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)明涉及用于測量流體密度和粘度的傳感器。本傳感器基于置于^皮測 量流體的震動中的機(jī)械元件的使用。本發(fā)明適用于油田領(lǐng)域、化學(xué)工業(yè)、食品領(lǐng)域等的密度和粘度的測量。
背景技術(shù)：
密度是介質(zhì)每單位體積的質(zhì)量的度量。密度的國際標(biāo)準(zhǔn)單位是千克每立方米(kg/m3)。例如，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下，水和普通酒精(ethyl alcohol) 的密度分別為1000 kg/m3和790 kg/m3 。粘度是流體對剪切應(yīng)力下變形的阻力的度量。粘度描述了流體對流動的 內(nèi)部阻力，可以被認(rèn)為是流體摩擦的度量。動力粘度的國際標(biāo)準(zhǔn)物理單位為 帕斯卡秒(Pa.S)。動力粘度的厘米.克.秒制(cgs)物理單位為泊(P)。它更 通常表達(dá)為厘泊(cP)，尤其是ASTM單位中。例如，水的粘度為1.0cP(20。C 時)。從專利文件EP0282251中可以獲知一用于測量流體密度或粘度的換能 器。該換能器包括從共同的軛延伸的兩個平行的尖端，構(gòu)成了適于浸入流體 中的音叉。所述尖端由一個或多個壓電激勵元件激勵以反相諧振，而壓電激 勵元件容納在尖端或軛內(nèi)部的一個或多個腔體中。振動由一個或多個類似地 容納的壓電感應(yīng)元件感測。該換能器的一般大小為幾厘米，需要大且昂貴的傳感器殼體。這使得測 量裝置的侵入性很高，阻礙了其在小樣品腔室或小管道中的應(yīng)用。此外，由 于尺寸大，所以在高壓高溫下的運行也變得非常困難。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的 一 個目的是提供一種克服了現(xiàn)有技術(shù)的至少 一 個缺點的用于 測量流體密度和粘度的傳感器。根據(jù)本發(fā)明的第 一個方面，本傳感器的激勵-檢測機(jī)制是基于力學(xué)信號 通過膜的傳遞，該膜一側(cè)具有與流體隔離開的致動A企測元件，另一側(cè)具有浸 入流體中的共振元件。更確切地說，本發(fā)明的密度和粘度傳感器包括設(shè)置成 浸入流體的共振元件、耦接至共振元件的致動/檢測元件以及用于耦接到致動 /檢測元件的連接器。傳感器還包括限定出與流體隔離開的腔室的殼體，該殼 體包括厚度減小了的區(qū)域，該區(qū)域限定出將腔室與流體分離開的膜。致動/ 檢測元件布置在腔室內(nèi)以與流體隔離開，并機(jī)械耦接到膜上。設(shè)置成浸入流 體的共振元件機(jī)械耦接到膜上。膜的厚度使得能夠抵抗壓力并且在致動A企測 元件與共振元件之間傳遞機(jī)械振動。所得到的膜的剛度能夠消除共振元件特性與致動W全測元件的相互影響。更確切地說，根據(jù)本發(fā)明的密度和粘度傳感器包括設(shè)置成浸入流體的共 振元件、耦接到共振元件的致動/檢測元件以及用于耦接到致動/檢測元件的 連接器。傳感器還包括限定出與流體隔離開的腔室的殼體，該殼體包括厚度 減小的區(qū)域，該區(qū)域限定出將腔室與流體分離開的膜。致動/4企測元件布置在 腔室內(nèi)以便與流體隔離開，并機(jī)械連接到膜上。設(shè)置成浸入流體的共振元件 機(jī)械耦接到膜上。膜的厚度使得能夠在致動/檢測元件與共振元件之間傳遞機(jī) 械振動。所述共振元件可以通過機(jī)械耦接件機(jī)械耦接至所述膜上。 