流體密度和粘度的無損測量的製作方法

2023-04-24 18:30:36 1

專利名稱：流體密度和粘度的無損測量的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及流體密度和粘度的測量，具體的說，是關於採用聲學技術進行流 體密度和粘度的測量。
背景技術：
目前，振動U型管密度計廣泛用於測量流體密度，裝有流體試管的機械振動頻率 隨著液體密度改變而改變。將流體放置在振動U管內，監測其共振頻率。頻率與流體密度 相關。機電元件和反饋迴路放大器保持振動，提供了流體密度確定的頻率輸出。這種測量 法要求流體管內的流體流進U-管內。採用準穩態_均相模型，流體有效地加入到U-管/流體體系中，因為流體通常對 該體系的剛度幾乎沒有影響。將流體引入管內，然後改變該體系振動的固有頻率。管內的 流體質量與流體密度Pfluid成正比，體系的固有頻率fnat隨流體密度的提高而降低，符合
方程丄—Q^，此處，β為與振動管的幾何形狀和振動特徵相關的校正常
formula see original document page 4為管結構的質量，Kstrart為與管材質的彈性性能相關的剛度常數。裝載流體的管道
的固有頻率可進一步簡化為formula see original document page 4此處，Hifluid為管內流體的質量。如上文中規定的，管道或者圓筒(或任何形狀容器)的固有頻率隨著流體
負載而改變。空管和裝有流體的管道的固有頻率可表達為formula see original document page 4，而
formula see original document page 4可進行重排使得管內的流體密度影響可根據管道的固有頻率進行
表達，如下formula see original document page 4此處，formula see original document page 4為流體質量，mpipe 為
管道或圓筒的質量，ρ fluid為該流體的密度，Vpipe為管內體積，ffull為裝有流體的管道的頻 率，Kpipe為與管材質的彈性性能相關的常數。下標指流體和管道。上述程序通過監測固有振 動頻率而有效確定內部裝有流體的管道和沒有流體的管道的重量，從質量可得到其密度。普遍實行的過程要求在被觀察的具有流體的管內裝有一個分支，連接振動U管或 者管外部的科氏測量儀。這有必要在管上鑽幾個孔，連上凸緣和管的其他更改，所有無損操作。在2000年4月25日授予Dipen N. Sinha的美國專利No. 6，053，041中，名稱為 "Noninvasive Method For Determining TheLiquid Level And Density Inside Of A Container」中描述了一種測定流體密度的無損方法，通過採用超聲波猝發聲在容器壁上產 生彈性聲波，測量初始生成波的彈性波與生成波的彈性波的相位差，初始生成波與生成波 存在一小段距離，相變的幅度與流體密度相關，與容器表面上的測量位置正相反。

發明內容
因此，本發明的一個目標是提供在沒有必須將流體從管道或圓筒轉移或流向單獨的U管或其他裝置的情況下，測定流體密度的設備和方法，其中流體包含在管內或圓筒內。本發明的另一個目標是提供了在沒有必須將流體從管道或圓筒轉移或流向單獨 的U管或其他裝置的情況下，測定流體密度和粘度的設備和方法，其中流體包含在管內或 圓筒內。然而，本發明的另一個目標是為了提供在沒有必須將流體從管道或圓筒轉移或流 向單獨的U管或其他容器的情況下，無損測定流體密度和粘度的設備和方法，其中流體包 含在管內或圓筒內。本發明的另外的目標、優勢和新穎性的特徵的一部分將在接下來進行描述，另一 部分通過閱讀下面的描述對於對本領域技術人員來說是顯而易見的，或者可以從本發明的 實施中了解到。本發明的目標和優勢可通過所附的權利要求書中明確限定的手段和聯合手 段來實現並達到。