流体特性测量器及测量流体密度的方法

摘要

本发明公开流体特性测量器及利用该流体特性测量器测量流体密度的方法，其中，流体特性测量器包括基座、安装在基座上的致动器、用于接触被测量的流体的振动管、探测振动管的振动频率F的振动传感器以及控制器，振动管具有开放的轴向延伸的中空腔体，近端固定到基座，从振动管径向延伸出传振片，传振片接触致动器；控制器控制致动器有规律地通过驱动传振片使振动管产生振动，并且结合振动频率F及流体的温度T计算流体的特性。这种流体特性测量器具有较高的流体测量精度，且操作方便、体积小。

说明书

技术领域

本发明涉及测量器，尤其涉及流体特性测量器及利用该流体特性测量器测量流体密度的方法。

背景技术

石油、化工、酿酒等领域在储运、生产、交易过程中常常需要进行液体密度的测量。现有液体密度计主要有以下三种形式：玻璃密度计、管道振动管式密度计及压差式密度计。

玻璃密度计利用浮力原理测量密度。操作时需要采样，读数需要平视。如果玻璃密度计温度与被测液体温度相差较大，则测量误差会加大。操作麻烦且对操作人员要求较高。

管道振动管式密度计利用振动原理测量密度。操作时被测液体通过共振管，根据不同密度的液体对共振管频率的改变不同得出密度。这种密度计对工作环境要求较高，需要施工改动现有设备来接入密度计。管道密度计本身价格昂贵，再加施工复杂、占用空间大，所以限制了它的使用与发展。

压差式密度计根据被测液体上下两点处的压力差计算密度。这种压差式密度计的精度不高，主要是受限于压力计的精确度。同时这种压差式密度计对安装环境要求较高，必须保证两点之间的垂直距离，所以应用较少。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供操作方便而且体积小的流体特性测量器。

为解决上述技术问题，本发明的一方面提供了一种流体特性测量器，其包括：

基座；

致动器，其安装在所述基座上；

用于接触被测量的流体的振动管，其具有开放的轴向延伸的中空腔体，所述振动管的近端固定到所述基座，从所述振动管径向延伸出传振片，所述传振片接触所述致动器；

振动传感器，其探测所述振动管的振动频率F；以及

控制器，其控制所述致动器有规律地通过驱动所述传振片使所述振动管产生振动，并且结合所述振动频率F及流体的温度T计算所述流体的特性。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述控制器根据下述公式计算所述流体的密度ρ：

ρ=A+B×T+C/F

所述公式中，A、B及C分别为预先标定的系数。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述流体特性测量器还包括安装在所述基座上的温度计，所述温度计至少部分延伸到所述振动管的中空腔体中，所述温度计探测所述温度T。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述基座设置中心孔及至少两个周边孔，所述至少两个周边孔对称地设置在所述中心孔的周围，所述振动管安装到所述中心孔内，至少两个所述致动器分别安装到所述周边孔中。

在上述的流体特性测量器，可选地，至少两个所述致动器周期性地同步推动所述传振片。

在上述的流体特性测量器，可选地，至少两个所述致动器周期性地异步推动所述传振片。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述流体特性测量器包括四个压电陶瓷组件，所述基座设置四个周边孔，所述四个压电陶瓷组件分别安装到所述周边孔中，至少一个所述压电陶瓷组件充当所述致动器，且至少一个所述压电陶瓷组件充当所述振动传感器，所述控制器控制周期性地生成驱动所述致动器的驱动电压。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述振动管的远端悬伸，所述振动管内侧设置阻隔振动管的振动从远端向近端传递的隔振槽，所述传振片从所述振动管径向向外延伸出且至少部分地连接到所述振动管的所述远端。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述传振片呈圆形、方形或者梯形的片状。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述传振片设置通孔和/或加强筋。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述流体特性测量器还包括第一壳体，所述第一壳体中设置对流体密封的电路舱，所述控制器安装在所述电路舱中。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述流体特性测量器还包括相对于所述第一壳体固定的第二壳体，所述第二壳体具有浸没腔，所述浸没腔设有与外界流体连通的通孔，所述振动管位于所述浸没腔中。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述流体的特性是密度或粘度。