所述厚度減小了的區(qū)域可以形成一腔體，所述致動/檢測元件固定在該腔 體中。所述致動/檢測元件可以包括至少一個壓電元件。所述壓電元件包括第一 和第二側(cè)，所述第一側(cè)通過連接線連接到所述連接器上，所述第二側(cè)電耦接 至所述膜上。所述壓電元件可以通過檸入所述腔體的插塞結(jié)構(gòu);陂推壓至所述膜上，所 述插塞包括用于耦接至所述連接線的孔。所述連接器可以是同軸連接器，其包括與所述殼體接觸的外部金屬部分 和耦接至所述連接線的內(nèi)部金屬部分， 一隔離部分將所述外部和內(nèi)部金屬部 分分離開。所述傳感器還可以包括設(shè)置在所述腔室內(nèi)的熱敏電阻。 所述傳感器還可以包括電子裝置，用于驅(qū)動所述致動/檢測元件，使之從 致動模式進(jìn)入檢測模式，或者從檢測模式進(jìn)入致動模式。所述共振元件可以包括用于測量第 一密度和粘度范圍的第 一梁。其可以 至少還包括用于測量第二密度和粘度范圍的第二梁。所述共振元件可以在包 括下列部件的共振元件的組中選擇通過其中心部附接至所述耦接件的單個梁，通過一端附接至所述耦接件的單個梁，U形梁，包括耦接至一第二彎曲部分的一第一縱向部分，所述第二彎曲 部分通過一端附接至所述耦接件上，和包括附接在一起的第一梁和第二梁的雙梁，所述第一梁附接至所述耦接 件上。有利地，所述梁可以至少包括與流體流動方向平行的 一絲線。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，測量流體密度和粘度的方法基于特定的激勵-檢測機(jī)制。該激勵-檢測機(jī)制基于包括三個階段的基本順序激勵階段、等 待階段和檢測階段。在激勵階段中，M周期構(gòu)成的初始頻率的激勵信號施加 于致動/檢測元件(例如M等于4 )。等待階段具有N個周期的持續(xù)時間(例 如N等于1 )。檢測階段具有P周期的持續(xù)時間(例如N等于3 )。對于初始 頻率，基本順序重復(fù)K次(例如K是品質(zhì)因數(shù)Q的量級)，因此能夠確定測 得的或真實的同相波譜分量和測得的或真實的正交波諳分量。根據(jù)第一備選方案，在包含了共振元件的共振頻率的初始頻率和最終頻 率之間的不同頻率上重復(fù)這些步驟。獲得測得的或真實的同相和正交波譜。根據(jù)第二備選方案，在包含了共振元件的共振頻率的初始頻率和最終頻 率之間的不同頻率上、以不同數(shù)值的周期數(shù)N (例如N: 1和N-4)重復(fù)這 些步驟。對測得的同相波譜分量和測得的正交波譜分量的確定包括計算由兩 個不同數(shù)值的周期數(shù)N獲得的同相波譜分量的差值。對于正交波語分量同樣 這樣做。獲得測得的或真實的同相和正交波譜。接下來，在同相波i普和正交波譜上進(jìn)行參數(shù)確定。參數(shù)確定包括相對于 理論波鐠比較測得的波語，理論波譜是基于多個離散的品質(zhì)因數(shù)值和共振頻 率對計算得到的。對于每個品質(zhì)因數(shù)值和共振頻率對，對于同相波譜和正交 波譜分別計算第 一和第二相關(guān)系數(shù)。對應(yīng)于第一和第二相關(guān)系數(shù)的歸一化總 和的最大值的品質(zhì)因數(shù)和共振頻率對決定了共振元件在^^皮測量流體中的品 質(zhì)因數(shù)和共振頻率。更確切的說，根據(jù)本發(fā)明的密度和粘度的測量方法包括步驟a)向共振裝置施加激勵信號，該共振裝置包括致動/檢測元件和設(shè)置成