為了得到前述和其他目標，依據本發明的目的，如本文中體現並廣泛描述的，測量 容器內流體密度的設備，該容器具有帶有外層表面的容器壁，合併包括激磁換能器，放置 在該容器的外表面上；掃頻儀，用於在所選頻率範圍之外激發激磁換能器，藉以在容器壁上 生成固有頻率；接收換能器，安置在容器外表面用於接收來自容器壁的振動，接收換能器產 生所接收到的振動對應的電信號；接收來自接收換能器的電信號的裝置，用於測定容器壁 內共振的頻率，流體密度從而得到。在本發明另一個方面，根據其目標和目的，測量容器內流體密度的設備，該容器具 有帶有外層表面的容器壁，其合併包括激磁換能器，其被放置在該容器的外表面上；接收 換能器，安置在容器外表面用於接收來自容器壁的振動，接收換能器產生所接收到的振動 對應的電信號；激磁換能器和接收換能器電接觸中的高增益反饋迴路，藉以，電信號中的隨 機噪聲被擴大，容器的共振模式被選取，接收來自接收換能器的電信號和測定容器壁共振 頻率的設備，流體密度從而得到。然而，在本發明的另一個方面中，根據其目標和目的，測量容器內流體密度的方 法，該容器具有外層表面的容器壁，其包括步驟激發容器壁的共動；接收來自容器壁的振 動，並產生該振動對應的電信號；接收電信號，測定容器壁共振的頻率，流體密度從而得到。仍在本發明的另一個方面中，根據其目標和目的，一種測量容器內流體密度的方 法，容器具有帶有外層表面的容器壁，激磁換能器和接收換能器接觸該表面，其包括步驟 使激磁換能器和接收換能器電連接高增益反饋迴路，藉以電信號中的隨機噪聲被擴大並且 管道或容器的共振模式被選取；測定容器壁共振的頻率，流體密度從而得到。
在本發明的另一個方面，根據其目標和目的，測量容器內流體密度和粘度的設備，容器具有帶有外層表面的容器壁，其合併包括激磁換能器，放置在該容器的外表面上；接 收換能器，安置在容器外表面用於接收來自容器壁的振動，所述接收換能器產生所接收到 的振動對應的電信號；激磁換能器和接收換能器電接觸高增益反饋迴路，藉此，電信號中的 隨機噪聲被擴大，容器的共振模式被選取，接收來自接收換能器的電信號和測定容器壁共 振的頻率的裝置，流體密度從而得到；高增益反饋迴路內的帶通濾波器，其用於選擇高增益 反饋迴路的頻率範圍；將激磁換能器從高增益反饋迴路斷開的模擬開關；接收電信號並監 測所選共振衰減的裝置，流體粘度從而被測定。本發明的利益和優勢包括，但不限於，當保持該體系的完整性時，其中流體正在流 動，在無需機械改造管道的情況下，實時、無損連續監測流經管道的流體。


附圖，加入並成為說明書的一部分，舉例說明了本發明的實施方案，與下列說明一 起，解釋本發明的原則。附圖中圖IA是本發明以連續方式監測流體密度的設備的一個實施方案示意圖；圖IB是本發明在不要求波形發生器或直接數字合成器(圖IA中舉例說明)的情 況下監測流體密度設備的另一個實施方案示意圖；圖IC是監測管內流體的密度和粘度的設備示意圖，對圖IB中舉例說明的設備進 行改進。圖2是與施用於含流體的管道上的激發頻率成函數關係的接收信號振幅曲線圖。圖3是與四種流體的流體密度成函數關係的共振頻率曲線圖。圖4是繪製為^^；的流體粘度曲線圖，與寬度成函數關係，如繪製在圖2上該 流體的第一共振頻率Af。
具體實施例方式簡單地說，本發明包括管道部分靜態或動態液體密度和粘度的無損測量法，管道 執行傳感儀器作用。如本文中採用的，管道或裝入流體的容器是可互換的。管道的適宜結 構共振頻率測量和這種共振寬度允許分別對密度和粘度進行測定。粘度也可通過監測管道 共振振幅的時間衰減進行測量。管道具有多維振動共振模式；通常，最低振動模式對於測 定流體密度最靈敏，最低振動模式低於第一容器壁厚度模式共振更好。因此，頻率掃描在約 IkHz至約IOOkHz之間。以下將詳細參照本發明的實施方案，其實施例在附圖中闡明，圖中，相同結構將採 用相同附圖標號標識。轉到圖1A，設備10的一個實施方案示意圖，用於以連續方式監測流 體密度。壓電激磁換能器12，和壓電接收換能器14，粘貼在容器壁18的外層表面上，管道 20的外層表面上，其彼此靠近，儘管管道20表面16上精確位置和兩個換能器之間的分隔都 不是關鍵的。因為整個管道部分振動，在哪檢測到振動無關緊要。如果接收換能器所選位 置是任何共振的結點，共振模式的振幅受到影響，但頻率仍可被測定。通常，激磁換能器和 接收換能器彼此間隔Icm放置(邊對邊)。發射換能器的頻帶寬度可在約IkHz至IOOkHz 之間，可經機械鉗緊或膠水和類似物品附著在管道上。在採用鋼管的情況中，換能器可經磁力吸附上。
