從 而共振地并且反向地振動。所述振動被一個或更多同時容納的壓電傳感元 件所感測。
此傳感器具有幾厘米的典型尺寸，需要大容積和昂貴的傳感器外殼。 由此導(dǎo)致高侵入的(intrusive)測量裝置，使其不能使用在小型腔室內(nèi) 或小型管道內(nèi)。此裝置的精確度受到傳感器材料而致的壓力和溫度影響的 限制，為了修正，要求增加補(bǔ)償壓力和溫度傳感器。在高壓和高溫狀態(tài)下， 由于較大尺寸和由于在所述傳感器外殼內(nèi)執(zhí)行壓電變頻器元件，也很難執(zhí) 行操作。另外，所述傳感器幾何形狀不允許所述感測元件與流體流對準(zhǔn)，
從而導(dǎo)致在高流體粘度時的較大的測量干擾。
2005年3月4日提交的專利申請EP05290502.3中披露了一種小型化的 密度和粘度傳感器。此傳感器需要用于在影響密度和粘度測量的頻率和品 質(zhì)因素方面校正溫度和壓力變化的影響的另外的溫度和壓力傳感器。所述 隔膜的移動在所述流體中產(chǎn)生了較大的聲信號，從而由于顫噪效應(yīng)可以引 起干擾信號。所述壓電元件可以在高壓狀態(tài)下經(jīng)受高壓。所述激勵檢測方 案是基于頻率掃描，所述頻率掃描是指確定密度和粘度所需要的時間耗 費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于測量流體密度和粘度的傳感器，所 述傳感器可以克服在先技術(shù)的至少其中一個缺點(diǎn)。
根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于測量流體的密度和粘度的密度和
粘度傳感器，所述傳感器包括
一布置成浸入在所述流體中的諧振元件；
一連接到所述諧振元件上的執(zhí)行/檢測元件；
一用于連接所述執(zhí)行/檢測元件的連接器；
一用于限定與流體隔離的腔室的外殼，所述外殼包括厚度減小的區(qū) 域，所述厚度減小的區(qū)域限定將腔室與流體分開的隔膜，所述隔膜的厚度 能夠傳遞所述執(zhí)行/檢測元件與所述諧振元件之間的機(jī)械振動；
一所述執(zhí)行/檢測元件位于所述腔室內(nèi)從而與流體隔離開來，并且機(jī) 械地連接到所述隔膜上；
一布置成浸入在流體中的所述諧振元件機(jī)械地連接到所述隔膜上；
一其中所述諧振元件具有限定第一諧振模式和第二諧振模式的形狀， 所述第一諧振模式和第二諧振模式的特征為不同的諧振頻率和不同品質(zhì) 因素，所述第一諧振模式用于移動一定體積的流體，所述第二模式用于剪 切周圍流體。
通過機(jī)械連接元件所述諧振元件機(jī)械地連接到所述隔膜上，并且所述 諧振元件可以是
一大體上直的橫桿，所述橫桿在一端連接到連接元件，并且在另一端
包括球形塊；
一包括懸置在一端的球形塊的不對稱U形橫桿；
一大體上直的橫桿，所述橫桿在其中心處連接到連接元件上，并且所 述橫桿在每一端包括球形塊；
—直連接部件，所述直連接部件連接到連接元件上，并且在一端包括 槳葉形橫桿；
一直連接部件，所述直連接部件連接到連接元件上，并且在每一端包
括第一槳葉形橫桿和第二槳葉形橫桿；
一大體上直的橫桿，所述橫桿在一端連接到連接元件上，并且在另一 端附近包括板；或
一大體上直的橫桿，所述橫桿在一端連接到連接元件上，并且在另一 端附近包括管部件。
所述諧振元件可以包括與所述流體流動方向?qū)?zhǔn)的橫桿的至少一部分。
根據(jù)本發(fā)明的另外方面，厚度減小的區(qū)域可以形成腔室，執(zhí)行/檢測 元件固定在所述腔室內(nèi)。
所述執(zhí)行/檢測元件可以包括至少一個壓電元件。
一個壓電元件可以包括第一側(cè)和第二側(cè)，通過連接線將所述第一側(cè)連 接到連接器上，所述第二側(cè)電連接到所述隔膜上。
通過旋入所述腔室內(nèi)的擠壓組件可以將壓電元件推壓在隔膜上，所述 擠壓組件包括用于連接所述連接線的孔。所述擠壓組件可以包括插塞、螺 旋塞和支撐件。
所述傳感器可以進(jìn)一步包括電子裝置，所述電子裝置(EA)用于驅(qū)動 所述執(zhí)行/檢測元件從執(zhí)行模式轉(zhuǎn)換到檢測模式，反之亦然。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種用于測量流體密度和粘度的方法，所 述方法包括以下步驟
a) 將激勵信號施加到包括執(zhí)行/檢測元件的諧振裝置和布置成浸入在 所述流體中的諧振元件上；
b) 檢測由諧振裝置提供的接收信號；
c) 根據(jù)檢測的所述接收信號，確定同相傳感器實(shí)際響應(yīng)和正交傳感
器實(shí)際響應(yīng)；
d) 根據(jù)所述諧振元件的最初諧振頻率和最初品質(zhì)因素，計(jì)算同相傳 感器模型響應(yīng)和正交傳感器模型響應(yīng)；
e) 通過確定相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)，比較同相傳感器模型響應(yīng)與同相傳 感器實(shí)際響應(yīng)，并且比較正交傳感器模型響應(yīng)與正交傳感器實(shí)際響應(yīng)；
f) 重復(fù)計(jì)算步驟和比較步驟，以修改諧振頻率和修改品質(zhì)因素，并 且存儲確定的諧振頻率值、品質(zhì)因素值和相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)值；
g) 根據(jù)確定的相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)值，確定所述流體中的諧振元件的 最終諧振頻率和最終品質(zhì)因素；