浸入在流體中的共振元件，所述激勵信號具有第 一頻率；b) 檢測由共振裝置提供的接收信號；c) 以各種頻率重復(fù)所述激勵信號施加步驟和接收信號檢測步驟，從而以 一頻率增量掃過一定頻率范圍；d) 基于在一定頻率范圍上檢測到的所述接收信號，確定同相傳感器真 實響應(yīng)和正交傳感器真實響應(yīng)，e) 基于所述共振元件的初始共振頻率和初始品質(zhì)因數(shù)，計算同相傳感器 模型響應(yīng)和正交傳感器模型響應(yīng)；f) 通過確定相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)，將所述同相傳感器模型響應(yīng)與所述同相 傳感器真實響應(yīng)進(jìn)行比較；將所述正交傳感器模型響應(yīng)與所述正交傳感器真 實響應(yīng)進(jìn)行比較；g) 對于經(jīng)改變的共振頻率和經(jīng)改變的品質(zhì)因數(shù)重復(fù)所述計算步驟和比 較步驟，并記錄確定數(shù)量的共振頻率、品質(zhì)因數(shù)和相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)；h) 基于所述確定數(shù)量的相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)，確定所述共振元件在流體 中所得到的共振頻率和所得到的品質(zhì)因數(shù)；以及i) 基于所述共振元件的準(zhǔn)確的解析模型以及所得到的共振頻率和所得 到的品質(zhì)因數(shù)，確定流體的密度和粘度。所述比較步驟和共振頻率/品質(zhì)因數(shù)確定步驟基于參數(shù)確認(rèn)，該參數(shù)確 認(rèn)包括下列步驟的-計算為所述共振元件的所述確定數(shù)量的共振頻率和品質(zhì)因數(shù)計算得 到的各個傳感器模型響應(yīng)的歸一化相關(guān)系數(shù)總和；以及-確定對應(yīng)于與所述較高歸一化相關(guān)系數(shù)總和相關(guān)聯(lián)的共振頻率/品質(zhì) 因數(shù)對的所得到的共振頻率和所得到的品質(zhì)因數(shù)。才艮據(jù)第一種激勵機(jī)制，以一定次數(shù)重復(fù)具有確定頻率的所述激勵信號；并 且基于在所述頻率范圍內(nèi)檢測到的各個頻率的所述接收信號的平均值，確定 所述同相傳感器真實響應(yīng)和正交傳感器真實響應(yīng)。根據(jù)第二種激勵機(jī)制，所述激勵信號包括第一激勵信號和第二激勵信 號，所述第一激勵信號具有第一數(shù)量的周期，所述第二激勵信號具有第二數(shù) 量的周期。所述激勵信號以不同頻率重復(fù)，以便按照以頻率增量掃過一頻率 范圍， 一第一接收信號與所述第一激勵信號相關(guān)聯(lián)， 一第二接收信號與所述 第二激勵信號相關(guān)聯(lián)。所述同相傳感器真實響應(yīng)是基于與所述第一接收信號
相關(guān)聯(lián)的所述同相傳感器真實響應(yīng)和與所述第二接收信號相關(guān)聯(lián)的所述同 相傳感器真實響應(yīng)之間的減法運算而確定的。所述正交傳感器真實響應(yīng)是基 于與所述第一接收信號相關(guān)聯(lián)的所述正交傳感器真實響應(yīng)和與所述第二接 收信號相關(guān)聯(lián)的所述正交傳感器真實響應(yīng)之間的減法運算而確定的。因此，根據(jù)本發(fā)明，激勵A(yù)企測元件完全與流體隔離。因為浸入流體的 傳感器部分僅僅是共振元件和部分殼體，所以本發(fā)明的傳感器具有較高的抗 化學(xué)腐蝕性、較高的耐壓性和較高的抗溫度影響特性。