直接數字合成器集成電路22，受到微處理器24控制，向激磁換能器12施加正弦 波電壓在管道20的管道壁18上有效生成振動。換能器14的輸出經擴大器24擴大。信 號幅度的測量採用有效值-直流(RMS-DC)轉換電路26進行。對於任一給定正弦波振幅， RMS-DC轉換器提供了直流電壓值，其與正弦波的有效值相關。被存儲在微處理25的存儲器 內之前，這個信號幅度的直流值採用模/數(A/D)轉換器28進行數位化。微處理器25也 可包括用於同時顯示的圖形屏幕。激發頻率任何時與管道20的振動共振模式一致，該管道 共振模式被激發，負荷流體，因此，可能與流體密度相關。頻譜被記錄，在下文中將進行更詳 細描述，它也包含關於流體粘度的信息。典型的譜圖記錄少於10秒，這取決於存儲的點的 數量。如果僅小頻率範圍( 5KHz)被覆蓋，僅少量的頻率步進(-100步)被採用，通常足 夠進行所需測量。在本發明設備的另一個實施方案中，不需要波形發生器或直接數字合成器。一旦 經其他測量測定管道20的共振特性(給定體系的特性僅需要進行測量或模擬一次)，可採 用最簡單的測量體系。在振動測量設備30中，圖IB中舉例說明的，如果一個設備在激磁換 能器12和接收換能器14之間的反饋迴路32中產生高增益，迴路自動鎖定在管道20的最 近共振處。帶通濾波器34可調整限制迴路32的頻率範圍至濾波器帶通範圍內的所需共 振。一般，接收換能器14探測到的精選體系內的噪聲將通過高增益擴大器36a和36b進行 擴大來驅動激磁換能器12，迴路迅速鎖定管道20內的共振，共振頻率經頻率計數器40或者 其他適宜裝置進行連續測量。頻率計數器40可包括一個微處理，必要時，流體密度可實時 顯示。該系統產生正弦波，因為共振起到窄帶通濾波器作用，從而僅允許正弦波生成並由接 收器14檢測到。在下文中更詳細地進行描述，如果反饋迴路32打開，管道20內的共振振 幅將隨時間衰減。衰減時間常數是最大峰值振幅一半處共振峰頻寬的倒數，一個在時域內 (衰減時間)，另一個在頻率域內。管道20可通過管道無流體時測量任一所選振動模式的共振頻率，再裝入已知流 體時確定參數Pfluid和結構常數進行校準。一旦這些值被確定，引入到管道內的未 知流體的密度可被測定。如圖2中觀察到的，粘性流體減弱管道的共振；舉個例子，玉米糖漿明顯比水粘稠 產生比水更寬的峰。衰減是振動能量洩露進入管道內的流體中的結果。通常，管道的共振 具有兩個組分(一個實部和一個虛部)，這兩個組分明確其特性。實部組分有助於頻移，例 如由於管道的質量負荷，因此，與流體密度有關。虛部組分有助於共振峰的衰減或減弱。這
個組分與流體粘度μ , ψρfluld中密度Pfluid的組合有關。因為流體密度可獨立由共振的
頻移確定，流體粘度可由共振寬度確定(半峰全寬)。
這個信息也可從共振隨時間衰減中得到，可阻斷反饋迴路來確定，例如通 過臨時斷開圖IB中激磁換能器的信號來阻斷反饋迴路。一旦反饋迴路鎖定共振，然後觀察 接收換能器輸出信號振幅隨時間衰減。有幾種方式來完成，達到該目的的一個迴路如圖IC 所示。圖IB中的另外組分包括模擬開關42，受控於微控制器44，模/數(A/D)轉換器46。 微控制器44監測帶通濾波器34的信號輸出並能確定信號的頻率和振幅。在規則的時間間 隔中，微處理器44關閉模擬開關42，因此斷開激磁換能器的電源從而管道共振將衰減，因為它們不再被激發。A/D轉換器46處理衰減的時間演化，微處理器44計算衰減時間常數。 微處理器44也測定共振頻率從而測定流體密度。從密度和共振振幅衰減信息，可確定流體粘度。如下文中指出的，衰減時間常數等於時間域內共振峰寬並與"有關。為了