其中，根據(jù)諧振元件的第一諧振模式和第二諧振模式，確定所述諧振 元件的最終諧振頻率和最終品質(zhì)因素，所述諧振元件的第一諧振模式和第 二諧振模式的特征為不同的第一諧振頻率和第二諧振頻率以及不同的第 一品質(zhì)因素和第二品質(zhì)因素，所述第一諧振模式用于移動一定體積的流 體，所述第二模式用于剪切周圍流體。
所述激勵信號可以是包括不同諧振頻率的寬頻激勵信號，或所述激勵 信號可以掃描包括不同的諧振頻率的頻率范圍。
所述方法可以進(jìn)一步包括根據(jù)第一諧振頻率和第二諧振頻率、第一品 質(zhì)因素和第二品質(zhì)因素以及通過測量已知密度和粘度的流體的諧振頻率 和品質(zhì)因素而確定的多個擬合參數(shù)，確定所述流體密度和粘度的步驟。
優(yōu)選地，比較步驟和諧振頻率/品質(zhì)因素確定步驟根據(jù)參數(shù)辨認(rèn)法進(jìn)行。
因此，本發(fā)明的傳感器能夠克服溫度和壓力對橫桿材料的影響。使用 具有與流體不同耦合方程的至少兩種振動模式，能夠計(jì)算獨(dú)立于壓力和溫 度的密度和粘度。每一個都使用具有與流體不同耦合的振動模式的兩個傳 感器也是可以的。
在延伸的壓力和溫度范圍內(nèi)，本發(fā)明的密度和粘度傳感器是精確的， 尤其是傳感器能夠在高壓和高溫(例如，高達(dá)30Kpasi和20CTC)下操作。 本發(fā)明的傳感器極大改善了允許有效的諧振器激勵的位移體積比 (displacement to volume),且沒有在所述流體中產(chǎn)生聲波，由此，克
服了顫噪效應(yīng)。 最后，通過使用覆蓋有用頻率的整個范圍的寬頻激勵信號，本發(fā)明的 測量方法使得測量時間極大地減少。


通過示例圖示了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于附圖，在所述附圖中相同的 附圖標(biāo)記表示相同的部件。
圖l是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的任何一個實(shí)施例的、用于測量流體
密度和粘度的傳感器的橫截面圖和部分放大的橫截面圖2、 3和4分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的、用于測 量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖5、 6和7分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的、用于測 量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖8、 9和10分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的、用于測 量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖ll、 12和13分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的、用于 測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖14、 15和16分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的、用于 測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖17、 18和19分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的、用于 測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖20、 21和22分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的、用于 測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖；和
圖23示意性地圖示了與本發(fā)明的傳感器相聯(lián)系的電子裝置。
具體實(shí)施例方式
圖l至22顯示了本發(fā)明的密度和粘度傳感器l 。
圖l是傳感器l的橫截面圖，傳感器l可以是任何一個可能傳感器實(shí)施 例1A、 1B、 1C、 1D、 1E、 1F和1G。為了清晰起見，圖l也顯示了壓電元件
連接區(qū)域的放大部分。
密度和粘度傳感器1包括外殼2。所述傳感器包括諧振元件3。在圖1中，
用十字矩形表示的諧振元件3可以具有各種形狀，這一點(diǎn)將會在以后更加 具體地描述。
外殼2可以進(jìn)一步包括連接器7 (為了清晰起見，沒有具體顯示連接器 7)，連接器7可以是標(biāo)準(zhǔn)化的同軸連接器、多插口連接器或任何適于特殊 應(yīng)用的其它連接器。外殼2可以包括用于容納0型環(huán)類型的密封(沒有示出) 的外圍凹槽(沒有示出)。假如密封15將流體接觸側(cè)FCS與傳感器連接側(cè)SCS 分幵，任何其它密封都是適合的。
