平面振动密度计、密度计构件和相关方法

摘要

提供了一种平面振动构件(300，400)，其能够操作用于在振动密度计(500)中使用。平面振动构件(300，400)包括本体(302)和从本体(302)伸延的可振动部分(304)，其中，可振动部分(304)包括多个可振动突出部，并且其中，多个可振动突出部是悬臂式的。可振动部分能够操作成通过驱动器(504)进行振动。

说明书

技术领域

本发明涉及振动计，并且更具体地，涉及用于利用平面构件测量密度的方法和设备。

背景技术

密度计在本领域中通常是已知的，并且用于测量流体的密度。流体可以包括液体、气体、具有悬浮颗粒和/或夹带气体的液体，或者液体、气体、具有悬浮颗粒和/或夹带气体的液体的组合。振动密度计通常通过检测在待测量的流体材料存在的情况下进行振动的振动元件的运动来工作。与流体材料相关的性质，例如密度、粘度、温度等，可以通过对从与振动元件相关联的运动换能器接收的测量信号进行处理来确定。振动元件系统的振动模式通常受振动元件和周围流体材料的组合质量、刚度和阻尼特性的影响。

振动密度计可以包括振动构件，例如暴露于被测流体的筒。振动密度计的一个示例包括悬臂式安装的筒状导管，其入口端部联接至现有管线或其他结构，而其出口端部自由振动。该导管可以振动并且可以测量共振频率。如本领域所公知的，通过测量存在流体时导管的共振频率，可以确定被测流体的密度。根据公知的原理，导管的共振频率将根据接触导管的流体的密度相反地变化。

图1示出了振动气体密度计的现有技术振动筒。现有技术圆形振动筒可以以自然(即，共振)频率或接近自然频率振动。通过测量在存在气体的情况下筒的共振频率，可以确定气体的密度。现有技术振动筒可以由金属形成，并且理想地构造为具有一致的厚度，使得筒壁中的变化和/或缺陷不影响振动筒的共振频率。

图2示出了现有技术密度计。现有技术密度计包括至少部分地位于壳体内的筒状振动构件。该壳体或振动构件可以包括凸缘或其他构件，用于以流体密封的方式将密度计操作性地联接至管线或类似的流体输送装置。在所示的示例中，振动构件在入口端部处以悬臂的形式安装至壳体，使相反端部自由振动。振动构件包括多个流体开孔，多个流体开孔允许流体进入密度计并且在壳体与振动构件之间流动。因此，流体接触振动构件的内表面以及外表面。这在被测流体包括气体时是特别有帮助的，因为较大的表面区域暴露于气体。在其他示例中，可以在壳体中设置开孔，并且可以不需要振动构件开孔。

驱动器和振动传感器定位在筒内。驱动器从计量电子设备接收驱动信号，并且使振动构件以共振频率或接近共振频率振动。振动传感器检测振动构件的振动，并且将振动信息发送至计量电子设备以进行处理。计量电子设备确定振动构件的共振频率并且根据测量的共振频率生成密度测量值。

为了获得精确的密度测量值，共振频率必须非常稳定。实现期望稳定性的一种现有技术方法是使振动构件以径向振动模式振动。在径向振动模式中，振动构件的纵向轴线保持基本上固定，而振动构件的壁的至少一部分平移和/或旋转远离其静止位置。气体密度筒的关键设计标准是分隔振动模态，使得能够容易地且精确地辨别模态。如果振动构件具有完美圆形的橫截面形状并且具有完全一致的壁厚度，则仅存在一个三瓣径向振动模式。然而，由于设计公差，这通常是不可实现的。因此，当制造商试图制造具有完全一致的壁厚度的完美圆形的振动构件时，小的缺陷导致两个三瓣径向振动，这两个三瓣径向振动以频率非常接近于彼此的两种振动模式振动。两种模式之间的频率分隔通常非常小，并且例如可以小于一赫兹。在两个频率接近的情况下，密度确定可能是困难的或不可能的。因此，将认识到，制造这种精确的筒状构件是有挑战性的且昂贵的。

为了便于制造和降低成本，本实施方式提供了具有平面共振器的密度计。使用平面共振器的能力是有利的，因为这种构件可以由薄金属片通过使用例如化学加工工艺、激光加工/切割或甚至冲压而容易地制造。因此，制造成本可以显著低于精密加工的振动筒，制造过程将加快，总成本将显著降低，并且最终产品可以显著更小。因此实现了本领域的进步。