在上述的流体特性测量器，可选地，所述传振片具有与所述振动管相同的材质。

本发明的另一方面还提供了一种测量流体密度的方法，其包括：

将上述的流体特性测量器浸没在被测量的流体中，并且，据下述公式计算所述流体的密度ρ：

ρ=A+B×T+C/F

所述公式中，A、B及C分别为预先标定的系数。

根据本发明，流体特性测量器利用振动管频率的变化来测量被测流体的特性，具有较高的流体测量精度，而且，振动管直接接触被测量的流体，本发明的流体特性测量器可以应用到标定范围内的被测流体的任何深度，可以避免取样的繁琐工作，操作方便。另外，本发明的流体特性测量器体积小，做工小巧精致，几乎不受空间的限制。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

结合附图参阅以下具体实施方式的详细说明，将更加充分地理解本发明，附图中同样的参考附图标记始终指代视图中同样的元件。其中：

图1显示根据本发明一种具体实施方式的流体特性测量器的外部结构示意图；

图2为图1所示的流体特性测量器的左视示意图；

图3为显示图1所示的流体特性测量器内部结构的剖视示意图；

图4显示图3所示的流体特性测量器的内部局部结构的放大示意图；

图5为显示图4所示的流体特性测量器的基座端部结构的示意图；

图6及图7显示根据本发明一种具体实施方式的流体特性测量器的振动管产生环圈模式振动的振动管截面示意图；及

图8显示根据本发明一种具体实施方式的流体特性测量器产生左右摇摆型振动的示意图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

如图1至图5所示，根据本发明一种具体实施方式的流体特性测量器100包括基座1、安装在基座1上的致动器21、用于接触被测量的流体的振动管3、探测振动管3的振动频率F的振动传感器22以及控制器5。其中，振动管3具有开放的轴向延伸的中空腔体，振动管3的近端31固定到基座1，从振动管3径向延伸出传振片4，传振片4接触致动器21；控制器5控制致动器21有规律地通过驱动传振片4使振动管3产生振动，并且结合振动管3的振动频率F及流体的温度T计算流体的特性。由于振动管3的近端31固定到基座1，因此，近端31成为振动管3的支点，如下面将详述的，在致动器21的特定方式的驱动下，振动管3可以产生特定模式的振动。在一种具体实施方式中，振动管3的近端31焊接到基座1。

可选地，流体特性测量器100还包括第一壳体71，在第一壳体71中设置对流体密封的电路舱710，电路舱710用于电路的保护和密封，控制器5安装在电路舱710中，用于完成数据的采集、放大、处理和与表头的通讯。在一种具体实施方式中，流体特性测量器100还包括通讯电缆84。通讯电缆84电连接控制器5与表头，通讯电缆84用于控制器5与表头的数据通讯的通讯。另外，在本发明的流体特性测量器100为便携式的情况下，通讯电缆84还可用于振动传感器22的悬挂。在其他的具体实施方式中，控制器5也可以与表头进行无线通讯，流体特性测量器100可以不包括通讯电缆84。

可选地，流体特性测量器100还包括相对于第一壳体71固定的第二壳体72，第二壳体72保护振动管3，避免机械碰撞损伤振动管3，第二壳体72具有浸没腔720，浸没腔720设有与外界流体连通的通孔722，振动管3位于浸没腔720中。在一种具体实施方式中，流体特性测量器100还包括连接件82。连接件82包括两个连接部，其中一个连接部与第一壳体71连接，另一个连接部与第二壳体72连接，从而将第一壳体71相对于第二壳体72固定。另外，也可以将基座1固定到连接件82上。