在描述的特殊實(shí)施例中，機(jī)械連接元件5與外殼一起構(gòu)成了一個整體 部分。然而，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，機(jī)械連 接元件5可以與諧振元件一起構(gòu)成一個整體部分或可以是連接到所述外殼 和諧振元件上的附加部分。機(jī)械連接元件的功能是機(jī)械地將外殼連接到諧 振元件上，從而可以通過機(jī)械連接元件將振動傳遞。機(jī)械連接元件的另一 個功能是將諧振元件放置進(jìn)入有待測量的流體內(nèi)，從而諧振元件被所述流 體包圍或完全浸入在所述流體內(nèi)?；蛘咴跊]有與連接元件5構(gòu)成一體的情 況下，所述諧振元件和所述外殼可以組裝在一起(例如，通過任何適當(dāng)?shù)?焊接、膠合、銅焊等技術(shù))。
外殼2包括限定腔室8A的外殼內(nèi)部。在外殼2的腔室側(cè)，包括腔8B。腔
8B限定了在其內(nèi)外殼具有厚度減少的區(qū)域，所述厚度減小的區(qū)域限定了腔 室8A與流體接觸側(cè)FCS之間的隔膜9。連接元件5位于隔膜9上。優(yōu)選地，連 接元件5明顯地放置在隔膜9的中心點(diǎn)上。腔室8A可以充滿材料。優(yōu)選地， 所述材料是消振材料(例如，氣體、油、凝膠等)。由于外殼本身的寄生 振動模式，所以消振材料能夠減少擾動。
例如壓電元件4A、 4B的執(zhí)行/檢測元件4放置在腔8B內(nèi)。壓電元件包括
在厚度模態(tài)下工作和并且通過以后將會詳細(xì)描述的擠壓組件將其維持在 擠壓狀態(tài)下的一張圓盤或至少是兩張圓盤的一堆(stack)圓盤(例如， 壓電陶瓷圓盤)。在奇數(shù)壓電陶瓷圓盤元件的情況下，圓盤堆的末端將與 外殼隔離。
通過機(jī)械連接元件5和支撐件12，所述諧振元件連接到外殼2和執(zhí)行/ 檢測元件4上。機(jī)械連接元件5支撐在諧振元件3的一側(cè)上并且支撐在支撐 件12的另一側(cè)上。所述支撐件能夠均勻化其本身與執(zhí)行/檢測元件接觸的
接觸點(diǎn)上的機(jī)械應(yīng)力?？蛇x地，可以沒有支撐件12，從而執(zhí)行/檢測元件4
直接接觸連接元件5。在確保將流體接觸側(cè)FCS與腔8B密封隔離的同時，隔 膜9允許執(zhí)行/檢測元件4與諧振元件3之間的機(jī)械信號的有效傳遞。
傳感器包括插塞10和旋入腔室8A內(nèi)用于將壓電元件4放置和擠壓到隔 膜9上的螺旋塞11?？蛇x地，螺旋塞11可以被旋入腔8B內(nèi)。螺旋塞ll包括 明顯地在其中心處的使得連接線6通過的適當(dāng)?shù)目?。?dāng)旋入螺旋塞的時候， 插塞能夠?qū)弘娫┘拥礁裟ど?。插?0能夠給連接線6讓出一條從螺 旋塞中心到壓電元件的通道。通過連接線6將壓電元件的一側(cè)連接到連接 器(沒有示出)上。壓電元件4的另一側(cè)接觸隔膜9。支撐件12可以位于插 塞10與支撐元件5之間。支撐件12構(gòu)成支撐元件5與壓電元件4之間的機(jī)械 界面。優(yōu)選地，支撐件12可以接觸腔室8A的底部和可以在腔室8A內(nèi)滑動。 由此，通過隔膜9和支撐件12機(jī)械振動在諧振元件3與壓電元件4之間有效 地傳遞。
通常，在普通壓電元件上的高度機(jī)械應(yīng)力不僅引起材料損壞(破裂)， 而且極大地降低了壓電效率，從而不可能在非常高的壓力下執(zhí)行檢測。利 用本發(fā)明的傳感器，通過流體壓力，隔膜9與壓電元件4之間的表面積比降 低了施加到壓電元件上的應(yīng)力，從而傳感器能夠在非常高的壓力下進(jìn)行操
典型地，壓電陶瓷圓盤包括沉積在所述圓盤兩側(cè)上的金屬層。通過將 除了壓電陶瓷圓盤堆之外的所有的傳感器部件由金屬制造，并且機(jī)械地固 定傳感器組件可以輕易地完成電連接。因此，通過在連接線6與外殼之間 施加電壓從而操作傳感器。作為沒有示出的可選方法，當(dāng)所述外殼必須與 電子零件電絕緣時，插塞10和支撐件12可以由絕緣材料制成并且第二條線 通過插塞IO。
由此，可以避免將壓電元件膠粘到或銅焊到隔膜上。優(yōu)選地，壓電元 件4包括兩個通過連接到連接線6上的薄金屬圓盤6A形成彼此連接重疊的 壓電陶瓷元件4A和4B。通過第二導(dǎo)電層10A第一壓電元件4A也連接到插塞 IO上。通過第三導(dǎo)電層12A第二壓電元件4B也連接到支撐件12上。第一壓 電元件4A具有相對于第二壓電元件4B的反向極化狀態(tài)。壓電元件主要在擠 壓狀態(tài)下工作。由此，通過施加在第一導(dǎo)電層6A的一側(cè)上的以及施加在第
二和第三導(dǎo)電層10A和12A的另一側(cè)上的適當(dāng)電信號可以激勵兩個重疊的
壓電元件4A和4B。
作為可選方法(在附圖中沒有示出)，可以制造具有適當(dāng)極化層和導(dǎo) 電層連接的一堆附加的壓電元件(例如，3、 4、 5等壓電元件)。壓電元件 的數(shù)量越大，通過所述堆傳遞的信號就越多，由此，利用該傳感器改善了
壓電元件可以具有普通的圓柱體形狀或環(huán)形，即，在其中間部分是中 空的圓柱體形狀。
優(yōu)選地，傳感器進(jìn)一步包括例如凸緣連接、螺紋連接(在附圖中沒有 示出)等用于將傳感器固定到導(dǎo)管、管道、管子的任何適當(dāng)裝置。這些裝 置能夠最優(yōu)地將諧振元件定位在流體流內(nèi)。
壓電元件和擠壓組件能夠在高壓和高溫(例如，高達(dá)30Kpasi和20(TC) 狀態(tài)下執(zhí)行可靠的傳感器功能，因?yàn)?br> 一擠壓元件在擠壓狀態(tài)下工作，而不是在彎曲狀態(tài)下工作，由此能夠在高 應(yīng)力下工作而不會出現(xiàn)故障；
一在所述組件內(nèi)沒有粘合，由此即使在高溫下也能保持較高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性； 一低本質(zhì)性損失(low intrinsic losses),由此能夠達(dá)到低粘度流體測 量所要求的高品質(zhì)因素(quality factor);和