所述傳感器的設(shè)計使得對被測流體的流動管線的侵入最小，因此避免了 對流體流動的擾動、腐蝕問題、可能的堵塞，并確保傳感器在很長時期內(nèi)的 可靠性。此外，致動/檢測部分與共振部分分離，這使得可以完全自由地選4奪共振 元件的材料，而不用考慮其電學(xué)性質(zhì)。尤其是可以使用高抗腐蝕性的合金或 高強(qiáng)度的晶體。而且，因為在共振元件和致動/檢測元件之間沒有電通過，所以傳感器殼 體可以制成簡單而且堅固的單體部件。因此，減小了溫度誘發(fā)的應(yīng)力影響。 傳感器可以相對于現(xiàn)有技術(shù)的傳感器被小型化，并更適應(yīng)使用于惡劣環(huán)境。 它也更適于制造。最后，本發(fā)明的測量方法允許大大減小環(huán)境的變化和噪聲的影響。這大 大改進(jìn)了傳感器的工作范圍和密度/粘度預(yù)測的健壯性和準(zhǔn)確性。圖說明本發(fā)明通過示例方式闡述，其不限于圖所示內(nèi)容，所述圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件

圖1、 2、 3、 4和5分別為透視仰視圖、透視俯視圖、仰視圖、俯視圖和 側(cè)視圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的用于測量流體密度和粘度 的傳感器；圖6A是沿圖5的線AA截取的橫截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實 施例的用于測量流體密度和粘度的傳感器；圖6B是沿圖5的線AA截取的橫截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實 施例的備選方案的用于測量流體密度和粘度的傳感器；圖6C是沿圖5的線AA截取的橫截面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實
施例的另 一個備選方案的用于測量流體密度和粘度的傳感器；圖7A和7B分別是根據(jù)第 一和第二備選方案的壓電元件的透視圖；圖8A、 8B和8C分別為側(cè)視圖、仰視圖和透視仰視圖，示意性地示出了 根據(jù)本發(fā)明第二實施例的用于測量流體密度和粘度的傳感器；圖9A、 9B和9C分別為側(cè)視圖、仰視圖和透視仰視圖，示意性地示出了 根據(jù)本發(fā)明第三實施例的用于測量流體密度和粘度的傳感器；圖IOA、 10B和10C分別為側(cè)面、底部和透#見底部#見圖，示意性i也示出 了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的用于測量流體密度和粘度的傳感器；圖11示出了與本發(fā)明傳感器相關(guān)聯(lián)的電子裝置；圖12A和12B分別示意性地示出了根據(jù)第一和第二備選方案的傳感器激 勵和纟企測4幾制；圖13是示出了裝在管道內(nèi)的用于測量流體密度和粘度的傳感器且示出 了根據(jù)本發(fā)明的測量原理的橫截面視圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明用于測量流體密度和粘度的方法的圖解示圖；圖15示出了基于測量得到的正交傳感器真實響應(yīng)波諳，和基于計算得到 的正交模型響應(yīng)波譜；圖16示出了基于測量得到的同相傳感器真實響應(yīng)波譜，和基于計算得到 的同相模型響應(yīng)波譜；圖17A和17B是示意性示出了根據(jù)第 一備選方案的連接到管道用于測量 流體密度和粘度的傳感器的透視圖和橫截面視圖；圖18A和18B是示意性示出了根據(jù)第二備選方案的連接到管道用于測量 流體密度和粘度的傳感器的透視圖和橫截面視圖。