发明内容

根据实施方式提供了一种能够操作用于在振动密度计中使用的平面振动构件。平面振动构件包括本体和从本体伸延的可振动部分。可振动部分包括多个可振动突出部，并且多个可振动突出部是悬臂式的。可振动部分能够操作成通过驱动器进行振动。

根据实施方式提供了一种能够操作以确定流体密度的密度计。该密度计包括驱动器和能够由该驱动器振动的平面振动构件，该平面振动构件包括本体和从该本体伸延的可振动部分。可振动部分包括多个可振动突出部，并且多个可振动突出部是悬臂式的。至少一个检出传感器配置成检测振动构件的振动。提供了计量电子设备，该计量电子设备包括接口，该接口配置成向驱动器发送激励信号并且从至少一个检出传感器接收振动响应，并且测量其中的流体的密度。

根据实施方式提供了一种用于操作振动密度计的方法。提供了振动密度计，该振动密度计包括与至少一个线圈通信的计量电子设备。通过至少一个线圈使振动构件振动。通过至少一个线圈接收激励信号。输出来自至少一个线圈的检测信号，其中，至少一个线圈能够操作成交替地充当驱动器或检出器。利用具有计量电子设备的开关电路来控制激励信号和检测信号的定时，使得由计量电子设备将激励信号提供给至少一个线圈，之后计量电子设备从至少一个线圈接收检测信号。

各方面

根据一方面，提供了一种能够操作用于在振动密度计中使用的平面振动构件。平面振动构件包括本体和从本体伸延的可振动部分。可振动部分包括多个可振动突出部，并且多个可振动突出部是悬臂式的。可振动部分能够操作成通过驱动器进行振动。

优选地，多个可振动突出部包括三个可振动梁。

优选地，三个可振动梁具有相同的大小和尺寸。

优选地，三个可振动梁基本上彼此平行。

优选地，三个可振动梁包括中心梁，该中心梁包括与相邻梁不同的尺寸。

优选地，多个可振动突出部包括嵌套在外桨内的内桨。

优选地，本体的边界围绕可振动部分。

优选地，可振动部分是可磁驱动的。

根据一方面，提供了一种能够操作成确定流体密度的密度计。该密度计包括驱动器和能够由该驱动器振动的平面振动构件，该平面振动构件包括本体和从该本体伸延的可振动部分。可振动部分包括多个可振动突出部，并且多个可振动突出部是悬臂式的。至少一个检出传感器配置成检测振动构件的振动。提供了计量电子设备，该计量电子设备包括接口，该接口配置成向驱动器发送激励信号并且从至少一个检出传感器接收振动响应，并且测量其中的流体的密度。

根据一方面，提供了一种用于操作振动密度计的方法。提供了振动密度计，该振动密度计包括与至少一个线圈通信的计量电子设备。通过至少一个线圈使振动构件振动。通过至少一个线圈接收激励信号。将来自至少一个线圈的检测信号输出，其中，至少一个线圈能够操作成交替地充当驱动器或检出器。利用具有计量电子设备的开关电路来控制激励信号和检测信号的定时，使得由计量电子设备将激励信号提供给至少一个线圈，之后计量电子设备从至少一个线圈接收检测信号。

优选地，振动构件是平面的，并且包括本体和从该本体伸延的可振动部分，其中，可振动部分包括多个可振动突出部，并且其中，多个可振动突出部是悬臂式的。

优选地，至少一个线圈包括第一线圈和第二线圈，并且其中，第一线圈和第二线圈能够操作成：接收同时激励信号，驱动振动构件，检测来自振动构件的信号，以及提供同时检测信号。