一最小化壓電效率損失，由此甚至在最大壓力范圍上達(dá)到高信噪比(high signal to noise ratio)。
圖2、 3和4分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例1A的、用于
測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖。在此實(shí)施例中， 諧振元件3A以大體上直的橫桿21的形式存在，通過機(jī)械連接元件5所述橫 桿21在其一端連接到外殼2，并且所述橫桿21的另一端包括球形塊22。橫 桿21由具有圓形橫截面或橢圓形橫截面的線(wire:或鋼絲)制成。
圖5、 6和7分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例1B的、用于
測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖。在此實(shí)施例中， 諧振元件3B以在其一端包括懸置塊的非對稱U形橫桿的形式存在。更具體 地，諧振元件3B包括第一橫桿部分31、彎成U形第二橫桿部分32和第三橫 桿部分33。第一橫桿部分31和第三橫桿部分33大體上是直的。所述橫桿部分都是由具有圓形橫截面或橢圓形橫截面的線制成。
圖8、 9和10分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例1C的、用于
測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖。在此實(shí)施例中，
諧振元件3C以大體上直的橫桿41的形式存在，通過機(jī)械連接元件5所述橫 桿41在其中心處連接到外殼2上，并且所述橫桿41在其每一端包括球形塊 42和43。橫桿41由具有圓形橫截面或橢圓形橫截面的線制成。
圖ll、 12和13分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例1D的、用 于測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖。在此實(shí)施例 中，諧振元件3D包括通過機(jī)械連接元件5連接到外殼2上的直的連接部件 51，并且在其一端是槳葉形橫桿52。所述槳葉形橫桿52相對于機(jī)械連接元 件5所限定的方向、或相對于所述隔膜所限定的平面形成一個角度(例如 45度，然而其它任何角度也可以)。
圖14、 15和16分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的、用于
測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖。在此實(shí)施例中， 諧振元件3E包括通過機(jī)械連接元件5連接到外殼2上的直的連接部件61，并 且在兩端分別具有第一槳葉形橫桿62和第二槳葉形橫桿63。所述槳葉形橫 桿62、 63相對于機(jī)械連接元件5所限定的方向、或相對于所述隔膜所限定 的平面形成一個角度(例如45度，然而其它任何角度也可以)。兩個槳葉 形橫桿52可以定向成同一方向。
圖17、 18和19分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的、用于
測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖。在此實(shí)施例中， 諧振元件3F以大體上直的橫桿71的形式存在，通過機(jī)械連接元件5所述橫 桿71在其一端連接到外殼2上，并且所述橫桿71在其另一端附近包括板72。 所述板72大體上平行于由所述隔膜限定的平面，并且沿橫桿71被連接。板 72可以具有比橫桿直徑大一些的寬度，并且可以在橫桿72的端部突出。橫 桿71由具有圓形橫截面或橢圓形橫截面的線制成。
圖20、 21和22分別是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例1G的、用
于測量流體密度和粘度的傳感器的側(cè)視圖、透視圖和底視圖。在此實(shí)施例 中，諧振元件3G以大體上直的橫桿81的形式存在，通過機(jī)械連接元件5所 述橫桿81在其一端連接到外殼2上，并且所述橫桿81的另一端附近包括管
部件82。所述管部件82，大體上平行于由所述隔膜所限定的平面，并且沿
橫桿81被連接。所述管部件82的直徑可以大于橫桿直徑。橫桿81由具有圓 形橫截面或橢圓形橫截面的線制成。
優(yōu)選地，根據(jù)以上任何一個實(shí)施例的諧振元件與流體流對準(zhǔn)。此構(gòu)造 能夠最小化高速粒子流中的侵蝕作用。也能夠最小化由于存在測量裝置而 形成的湍流并且由此能夠最小化諧振元件的噪音。-
在以上描述的實(shí)施例中，在附圖中可以看見各種橫桿包括具有圓形橫 截面的線。然而，這不是限制性的，因?yàn)闄M桿可以可選地包括具有橢圓形 或具有平行六面體橫截面(例如矩形橫截面)或具有三角形橫截面等的任 何線。所述線的直徑可以是幾百微米。
有利地，與流體接觸的傳感器元件，例如外殼2、隔膜9、連接元件5、 諧振元件3，是由例如因科鐐合金的高強(qiáng)度和高耐蝕性不銹鋼制成。
諧振元件也可以由具有例如藍(lán)寶石或硼碳的低密度材料制成。使用藍(lán) 寶石或硼碳提高了流體密度的靈敏度。
可選地，諧振元件可以由用于檢測或測量流體中的化學(xué)物類的特殊材 料制成。