具體實施方式
圖1到5示出了本發(fā)明的密度和粘度傳感器1。密度和粘度傳感器1包括殼體2。殼體2包括連接器7，例如標(biāo)準(zhǔn)的同軸 連接器。殼體2可以包括用于O型圈密封件(未示出)的槽10。所述密封 件將流體接觸側(cè)FCS與傳感器連接側(cè)SCS分開。流體4妻觸側(cè)可以經(jīng)受惡劣 環(huán)境(高壓、腐蝕性流體……)。連接側(cè)通常是處于大氣壓下。傳感器包括 共振元件3A。共振元件3A通過機(jī)械耦接件5耦接到殼體2上。在圖1到 6B示出的實施例中，共振元件3A采取的是中心通過機(jī)械耦接件附接至殼體2的單個梁的形式。在這個具體實施例中，機(jī)械耦接件5與殼體成為整體部件。但是，對本 領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然機(jī)械耦接件5可以與共振元件成為整體部件，或者可以是耦接到殼體和共振元件的單獨的部件。機(jī)械耦接件的作用是將殼體2 機(jī)械連接到共振元件3A上，以便可以通過它傳遞振動。另一個作用是將共 振元件3A設(shè)置在需要測量的流體中，以便共振元件被所述流體包圍或完全 浸入所述流體中。共4展元件3A和殼體可以組裝在一起(例如通過適當(dāng)?shù)暮?接、粘結(jié)、銅焊等技術(shù))，其中殼體可以與耦接件5成為整體或者不帶有耦 接件5。圖6A是根據(jù)第一實施例的第一備選方案的傳感器1的橫截面視圖。殼 體包括限定腔室8A的殼體內(nèi)部部件。殼體2在腔室一側(cè)包括腔體8B。腔體 8B限定出殼體厚度減小的一個區(qū)域，該區(qū)域限定出腔室8A和流體接觸側(cè) FCS之間的膜9。耦接件5設(shè)置在膜9上。優(yōu)選地，耦接件5設(shè)置在膜的中 間。腔室8A可以用材料填充。優(yōu)選，所述材料為振動吸收材料(例如氣體、 油、凝膠等)。振動吸收材料能減少由于殼體自身的寄生振動模式而產(chǎn)生的 擾動。殼體8A可以通過連接器7密封。致動/檢測元件4,例如壓電元件4A設(shè)置在腔體8B內(nèi)。壓電元件的一側(cè) 通過連接線6耦接至連接器7。壓電元件4A的另一側(cè)電耦接至膜9上。在 這個備選方案中，壓電元件主要以伸展方式工作。一般，壓電元件包括基本上位于其全部表面上并位于其每一側(cè)的金屬層。電耦接可以或者通過利用導(dǎo)電膠將壓電元件粘結(jié)到膜上實現(xiàn)，或者通過 將壓電元件機(jī)械固定到膜上實現(xiàn)，或者通過將壓電元件銅焊到膜上實現(xiàn)。連接器7包括與殼體2接觸的外部金屬部件7A和內(nèi)部金屬部件7B。外 部和內(nèi)部金屬部件7A和7B通過隔離部件7C分隔開。因此，壓電元件4 可以通過施加到其兩側(cè)之間的適當(dāng)?shù)碾娦盘杹砑?，所述兩?cè)即外部金屬部 件7A和殼體2的一側(cè)和金屬部件7B和連接線6的另 一側(cè)。圖6B是根據(jù)第一實施例的第二備選方案的傳感器1的橫截面視圖。根 據(jù)這個備選方案，在殼體的腔室8A內(nèi)設(shè)置熱敏電阻。熱敏電阻能夠在進(jìn)行 粘度和密度測量的位置進(jìn)行溫度測量。此外，熱敏電阻11還連接到電阻12 上，電阻12用于調(diào)節(jié)溫度測量范圍，使之適應(yīng)使用密度和粘度傳感器的特 定應(yīng)用。