根据振动管3在不同特性流体中表现出来的频率的不同，本发明的流体特性测量器100可以测量流体的特征，例如流体的特性是密度或粘度。在一种具体实施方式中，流体的特性为密度，本发明的流体特性测量器100例如为一种浸没型振动式密度计，其利用振动管3频率的变化来测量被测流体的密度，并且，控制器5根据下述公式来计算流体的密度ρ：

ρ=A+B×T+C/F

在上述公式中，A、B及C分别为预先标定的系数。

在本具体实施方式中，振动管3为壁厚0.2毫米至1毫米的不锈钢管。在一般工业环境中，振动管3的材质可采用316L不锈钢；在高腐蚀环境中，振动管3的材质可采用NI-SPAN-C902，以避免流体对振动管3造成的腐蚀损伤。另外，本发明的振动管3的结构并不局限于附图所示的圆管结构，其还可以为方形管、椭圆管、或不规则管等结构。

传振片4用于从致动器21向振动管3传递能量，维持振动管3的自激振动。在本发明的实施方式中，传振片4呈如图所示的圆形的片状，然而，本发明的传振片4并不局限于圆形的片状，传振片4还可以呈方形或者梯形的片状，另外，在传振片4上还可以设置通孔和/或加强筋，传振片4的这些延伸结构均在本发明的专利保护范围之内。优选地，传振片4具有与振动管3相同的材质，也就是说，传振片4可以与振动管3一体形成，传振片4与振动管3组成为一件式，以保证振动管3的精度和长期稳定性。传振片4外缘设置连接环40，连接环40的端缘42焊接到基座1。传振片4与连接环40之间延伸薄壁部41。薄壁部41比传振片4及连接环40厚度小，因而薄壁部41比传振片4及连接环40刚性小，薄壁部41减小对传振片4的限制，有利于传振片4的活动。连接环40设置隔离凹槽43。一方面，隔离凹槽43减小了连接环40的刚性，有利于与连接环40相连的传振片4的活动；另一方面，隔离凹槽43靠近端缘42，减小焊接引起的热应力。

振动管3的远端悬伸，振动管3的内侧设置阻隔振动管3的振动从远端向近端传递的隔振槽30，该隔振槽30有效地减小基座1的振动，传振片4从振动管3径向向外延伸出且至少部分地连接到振动管3的远端。

由于温度影响振动管3的刚性和弹性模量，因此影响振动管3的频率，根据本发明的具体实施方式对于温度的影响可以采取温度修正措施。例如，流体特性测量器100还包括安装在基座1上的温度计6，温度计6至少部分延伸到振动管3的中空腔体中，温度计6实时探测流体的温度T，用于密度补偿和标密换算，对频率进行温度补偿。在如图3及图4所示的具体实施方式中，温度计6焊接到基座。温度计6的类型可以是：铂电阻温度计、热电耦温度计、半导体温度计等，温度计6的结构并不局限于图示的在振动管3内，其也可以放置在振动管3外、贴在振动管3上、贴在基座1上等，这些结构的变换形式均在本发明的专利保护范围之内。

如图4和图5所示，基座1设置中心孔11及至少两个周边孔12，至少两个周边孔12对称地设置在中心孔11的周围，振动管3安装到中心孔11内，至少两个致动器21分别安装到周边孔12中。可选地，基座1设置轴向贯通基座1的四个周边孔12及从中心孔11径向贯通到外周边的四个过水孔13。在将流体特性测量器100投入流体中时，流体通过过水孔13进入中心孔11，并能进一步进入振动管3。过水孔13外口大而内口小。可选地，过水孔13周壁呈锥度。在将流体特性测量器100投入流体中时，这种过水孔13能够抑制气泡的产生。