圖23示意性地圖示了與本發(fā)明的傳感器相聯(lián)系的電子裝置EA。所述電 子裝置EA可以通過在所述腔室內(nèi)一體形成與密度和粘度傳感器1形成一個 整體，或可以從外部連接到外部連接器上。所述電子裝置可以包括離散的 電子元件或可以以集成電路的形式實(shí)現(xiàn)。
電子裝置EA包括控制電路LOG、振蕩器SOS、第一開關(guān)SW1、第二開 關(guān)SW2、放大器AMP、檢測電路SYS和處理電路PRO。
控制電路LOG連接到振蕩器S0S、第一幵關(guān)SW1和第二開關(guān)SW2、放 大器AMP和檢測電路SYS。
以下將會更具體地描述振蕩器如何執(zhí)行傳感器激勵和檢測方案。 在第一步中，控制電路L0G關(guān)閉第一開關(guān)SW1、打開第二開關(guān)SW2。 由此，振蕩器S0S將激勵信號施加到壓電元件4上。施加激勵信號引起壓 電元件4使得連接元件和諧振元件3產(chǎn)生位移。根據(jù)所要求的激勵信號，
激勵信號典型地在幾伏到幾百伏范圍內(nèi)。
通過激勵壓電元件3， 一旦諧振元件3已經(jīng)開始振動，將會移除激勵
并且可以測量代表流體F內(nèi)的諧振元件3的振動的接收信號。
因此，在第二步中，控制電路L0G關(guān)閉第二開關(guān)SW2、打開第一開關(guān) SW1。由此壓電元件產(chǎn)生代表諧振元件3振動的接收信號。
放大器AMP將檢測信號放大。在檢測階段(phase),檢測電路SYS執(zhí) 行同步檢測。由此給處理電路PRO提供一個由傳感器1測量的實(shí)際同相響 應(yīng)信號(actual in—phase response signal)禾口——個實(shí)際正交響應(yīng)信號 (actual quadrature response signal)。
根據(jù)以下將要更具體地描述的密度和粘度確定方法，處理電路PRO提 供了流體F的密度和粘度。
要注意的是，第二開關(guān)SW2可以被省略或被其它適當(dāng)?shù)碾娮杷娲?因?yàn)榧钚盘柵c接收信號之間的數(shù)量級不同，第二開關(guān)SW2的基本功能是 保護(hù)放大器AMP。
基于在激勵階段之后緊接著為等待階段和檢測階段的連續(xù)性，為了測 量一個振動模式的頻率和品質(zhì)因素，執(zhí)行下面的激勵檢測方案。
根據(jù)傳感器的操作范圍，通過開關(guān)SW1施加覆蓋可能的諧振頻率的整 個范圍(即，F(xiàn)0—AF至F0+AF)的寬頻激勵信號。例如，激勵信號基 于以頻率FO為中心且分別具有有用的頻率范圍的正弦信號的幾個周期， 周期數(shù)量限定了有用頻譜的寬度。優(yōu)選地，當(dāng)過零點(diǎn)時激勵信號停止。
在等待階段之后，例如經(jīng)過了一個周期的時間，由于流體中的諧振元 件的振動阻尼引起的衰減信號(decaying signal)可以被測量。檢測持 續(xù)時間兼顧(compromise)計(jì)算復(fù)雜性與測量精確度。數(shù)量級是幾百個周 期。檢測信號被擴(kuò)大并且與頻率靠近FO且具有90度相位差的兩個基準(zhǔn)信 號相乘。可以獲得同相響應(yīng)和正交響應(yīng)；然后將這兩個響應(yīng)施加到寬頻為 AF的低濾波器。
然后根據(jù)通過引用在此并入的專利申請EP05290502.3中所描述的參 數(shù)辨認(rèn)法，最終信號被用于確定兩個諧振頻率和品質(zhì)因素。所述實(shí)際響應(yīng) 與計(jì)算出的響應(yīng)比較各種諧振頻率、品質(zhì)因素和相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù) (correlation coefficients所述諧振頻率和品質(zhì)因素對應(yīng)于諧振頻率 /品質(zhì)因素對，所述諧振頻率/品質(zhì)因素對與可以確定的較高標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān) 系數(shù)和相關(guān)。
與在先技術(shù)傳感器和方法相比，激勵和檢測方案與根據(jù)本發(fā)明的密度 和粘度計(jì)算一起能夠大幅度減少用于測量未知流體的諧振頻率和品質(zhì)因 素所要求的時間。例如，使用本發(fā)明進(jìn)行測量和計(jì)算用時可以小于l秒。
根據(jù)確定的諧振頻率F和品質(zhì)因素Q以及所用的具體諧振元件的擬合
模型(fitting model),可以計(jì)算密度P和粘度n 。當(dāng)諧振元件3在流體 F中振動時， 一些環(huán)繞的流體移動。諧振元件3的有效質(zhì)量(effective mass)增大了通過由移動部分帶走的流體的體積和密度確定的量Sm。因
此，此結(jié)果與流體密度相關(guān)，并且提供了一種密度計(jì)。
當(dāng)諧振元件3在流體F內(nèi)振動時，所述諧振元件以剪切方式緩慢地拉 過流體。因此，所述振動基于流體剪切阻力，并且提供了一種粘度計(jì)。
可以明顯地確定諧振元件與流體相互作用的精確分析模型 (analytical model)。
密度P方程式為
<formula>formula see original document page 17</formula>[2]
在這些方程式中
一F和Fv是當(dāng)前測量的流體的諧振頻率，并且是專空狀態(tài)下的諧振頻
率；