溫度測量對補償密度和粘度測量中的溫度影響是有用的。熱敏電阻 作為例子給出，可以使用其它的溫度測量裝置，例如二極管。圖6C是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的第三個備選方案的傳感器1的橫截面視圖。為了清楚起見，圖6C中省略了連接器7。根據(jù)這個備選方案，傳感 器還包括插塞13和擰入腔室8A或腔體8B的螺旋插塞14，用于將壓電元件 14施加到膜9上。螺旋插塞14在其中心處包括供連接線6通過的適當(dāng)?shù)目住?插塞13使得在螺旋插塞14被擰入時壓電元件可以被施加到膜上。插塞13 允許連接線6從螺旋插塞中心通至壓電元件。壓電元件的一側(cè)通過連接線6 耦接到連接器(未示出)。壓電元件4A的另一側(cè)接觸膜9。為了清楚起見，圖6C也示出了壓電元件4A區(qū)域的放大部分。壓電元件 4A包括兩個重疊的壓電元件4A1和4A2， 二者通過第一傳導(dǎo)層6A相互耦 接。第一傳導(dǎo)層6A連接到連接線6。第一壓電元件4A1通過第二傳導(dǎo)層13A 耦接到插塞13。第二壓電元件4A2通過第三傳導(dǎo)層9A耦接至膜9。相對于 第二壓電元件4A2，第一壓電元件4A1具有相反的極化狀態(tài)。在這個備選方 案中，壓電元件主要以壓縮方式工作。因此，這兩個相互重疊的壓電元件4A1 和4A2可以通過施加在第一傳導(dǎo)層6A的一側(cè)與第二和第三傳導(dǎo)層9A、 13A 的另 一側(cè)之間的適當(dāng)電信號來激勵。雖然在圖中沒有示出，可以制成具有適當(dāng)極性和傳導(dǎo)層連接的附加壓電 元件(例如3， 4， 5等壓電元件)的堆疊部分。壓電元件的額數(shù)量越多，該 堆疊部分傳遞的信號越多，從而可以改善利用該傳感器所進(jìn)行的測量。有利地，傳感器還包括將傳感器固定到管道、管子或管路的任何適當(dāng)?shù)?元件(法蘭、螺紋聯(lián)接件等)。在下文中將根據(jù)圖17和18給出兩個例子。圖7A和7B示出了壓電元件形式的致動/檢測元件4。根據(jù)圖7A示出的 第一備選方案，壓電元件具有普通圓柱形4A。根據(jù)圖7B示出的第二備選方 案，壓電元件具有環(huán)形4B,也就是中心部分空的圓柱形。有利地，才艮據(jù)第 二種形狀的壓電元件比第一種形狀耐受更大的變形。因此，重大應(yīng)力尤其是 高壓下的壓電元件破裂的風(fēng)險大大降低了。更確切地說，壓電元件在中心部 分經(jīng)受拉伸應(yīng)力，在邊緣處經(jīng)受壓縮應(yīng)力。拉伸應(yīng)力可以導(dǎo)致壓電元件石皮裂。圖8A、 8B和8C分別為側(cè)視圖、仰視圖和透視仰視圖，示意性地示出了 根據(jù)本發(fā)明第二實施例的密度和粘度傳感器1。根據(jù)該實施例，共振元件3B是一端附接至耦接件5的單件梁的形式的。圖9A、 9B和9C分別為側(cè)視圖、仰視圖和透視仰視圖，示意性地示出了 根據(jù)本發(fā)明第三實施例的密度和粘度的傳感器1。根據(jù)這個實施例，共振元件3C是非對稱U形梁的形式的。該梁可以是具有例如圓柱形橫截面或橢圓形橫截面且直徑幾微米的絲線(wire)。絲線包 括與被測流體接觸的第一縱向部分。該絲線包括由一端連接到耦接件5的第 二彎曲部分。優(yōu)選，根據(jù)第一、第二和第三實施例的柱與流體流動平行。這種結(jié)構(gòu)能 使高速微粒流體中的腐蝕影響降到最小。它也使得由于測量裝置的存在而因 其的湍流和因此在梁上產(chǎn)生的噪聲降到最小。