优选地，第一线圈和第二线圈磁性相反。

优选地，该方法包括对检测信号进行选通以忽略线圈激励期间的信号噪声的步骤。

优选地，至少一个线圈包括单个线圈，其中，单个线圈能够操作成：接收激励信号，驱动振动构件，检测来自振动构件的信号，以及提供检测信号。

附图说明

图1示出了振动气体密度计的现有技术振动筒；

图2示出了现有技术密度计；

图3a和图3b图示了用于密度计的振动构件的实施方式；

图4a和图4b图示了用于密度计的振动构件的另一实施方式；

图5图示了根据实施方式的密度计的一部分；

图6图示了根据实施方式的密度计的另一部分；

图7图示了根据实施方式的计量电子设备；

图8a和图8b图示了根据实施方式的计量电子设备；以及

图9图示了根据实施方式的密度计的实现方式。

具体实施方式

图1至图9和以下描述描绘了特定示例，以教导本领域技术人员如何实现和使用本发明的最佳模式。为了教导创造性原理的目的，已经简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将理解来自落入本发明的范围内的这些示例的变型。本领域技术人员将理解的是，以下描述的特征可以以各种方式组合以形成本发明的多种变型。因此，本发明不限于以下描述的具体示例，而是仅由权利要求及其等同方案限制。

图3a、图3b、图4a和图4b图示了用于密度计500(见图5)的振动构件300、400。振动构件300、400可以以自然(即，共振)频率或接近自然频率振动。如本领域技术人员将理解的，通过在存在流体的情况下测量振动构件300、400的这种频率，可以确定流体的密度。振动构件300、400可以由金属形成，并且构造为具有一致的厚度，使得构件的壁中的变化和/或缺陷最小程度地影响振动构件300、400的共振频率。

图3a和图3b图示了包括三梁结构的振动构件300的实施方式。振动构件300的本体302支撑可振动部分304。可振动部分304是悬臂式的，仅由单个端部306支撑。多个可振动梁308从端部306突出，并且在振动激励时自由振荡。多个可振动梁308包括至少两个梁。在此作为示例示出了三个梁。梁的尺寸可以一致，或者梁可以在形状和/或尺寸上不同。在图示的实施方式中，端部306包括从本体的边界312突出的构件。在实施方式中，本体302的端部306和边界312包括相同的部分。在图示的实施方式中，梁308从公共区域314突出。在另一实施方式中，梁308从端部306区域突出。图3b图示了经受振动运动的梁308。

可以存在安装孔310以允许振动构件300紧固至密度计500的一部分(见图5)。将理解的是，孔、凹口、梁、指引特征部或任何其他特征部可以用于将振动构件300固定至密度计500的一部分，并且在一些实施方式中，可能根本不需要安装特征部，诸如在振动构件300可以例如介置于密度计500的各部分之间的情况下。

图4a和图4b图示了包括平衡桨结构的振动构件400的实施方式。振动构件400的本体402支撑可振动部分404。可振动部分404是悬臂式的，仅由单个端部406支撑。可振动桨408从端部406突出，并且在振动激励时自由震荡。在图示的实施方式中，端部406包括从本体的边界412突出的构件。在实施方式中，本体402的端部406和边界412包括相同的部分。在图示的实施方式中，桨408从公共区域414突出。在另一实施方式中，桨408从端部区域407突出。内桨416嵌套在外桨418内。图4b图示了经受振动运动的桨408。

可以存在安装孔410以允许振动构件400紧固至密度计500的一部分(见图5)。将理解的是，孔、凹口、梁、指引特征部或任何其他特征部可以用于将振动构件400固定至密度计500的一部分，并且在一些实施方式中，可能根本不需要安装特征部，诸如在振动构件400可以例如介置于密度计500的各部分之间的情况下。

振动构件300、400各自均示出了单端(即，悬臂式)结构。单端结构的优点在于，单端结构基本上对可能在本体302、402的安装布置结构中出现的应力不敏感，而没有悬臂的双端结构可能经历由于安装或温度梯度效应而引起的拉伸应力。另一方面，双端结构可以更坚固并且对由于地球对共振器的引力而引起的定向效应不太敏感，因此尽管未示出，但是双端结构预期可以作为振动构件的实施方式。

平衡桨振动构件400提供的优点在于，内桨的表面积成比例地相对较大，因此振动激励和检测可以更容易——尤其是在振动构件400物理上相对较小的实施方式中。其还具有可以实现成比例地较低的工作频率的优点。

图5图示了具有至少部分地位于壳体510内的振动构件300、400的密度计500。在该图示中，作为示例示出振动构件300。然而，可以提供任何其他振动构件几何结构。根据实施方式，密度计500包括壳体(为清楚起见，未示出)内的振动构件300。振动构件300、400可以永久地或可移除地附至基部502。在实施方式中，边界312、412区域以基本上刚性的方式固定至基部。在实施方式中，基部502的各部分邻近边界312、412将振动构件介置于其之间，但仍然允许可振动部分304、404振动。要量化的流体可以被引入到基部中的导管(未示出)中或者可以穿过基部中的导管，使得被测流体与振动构件300、400的可振动部分304、404接触。