—Q和Qv是當(dāng)前測量的流體的品質(zhì)因素，并且是真空狀態(tài)下的品質(zhì)因 素； 一實(shí)際上，根據(jù)想要的精確性，可以用空氣中測量的諧振頻率值代替 真空狀態(tài)下的諧振頻率；
一FIT0、 FIT1、 FIT2、 FIT3是通過在已知密度和粘度的流體中測量的
諧振頻率和品質(zhì)因素所確定的擬合參數(shù)；
一Pb是橫桿的密度，R是橫桿的特征尺寸；—校正系數(shù)(correction factor) K表示由于壓力和溫度相對于測量 F、,、 Qv時的壓力和溫度條件的改變而引起的形成所述橫桿的材料(例如因 科鐐合金)的楊氏模數(shù)(young' s modulus)的改變。K也受到由于溫度 或老化而導(dǎo)致的電子基準(zhǔn)頻率(electronics reference frequency)的 任何改變的影響。
本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)是，通過使用具有不同擬合參數(shù)的單個振動元件(或 相同材料的兩個振動橫桿)的至少兩種振動模式，通過溫度、壓力的獨(dú)立 測量和對橫桿材料性能的認(rèn)識，代替K的計(jì)算(evaluation)。在兩種模 式的情況下，當(dāng)記錄為第一密度P,和第二密度P2相等時，可以計(jì)算校正 系數(shù)K 。因此，己知P,二P2，得出以下方程式
<formula>formula see original document page 18</formula>其中FITIO、 FITll、 FIT21、 FIT31是通過在已知密度和粘度的流體 中測量的諧振頻率和品質(zhì)因素所確定的擬合參數(shù)。 同樣地，可以使用兩個粘度計(jì)算K。
當(dāng)己經(jīng)計(jì)算出了K，利用其替換方程式[1]和[幻中的K值，可以 確定密度和粘度。
必須要注意的是，方程式[1]至[3]不必輸入完全代表根據(jù)穩(wěn)定分 析模型(robust analytical model)的補(bǔ)償密度和粘度推算(prediction) 的溫度和壓力。
以下根據(jù)圖11至13中所顯示的第四實(shí)施例，描述雙模諧振器的示例。 所述諧振元件是槳葉形橫桿，所述槳葉形橫桿在激勵運(yùn)動的軸線具有
一個角度從而允許在槳葉平面內(nèi)的以及垂直于此平面的振動模式的激勵/檢測。
第一諧振模式的特征是第一諧振頻率F,和第一品質(zhì)因素Q"此模式對 應(yīng)于漿葉垂直于其平面的振蕩。在此模式中，所述漿葉移動了一定體積的 流體(a volume of fluid)。因此，第一諧振頻率F,對于流體密度高度敏 感。第二諧振模式的特征是第二諧振頻率F2和第二品質(zhì)因素Q2。此模式對
應(yīng)于漿葉在其平面內(nèi)的振蕩。通常，在此模式下，所述漿葉會剪切周圍流 體。因此，第二諧振頻率F2對于流體密度非常不敏感，而對阻尼效應(yīng)敏感。
由此，允許K值測定的所述擬合參數(shù)非常不同。
因此，可以計(jì)算精確的密度和粘度。
優(yōu)選地，通過電子裝置EA的處理電路PRO執(zhí)行所有上述的方法步驟。
最后評論
已經(jīng)描述了以壓電元件形式存在的執(zhí)行/檢測元件。然而，顯而易見 的是，這僅僅是執(zhí)行/檢測元件的一個示例，也可以使用例如電動機(jī)的任 何電/機(jī)械振動轉(zhuǎn)換裝置。
對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明不限于以上描 述的四個特殊的諧振元件。假設(shè)技術(shù)人員可以發(fā)現(xiàn)模擬流體中的諧振元件
3的運(yùn)動的方程式，所述元件可以具有例如在叉的兩臂之間伸展的橫桿等
的其它形狀。
另外，在附圖中顯示的橫桿明顯地平行于接觸有待測量流體的傳感器 外殼的區(qū)域。然而，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，每個 橫桿可以相對于接觸有待測量流體的傳感器外殼的區(qū)域成任何角度(例如
10°、 30°、 45°等)放置。
密度和粘度傳感器與有待測量的流體在其中流動的導(dǎo)管的連接不限 于以上描述的示例。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，根據(jù) 密度和粘度傳感器的應(yīng)用，可以進(jìn)行其它連接。
另外，為了進(jìn)行冗余測量，多個傳感器可以近距離放置，例如可以將 兩個傳感器沿流線放置。
同樣，以上使用的術(shù)語"連接器"的意思不限于機(jī)械/電連接。對于 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，可以使用無線連接器將傳感器 的測量傳遞到需要此測量的任何系統(tǒng)。
本發(fā)明應(yīng)用在例如作為油田工業(yè)井下儀器中的密度和粘度傳感器、化 學(xué)工業(yè)(塑料制造、化妝品制造)、食品工業(yè)等的各個工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。本發(fā) 明也可以應(yīng)用于航空學(xué)中，例如通過測量由于在諧振元件上的冰的附加質(zhì) 量而引起的諧振頻率的改變，檢測在例如機(jī)翼上的冰的構(gòu)成。
以上圖示的附圖及其描述不是用于限制本發(fā)明。
權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不會被認(rèn)為是限制所述權(quán)利要求。詞語 "包括"不排除權(quán)利要求中列舉的那些元件之外的其它元件的存在。在元