圖10A、 10B和10C分別為側(cè)視圖、仰視圖和透視仰視圖，示意性地示 出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的密度和粘度傳感器1。根據(jù)這個實施例，共振元件3D包括第一梁301和第二梁302。每個絲線 浸在被測流體中。第一梁301通過其一點附接至耦接件5。第二梁302通過 其一點附接至第一梁。第一梁可以相對于第二梁以任何角度，優(yōu)選為90°設(shè) 置。第一梁的附接點可以選在絲線的中間以形成對稱的梁，也可以選在絲線 的任何點以形成不對稱的梁。同樣的道理也適用于第二梁。對稱的梁和不對 稱的梁的組合也是可以的。有利地，每個梁具有其自己的品質(zhì)因數(shù)和共振頻率。因此，不同長度的 多個梁可以擴(kuò)展密度和粘度的測量范圍(每個梁對一個特定的密度和粘度范 圍敏感)。同樣長度的多個梁可以改善信噪比，從而改善傳感器的精度。在前面描述的實施例中，圖中示出的各種梁包括具有圓形橫截面的絲線。 但是，這不是限制性的，因為作為選擇，所述梁可包括具有橢圓形橫截面或 具有平行六面體的橫截面(例如矩形橫截面)或具有三角形橫截面等的任何 絲線。絲線的直徑或?qū)挾瓤梢允菐装傥⒚?。有利地，傳感器的殼體由高強(qiáng)度和抗腐蝕性強(qiáng)的不銹鋼構(gòu)成，例如因科 鎳合金。有利地，共振元件由高強(qiáng)度和抗腐蝕性強(qiáng)的材料構(gòu)成，例如不銹鋼或具 有低密度的材料，例如藍(lán)寶石或碳化硼。藍(lán)寶石或碳化硼的使用改善了對流 體密度的敏感性?？晒┻x擇地，共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11示意性地示出了與本發(fā)明的密度和粘度傳感器1相關(guān)聯(lián)的電子裝置
EA。電子裝置可以通過集成在腔室內(nèi)而與密度和粘度傳感器1形成為一整體部件，或者電子裝置可以從外部耦接至連接器7。電子裝置包括獨立的電子元件或?qū)崿F(xiàn)為集成電路的形式。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耦接至振蕩器SOS、第一開關(guān)SW1、第二開關(guān)SW2、》文 大器AMP和;險測電路SYS。振蕩器SOS可以是掃描振蕩器。振蕩器執(zhí)行傳感器激勵和檢測機(jī)制，這 將在下文中詳細(xì)描述(參見圖12A和12B)。在第一步中，控制電路LOG閉合第一開關(guān)SW1,打開第二開關(guān)SW2。 因此，振蕩器SOS向壓電元件施加了激勵信號。激勵信號的施加導(dǎo)致壓電 元件4向膜9進(jìn)而向共振元件3施加和釋放應(yīng)力，這是由于它們互相機(jī)械耦 接。激勵信號一般為伏特量級的。一旦通過激勵壓電元件3而建立振動，可以去除激勵，并可以測量表征 壓電元件3在流體F中的振動的接收信號。接收信號通常為微安量級的。相應(yīng)地，在第二步中，控制單元LOG閉合第二開關(guān)SW2，打開第一開 關(guān)SW1。這樣，壓電元件產(chǎn)生表征與共振元件3機(jī)械耦接的膜9的應(yīng)變變化 的接收信號。檢測信號由放大器AMP放大。檢測電路SYS在檢測階段執(zhí)行同步檢測。 它向處理電路PRO提供由傳感器1測得的真實同相響應(yīng)信號IPR和真實正 交響應(yīng)信號IQR。處理電路PRO也可以連接到熱敏電阻11上。這可以提供在傳感器位置 的溫度測量。