在一种具体实施方式中，流体特性测量器100包括四个压电陶瓷组件，四个压电陶瓷组件通过紧定螺丝81压在传振片4上。基座1设置四个周边孔12，周边孔12设置在基座1的同一圆周上，然而，周边孔12的设置位置并不限于同一圆周，其也可以是椭圆或者不规则图形。四个压电陶瓷组件分别安装到周边孔12中，至少一个压电陶瓷组件充当致动器21，且至少一个压电陶瓷组件充当振动传感器22，控制器5控制周期性地生成驱动致动器21的驱动电压。例如，在一种具体实施方式中，安装在图5所示左右方向的周边孔12中的两个压电陶瓷组件充当致动器21，安装在上下方向的周边孔12中的两个压电陶瓷组件充当振动传感器22。作为致动器21的两个压电陶瓷组件受电压驱动产生位移，推动传振片4使之产生形变。作为振动传感器22的两个压电陶瓷组件被传振片4推动产生位移，从而产生电信号，信号通过采集、处理、放大再送给作为致动器21的两个压电陶瓷组件，维持振动管3的自激振动。

至少两个致动器21周期性地同步推动传振片4，流体特性测量器100的振动管3可以产生各种模式的振动。图6和图7显示根据本发明一种具体实施方式的流体特性测量器100的振动管3产生环圈模式（hoop mode）振动的振动截面图。图6为左右两侧的压电陶瓷组件同推的时刻，此时，在致动器的推压作用下振动管3的横向X的尺寸变短；同时相对地，振动管3的纵向Y的尺寸变长。图7所示为左右两侧的压电陶瓷组件同缩的时刻，由于致动器的推压作用消失，振动管3在自身的回弹作用下横向X尺寸变长；同时相对地，振动管3的纵向Y的尺寸变短。在该具体实施方式的流体特性测量器100中，利用振动式原理测量流体的密度，并且采用这种独特的环圈模式振动模式测量密度，这种环圈模式振动模式对密度的变化非常敏感，所以在精准的标定基础之上可以实现高精度的密度计。

本领域的技术人员将理解，如果两个致动器21周期性地同步推动传振片4的频率足够高，振动管3将产生类似上下伸缩型的振动。这种类似上下伸缩型的振动模式还可以用于测量流体的粘度。

除了环圈模式及前述类似上下伸缩型的振动模式，根据本发明一种具体实施方式的流体特性测量器100还可实现其他振动模式。例如，图8显示根据本发明一种具体实施方式的流体特性测量器100产生左右摇摆型振动的示意图。如图8所示，当右边的致动器21推时，左边的致动器21缩，振动管3向左摆到左侧位置A；当左边的致动器21推时，右边的致动器21缩，振动管3向右摆到右侧位置B。左右两个致动器21周期性地异步推动传振片4，则振动管3产生左右摇摆振动。

本发明还提供了采用上述流体特性测量器100测量流体密度的方法，其包括：将上述的流体特性测量器100浸没在被测量的流体中，并且，根据下述公式计算流体的密度ρ：

ρ=A+B×T+C/F

在上述公式中，A、B及C分别为预先标定的系数。

在将流体特性测量器100浸没在被测量的流体中时，流体通过第二壳体720的通孔722进入浸没腔720，并且进入振动管3的开放的中空腔体中，因此振动管3里外都有流体，压力对振动管3的频率基本没有影响，也就是说振动管3对压力不敏感。利用这种振动管3对压力不敏感的特点，本发明的流体特性测量器100可以浸没到标定范围内的被测流体的任何深度，可以避免取样的繁琐工作，操作方便。

而且，由于本发明的流体特性测量器100结构简单，因此可以制作得小巧而精致，例如，流体特性测量器100的探头尺寸可以小至55毫米×200毫米。因此，流体特性测量器100几乎不受空间限制，既可以做成便携式，也可以做成安装到空间狭小的管道或者罐体内部的伺服式。

另外，本发明测量流体密度的方法具有操作简便、测量精度高等优点。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。