件之前的詞"a"或"an"不排除多個這樣的元件的存在。
權(quán)利要求
1、一種用于測量流體(F)的密度和粘度的密度和粘度傳感器(1)，所述傳感器(1)包括-布置成浸入在所述流體(F)中的諧振元件(3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G)；-連接到所述諧振元件上的執(zhí)行/檢測元件(4、4A、4B)；-連接器(7)，用于連接到所述執(zhí)行/檢測元件(4、4A、4B)；-限定與流體(F)隔離的腔室(8A)的外殼(2)，所述外殼(2)包括厚度減小的區(qū)域，所述厚度減小的區(qū)域限定將腔室(8A)與流體(F)分開的隔膜(9)，所述隔膜(9)的厚度能夠傳遞所述執(zhí)行/檢測元件(4、4A、4B)與所述諧振元件(3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G)之間的機(jī)械振動；-所述執(zhí)行/檢測元件(4、4A、4B)位于所述腔室內(nèi)從而與流體(F)隔離開來，并且機(jī)械地連接到所述隔膜(9)上；-布置成浸入在流體(F)中的所述諧振元件(3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G)機(jī)械地連接到所述隔膜(9)上；-其中所述諧振元件(3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G)具有限定第一諧振模式和第二諧振模式的形狀，所述第一諧振模式和第二諧振模式的特征為不同的諧振頻率(F1、F2)和不同品質(zhì)因素(Q1、Q2)，所述第一諧振模式用于移動一定體積的流體，所述第二模式用于剪切周圍流體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的密度和粘度傳感器，其中所述諧振元件 (3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)通過機(jī)械連接元件(5)機(jī)械地連接到所述隔膜(9)上，并且所述諧振元件(3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)從所述諧振元件組中選擇，所述諧振元件組包括一大體上直的橫桿(21)，所述橫桿(21)在一端連接到連接元件(5)， 并且在另一端包括球形塊(22);一包括懸置在一端的球形塊(34)的不對稱U形橫桿(31、 32、 33);一大體上直的橫桿(41)，所述橫桿(41)在其中心處連接到連接元 件(5)上，并且所述橫桿(41)在每一端包括球形塊(42、 43); 一直連接部件(51)，所述直連接部件(51)連接到連接元件(5)上， 并且在一端包括槳葉形橫桿(52);一直連接部件(61)，所述直連接部件(61)連接到連接元件(5)上， 并且在每一端包括第一槳葉形橫桿(62)和第二槳葉形橫桿(63);一大體上直的橫桿(71)，所述橫桿(71)在一端連接到連接元件(5) 上，并且在另一端附近包括板(72);或一大體上直的橫桿(81)，所述橫桿(81)在一端連接到連接元件(5) 上，并且在另一端附近包括管部件(82)。
3、 根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的密度和粘度傳感器，其中厚度 減小的區(qū)域形成腔室(8A、 8B)，所述執(zhí)行/檢測元件(4、 4A、 4B)固定 在所述腔室(8A、 8B)內(nèi)。
4、 根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的密度和粘度傳感器，其中所述 執(zhí)行/檢測元件包括至少一個壓電元件(4、 4A、 4B)。
5、 根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的密度和粘度傳感器，其中一個 壓電元件(4B)包括第一和第二側(cè)，所述第一側(cè)通過連接線(6)連接到 連接器(7)上，所述第二側(cè)電連接到所述隔膜(9)上。
6、 根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的密度和粘度傳感器，其中通過 旋入所述腔室(8A、 8B)內(nèi)的擠壓組件(10、 11、 12)將壓電元件(4、 4A、 4B)推壓在隔膜(9)上，所述擠壓組件包括用于連接到所述連接線(6)的孔。
7、 根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的密度和粘度傳感器，其中所述 擠壓組件包括插塞(10)、螺旋塞(11)和支撐件(12)。
8、 根據(jù)先前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的密度和粘度傳感器，其中所述 傳感器(1)進(jìn)一步包括電子裝置(EA),所述電子裝置(EA)用于驅(qū)動所 述執(zhí)行/檢測元件(4、 4A、 4B)從執(zhí)行模式轉(zhuǎn)換到檢測模式，反之亦然。
9、 根據(jù)先前權(quán)利要求中所述的密度和粘度傳感器，其中所述諧振元 件(3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)包括與流體流動方向?qū)?zhǔn)的橫桿 的至少一部分。