試驗確定這種關係，例如水，流進管道一次校準該體系。因此，有可能同時並以連續無損方 式測定流體粘度和密度。此外，本設備發現可用於監測流體性能，流經管道的流體從地裡抽出，如一個實施 例，例如原油。在美國，多數被抽取的石油含有大量的水，連續監測流體密度和粘度來觀察 原油性質是重要的。石油工業目前採用多種儀器監測原油(舉個例子，科氏流量計)，但這 些是有損的因為它們要求流體轉移至該儀器內，並且費用高。通常描述本發明，下列實施例 提供了另外的細節實施例1圖2是接收的振動信號振幅隨施加於管道表面上的掃頻激振的頻率(在約IkHz 至約1.5kHz之間)變化的曲線圖。測量方法採用23cm長、1.8mm厚、直徑7. 3cm銅管，三種 流體玉米糖漿(P = 1. 350g/cm3)、水(P = 0. 998g/cm3)和植物油(玉米油P=O. 922g/ cm3)。振動模式顯示共振頻率中明確分開，但較低的頻率模式顯示共振中的更大的解析度， 並用於密度測量。事實上，較高模式可被採用，但採用不同的密度解析度。如下文中指出的， 峰的半峰全寬與流體粘度成正比。實施例2圖3是共振頻率隨四種流體的流體密度變化的圖表車用機油10_30(P = 0.863g/cm3)、水(P = 0. 998g/cm3)、乙二醇(防凍劑，P=L 136g/cm3)，和丙三醇(P = 1.350g/cm3)，對於鋼管，具有明顯更厚容器壁並且比圖2的數據收集中所用鋼管更大(5_mm 厚的壁，直徑15cm，長度60cm)。被測量的管道最低振動模式的共振頻率用點表示，使用理 論曲線擬合該數據顯示為實線。方程的理論形態與下文中振動管密度計顯示的一致，說明 了管道內密度測量行為遵循同一形態。空管的測量共振頻率是2. 7kHz，與數據擬合的曲線 完全一致(2. 673kH)。實施例3圖4是繪製成的流體粘度曲線圖，與振幅成函數關係，圖2中所示流體的 第一共振Af。試驗數據由黑點表示，曲線方程= +，採用參
考值yj即fluid很好地擬合試驗數據。如下文中提到的，試驗中測量的衰減時間常數和共振寬
度是相關的並且提供了同一信息，一個在頻域內和另一個在時域內。因為不同的靈敏度，方 程參數與圖2中所示的第二組共振峰稍微有差別，但形態是相同的。因此，管道內的流體衰減明顯使共振曲線減幅。這種影響以兩種不同方式來證實 (1)共振寬度隨著封入的流體密度增加而變寬；並且(2)共振峰的振幅減少，兩者是相關 的。此外，共振的振幅隨著時間成指數規律衰減，是模擬頻域的時域(共振測量法)，或者Δf=const/Δt因此，兩種類型的測量得到相同信息。實施例4
本發明已用於監測流體中的聚合反應，當流體溫度改變時，通過監測裝有流體的 玻璃試管的共振譜，其隨時間成函數關係變化。試管夾在彈簧支承的壓電激磁換能器和接 收換能器之間。在IkHz和IOOkHz範圍內掃描施加於激磁換能器上的正弦波信號頻率得到 共振譜。未聚合的流體譜圖顯示銳共振，其隨著流體聚合併變得粘稠而急劇變化。共振峰 實質上消失了，譜圖呈現阻尼。本發明的前述描述起到了說明和描述的目的，不是為了詳盡或限制本發明至被公開的精確形式，顯而易見的，依據上述教導進行了許多修正和變更。選取並進行描述這些實 施方案，為了最好地解釋本發明的原則和其實際應用，從而能使本領域中技術人員在各種 實施方案中最好地利用本發明和使用適合預期的特殊應用的多種修正。有意識地通過附加 權利要求書界定本發明的範圍。
權利要求
一種測量容器內流體密度的設備，所述容器具有帶有外層表面的壁，合併包括放置在該容器的外表面上的激磁換能器；掃頻儀，用於在所選頻率範圍之外激發激磁換能器，藉以在容器的壁上生成共振；接收換能器，安置在容器外表面用於接收來自壁的振動，所述的接收換能器產生電信號以響應所接收到的振動；用於接收來自接收換能器的電信號並用於測定容器的壁內共振的頻率，其中流體密度從中可以獲得。