基部502可以包括凸缘或其他构件，以用于以流体密封的方式将密度计操作性地联接至管线或类似的流体输送装置。

驱动器504和振动传感器(检出器)506(见图6)邻近振动构件300、400定位。驱动器504从计量电子设备接收驱动信号，并且使振动构件300、400以共振频率或接近共振频率振动。振动传感器506检测振动构件300、400的振动，并且将振动信息发送至计量电子设备以进行处理。计量电子设备确定振动构件300、400的共振频率，并且根据测量的共振频率生成密度测量值。

振动构件300、400的激励和检测可能是有挑战性的——尤其是当共振器的尺寸减小时。理想地，激励和检测是非接触的，因为附接诸如压电元件的换能器仅会具有使共振降级的效果。使用静电激励和检测或者电磁激励和检测通常是困难的，因为激励换能器和检测换能器靠近在一起，并且因此在两者之间将存在直接电容或直接变压器耦合。这种交叉耦合可能使检测信号降级，并且在最坏的情况下可能完全淹没检测信号，使得电子设备无法识别共振。为了避免这种交叉耦合，在实施方式中，利用不同的激励和检测方法。例如，在实施方式中，利用电磁激励和光学检测，反之亦然。

图6公开了驱动器504和检出器506关于振动构件300、400的定向。为了清楚起见，总体上省略基部502和密度计500。驱动器504适于使振动构件300、400以一种或更多种振动模式振动。驱动器504可以定位在邻近振动部分304、404的任何期望位置处。根据实施方式，驱动器504可以从计量电子设备接收电信号。在所示的实施方式中，至少一个振动传感器506与驱动器504同轴对准。在其他实施方式中，至少一个振动传感器506可以在其他位置中联接至振动构件300、400。例如，至少一个振动传感器506可以位于振动构件300、400的外表面上。

至少一个振动传感器506可以将信号发送至计量电子设备。计量电子设备可以处理由至少一个振动传感器506接收的信号以确定振动构件300、400的共振频率。在实施方式中，驱动器504和振动传感器506磁性地联接至振动构件300、400，因此驱动器504经由磁场在振动构件300、400中引起振动，并且振动传感器506经由邻近磁场中的变化检测振动构件300、400的振动。如果存在被测流体，则振动构件300、400的共振频率将与流体密度成反比地变化，如本领域中已知的那样。例如，可以在初始校准期间确定比例变化。在所示的实施方式中，至少一个振动传感器506包括线圈。驱动器504接收电流以在振动构件300、400中引起振动，并且至少一个振动传感器506使用由驱动器504产生的振动构件300、400的运动来引起电压。线圈驱动器和传感器在本领域中是已知的，并且为了描述的简洁，省略了对线圈驱动器和传感器的操作的进一步讨论。此外，应当理解，驱动器504和至少一个振动传感器506不限于线圈，而是可以包括各种其他已知的振动部件，例如压电传感器、应变计、光学或激光传感器等。因此，本实施方式不应以任何方式局限于电磁驱动器和传感器。此外，本领域技术人员将容易地认识到，驱动器504和至少一个振动传感器506的特定布置可以被改变，同时保持在本实施方式的范围内。

图7是根据实施方式的计量电子设备700的框图。在操作中，密度计500提供可以输出的各种测量值，包括密度、质量流率、体积流率、单个流成分质量和体积流率以及总流率的测量值或平均值中的一者或更多者，总流率包括例如各个流成分的体积和质量流量两者。

密度计500产生振动响应。振动响应被计量电子设备700接收和处理，以生成一个或更多个流体测量值。该值可以被监测、记录、保存、总计和/或输出。

计量电子设备700包括接口701、与接口701通信的处理系统703以及与处理系统703通信的存储系统704。尽管这些部件被示出为不同的框，但是应当理解，计量电子设备700可以包括集成和/或分立部件的各种组合。