10、 一種測量流體密度和粘度的方法，所述方法包括以下步驟a)將激勵信號施加到包括執(zhí)行/檢測元件(4、 4A、 4B)的諧振裝置 和布置成浸入在流體(F)中的諧振元件(3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)上；b) 檢測由諧振裝置提供的接收信號；c) 根據(jù)檢測的所述接收信號，確定同相傳感器實(shí)際響應(yīng)和正交傳感器實(shí)際響應(yīng)；d) 根據(jù)所述諧振元件(3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)的最初諧 振頻率和最初品質(zhì)因素，計(jì)算同相傳感器模型響應(yīng)和正交傳感器模型響 應(yīng)；e) 通過確定相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)，比較同相傳感器模型響應(yīng)與同相傳 感器實(shí)際響應(yīng)，并且比較正交傳感器模型響應(yīng)與正交傳感器實(shí)際響應(yīng)；f) 重復(fù)計(jì)算步驟和比較步驟，以修改諧振頻率和修改品質(zhì)因素，并 且存儲確定的諧振頻率值、品質(zhì)因素值和相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)值；g) 根據(jù)確定的相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)值，確定流體(F)中的諧振元件(3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)的最終諧振頻率和最終品質(zhì)因素；其中，根據(jù)諧振元件(3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)的第一諧 振模式和第二諧振模式，確定所述諧振元件的最終諧振頻率和最終品質(zhì)因 素，所述諧振元件(3、 3A、 3B、 3C、 3D、 3E、 3F、 3G)的第一諧振模式 和第二諧振模式的特征為不同的第一諧振頻率(F)和第二諧振頻率(F2) 以及不同的第一品質(zhì)因素(Q。和第二品質(zhì)因素(Q2)，所述第一諧振模式 用于移動一定體積的流體，所述第二模式用于剪切周圍流體。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10中所述的密度和粘度測量方法，其中所述激勵 信號是包括不同諧振頻率(F,、 F2)的寬頻激勵信號。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10中所述的密度和粘度測量方法，其中所述激勵信號掃描包括不同的諧振頻率(F'、 F2)的頻率范圍。
13、 根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的密度和粘度測量方法，其中所述方法進(jìn)一步包括步驟-根據(jù)第一諧振頻率(F》和第二諧振頻率(F2)、第一品質(zhì)因素(Q》 和第二品質(zhì)因素(Q2)以及通過測量已知密度和粘度的流體的諧振頻率和 品質(zhì)因素而確定的多個擬合參數(shù)，確定所述流體(F)的密度和粘度。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的密度和粘度測量方法，其中比較步驟和諧振頻率/品質(zhì)因素確定步驟根據(jù)參數(shù)辨認(rèn)法進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量流體F的密度和粘度的密度和粘度傳感器1，所述傳感器1包括布置成浸入在所述流體F中的諧振元件3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G；連接到所述諧振元件上的執(zhí)行/檢測元件4、4A、4B；用于連接所述執(zhí)行/檢測元件4、4A、4B的連接器7；用于限定與流體F相隔離的腔室8A的外殼2，所述外殼2包括厚度減小的區(qū)域，所述厚度減小的區(qū)域限定將腔室8A與流體F分開的隔膜9，所述隔膜9的厚度能夠傳遞所述執(zhí)行/檢測元件4、4A、4B與所述諧振元件3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G之間的機(jī)械振動；所述執(zhí)行/檢測元件4、4A、4B放置在所述腔室內(nèi)從而與流體F隔離開來，并且機(jī)械地連接到所述隔膜9上；布置成浸入在流體F中的所述諧振元件3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G機(jī)械地連接到所述隔膜9上；其中所述諧振元件3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G具有限定第一諧振模式和第二諧振模式的形狀，所述第一諧振模式和第二諧振模式的特征為不同的諧振頻率(F₁、F₂)和不同品質(zhì)因素(Q₁、Q₂)，所述第一諧振模式移動一定體積的流體，所述第二模式剪切周圍流體。
文檔編號G01N11/16GK101351696SQ200680049967
公開日2009年1月21日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者弗朗索瓦·高德雷耶, 艾里克·冬塞爾, 阿爾弗雷·帕穆伊 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司