2.根據權利要求1所述的設備，進一步包括測量共振的半峰全寬的裝置，其中流體粘 度從中可以獲得。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所選頻率範圍在IkHz和IOOkHz之間。
4.一種測量容器內流體密度的設備，該容器具有帶有外層表面的容器壁，其合併包括激磁換能器，其放置在該容器的外表面上；接收換能器，安置在容器外表面用於接收來自容器的壁的振動，接收換能器產生電信 號以響應所接收到的振動；與所述的激磁換能器和所述的接收換能器電接觸的高增益反饋迴路，藉此電信號中的 隨機噪聲被擴大，容器的共振模式被自動選取；以及用於接收來自接收換能器的電信號和測定容器壁共振頻率的裝置，流體密度從中被獲得。
5.根據權利要求4所述的設備，進一步包括在所述高增益反饋迴路內的帶通濾波器， 其用於選擇所述高增益反饋迴路的頻率範圍。
6.根據權利要求5所述的設備，進一步包括將激磁換能器從所述高增益反饋迴路斷開 的模擬開關；以及用於接收電信號並監測所選共振衰減的裝置，流體粘度從而被測定。
7.根據權利要求5所述的設備，其中所選頻率範圍在IkHz至IOOkHz之間。
8.一種測量容器內流體密度的方法，該容器具有外層表面的容器壁，其包括步驟有 激發容器的壁中的共振；接收來自容器壁的振動，並產生電信號以響應該振動； 接收電信號，測定容器壁共振的頻率，從中可以獲得流體密度。
9.根據權利要求8所述的方法，其中流體粘度可以從測量共振的半峰全寬的步驟中獲得。
10.根據權利要求8所述的設備，其中所選的頻率範圍在IkHz至IOOkHz之間。
11.一種測量容器內流體密度的方法，容器具有帶有外層表面的容器壁，激磁換能器和 接收換能器接觸該表面，其包括步驟有使激磁換能器和接收換能器電連接高增益反饋迴路，藉以電信號中的隨機噪聲被擴大 並且管道或容器的共振模式被選取；以及測定容器壁共振的頻率，流體密度從而得到。
12.根據權利要求11所述的方法，進一步包括選取高增益反饋迴路的頻率範圍的步馬聚ο
13.根據權利要求11所述的方法，進一步包括將激磁換能器從高增益反饋迴路內斷開並監測所選共振衰減的步驟，流體粘度從而被測定。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所選頻率範圍在IkHz至IOOkHz之間。
15.根據權利要求12所述的方法，其中採用高增益反饋迴路內的帶通濾波器來選取頻率。
16.根據權利要求13所述的方法，其中模擬開關用於將激磁換能器從高增益反饋迴路 斷開。
17.—種測量容器內流體密度和粘度的設備，容器具有帶有外層表面的容器壁，其合併 包括激磁換能器，放置在該容器的外表面上；接收換能器，安置在容器外表面用於接收來自容器壁的振動，所述接收換能器產生電 信號以響應所接收到的振動；與所述的激磁換能器和所述的接收換能器電接觸高增益反饋迴路，藉此電信號中的隨 機噪聲被擴大，容器的共振模式被選取，；用於接收來自接收換能器的電信號和測定容器壁共振的頻率的裝置，流體密度從而得到；在所述的高增益反饋迴路內的帶通濾波器，其用於選擇高增益反饋迴路的頻率範圍；將激磁換能器從高增益反饋迴路斷開的模擬開關；用於接收電信號並監測所選共振衰減的裝置，流體粘度從而被測定。
18.根據權利要求17的設備，其中所選頻率範圍在IkHz至IOOkHz之間。
全文摘要
所描述的是管道中靜止或流動液體的密度和粘度的無損測量法，其中管道執行了傳感儀器作用。管道的適宜結構共振頻率測量和這種共振寬度允許分別對密度和粘度進行測定。該粘度也可通過監測管道共振的時間衰減進行測量。
文檔編號G01F17/00GK101809420SQ200880109538
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月29日 優先權日2007年9月30日
發明者D·N·森哈 申請人:洛斯阿拉莫斯國家安全股份有限公司