接口701可以配置成联接至引线并且与例如驱动器504、检出器506和温度传感器(未示出)交换信号。接口701还可以配置成通过通信路径与外部设备通信。

处理系统703可以包括任何方式的处理系统。处理系统703配置成检索并执行所存储的例程以便操作密度计500。存储系统704可以存储包括通用计量器例程705的例程。存储系统704可以存储测量值、接收值、工作值和其他信息。在一些实施方式中，存储系统存储质量流量(m)721、密度(ρ)725、粘度(μ)723、温度(T)724、压力709、驱动增益706和本领域已知的任何其它变量。其他测量值/处理例程是预期的，并且在本说明书和权利要求书的范围内。

通用计量器例程705可以产生并且存储流体定量值和流量测量值。这些值可以包括基本上瞬时的测量值，或者可以包括合计或累加的值。例如，通用计量器例程705可以生成质量流量测量值并且将其存储在例如存储系统704的质量流量721存储器中。类似地，通用计量器例程705可以生成密度测量值并且将其存储在例如存储系统704的密度725存储器中。如先前所讨论的和本领域中已知的，质量流量721和密度725值是根据振动响应来确定的。密度和其他测量值可以包括基本上瞬时的值，可以包括样本，可以包括在时间间隔内的平均值、或者可以包括在时间间隔内的累加值。时间间隔可以选择成与一段时间相对应，在该段时间期间检测到某些流体状况，例如仅液体的流体状态，或者替代性地，包括液体、夹带气体和/或固体和/或溶质的流体状态。另外，其他质量和体积流量以及相关的定量值是预期的，并且在本说明书和权利要求书的范围内。

计量电子设备700可以联接至路径或其他通信链路。计量电子设备700可以在路径上传递密度测量值。计量电子设备700还可以在路径上发送任何方式的其他信号、测量值或数据。另外，计量电子设备700可以经由路径接收指令、编程、其它数据或命令。

图8a和图8b图示了用于克服交叉耦合问题的计量电子设备700的实施方式。图8a和图8b中示意性示出的开关电路800实现方式示出了两个线圈，这两个线圈被一致地激励并用作检测器，但是在该实现方式中，到线圈的布线形成为使得磁场是相反的。这样，共振器上基本上没有静态力，并且激励力大约加倍。类似地，检测信号大约加倍。图8a图示了激励模式，其中，开关网络802引导脉冲发生器804向一个或更多个线圈提供驱动信号。图8b图示了检测模式，其中，开关网络802将信号从线圈引导至相位检测器806，以向一个或更多个线圈提供驱动信号。可以设想其它部件，例如前置放大器808、滤波器810、振荡器812和本领域已知的其它部件。在实施方式中，开关电路800还可以允许单个电磁线圈替代性地用于激励和检测。这消除了对多个线圈的需要。

图9图示了操作开关电路800的密度计500的实施方式的实现方式的示波器迹线。上迹线902示出了被引导至线圈的三个激励脉冲的脉冲串，三个激励脉冲又激励振动构件300、400。下迹线904是作为激励脉冲的结果而由线圈接收的信号。由于该方法比连续操作驱动电路和检测电路更复杂的事实，理论上频率或时间段可能不稳定，但是所示的结果表明实现了大约+/-0.5ns的时间段稳定性。竖直轴906示出了时间段，水平轴908示出了时间段内的样本数量。在一些实施方式中，可以提供电子选通，其可以忽略来自先前的激励/检测周期的噪声和/或残余信号。这些仅仅是表示开关电路的功能以及替选的驱动和检测周期的示例。实际的迹线形状和定时值/强度/频率等将基于密度计500构造、尺寸、被测流体等而不同，并且绝不是限制性的。

以上实施方式的详细描述不是发明人设想的落入本发明范围内的所有实施方式的穷举描述。实际上，本领域技术人员将认识到，可以不同地组合或消除上述实施方式的某些元件以创建其他实施方式，并且这些其他实施方式均落入本发明的范围和教导内。对于本领域的普通技术人员而言还明显的是，上述实施方式可以全部或部分地组合以在本发明的范围和教导内创建额外的实施方式。

因此，尽管本文中出于说明性目的描述了本发明的特定实施方式和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内的各种等同修改是可能的。本文中所提供的教导可以应用于其他振动系统，而不仅是以上所描述的和附图中所示的实施方式。因此，应当根据所附权利要求来确定本发明的范围。