處理電路PRO根據(jù)下文中將詳細(xì)描述的(參見圖14)密度和 粘度確定方法提供流體F的密度和粘度。應(yīng)當(dāng)意識到第二開關(guān)SW2可以省略掉或由合適的電阻取代。第二開關(guān) SW2的基本功能是保護(hù)放大器AMP，因為激勵信號和接收信號的大小量級 不同。圖12A中示出密度和粘度傳感器激勵和檢測機(jī)制的第一備選方案。激勵 和檢測機(jī)制基于以下順序，即激勵階段，隨后是等待階段和檢測階段。在第 一步中，如此前描述的，第一激勵信號ESo (f)施加到壓電元件。第一激勵 信號ES。 ( f)具有第一頻率f,并且包括特定數(shù)量的周期M (例如四個周期，
六個周期等)。接著，在第二步中，如此前描述的，在一個等待持續(xù)時間TWO后，在檢測持續(xù)時間TDO內(nèi)檢測壓電元件產(chǎn)生的接收信號。等待持續(xù)時間 TWO持續(xù)一定數(shù)量的周期L,例如L大約為一個周期，并能使系統(tǒng)在測量進(jìn) 行之前木>弛。在持續(xù)時間TDO內(nèi)，測量由于流體內(nèi)的共振元件的振蕩衰減 而產(chǎn)生的衰減信號(未示出)。檢測持續(xù)時間TDO持續(xù)一定數(shù)量的周期P, 例如P大約為三個周期。這兩個步驟重復(fù)n次，從激勵信號ES,(f)到激勵信號ESn(f)。例如n =10, 50， 100等。有利地，n大致等于共振元件的品質(zhì)因數(shù)Q。這種選擇能保證產(chǎn)生穩(wěn)定 的振蕩狀態(tài)。接著重復(fù)上面的步驟，使得振蕩器SOS提供的激勵信號的頻率掃過包括 共振元件的共振頻率的一定頻率范圍。更確切地說，上述步驟利用第二激勵 信號￡8。"+ Af)重復(fù)。第二激勵信號￡8()(￡+ Af)具有第二頻率f + Af， 對應(yīng)于第一頻率f變化一頻率增量Af。它包括與第一激勵信號ESQ ( f)相同 數(shù)量的周期。重復(fù)這些步驟直到整個頻率范圍都被掃過，也就是直到激勵信 號為ESn (f+NAf)而且相應(yīng)的檢測已經(jīng)被執(zhí)行。作為例子，振蕩器SOS可以按照頻率增量為lHz和N: 100的條件掃過 從8200Hz到8300Hz的頻率范圍。對于激勵和檢測機(jī)制的這一備選方案，檢測到的衰減信號被放大。接著 檢測電路執(zhí)行同步檢測。檢測到的衰減信號分別與正弦信號和余弦信號相乘。對每個頻率的IL個信號進(jìn)行平均。與正弦信號的相乘結(jié)果給出同相響應(yīng) 信號。與余弦信號的相乘結(jié)果給出正交響應(yīng)信號。獲得的典型波譜將參照圖 15和16在下文中詳細(xì)描述。圖12B中示出密度和粘度傳感器激勵和檢測機(jī)制的第二備選方案。該激 勵和檢測機(jī)制基于以下順序，即激勵階段以及之后的等待階段和檢測階段。 在第一步中，如此前描述的，第一激勵信號ES、 (f)施加到壓電元件。第 一激勵信號ES、(f)具有第一頻率f，并且包括特定數(shù)量的周期M',至少 兩個周期(例如四個周期，六個周期等)。接著，在第二步中，如此前描述 的，在一個等待持續(xù)時間TW0后，在檢測持續(xù)時間TDO內(nèi)檢測壓電元件產(chǎn) 生的接收信號。等待持續(xù)時間TWO持續(xù)一定數(shù)量的周期L',例如L'大約為 一個周期，并能使系統(tǒng)在測量進(jìn)行之前+》弛。在持續(xù)時間TDO內(nèi)，測量由 于流體內(nèi)的共振元件的振蕩衰減而產(chǎn)生的衰減信號(未示出)。檢測持續(xù)時間TDO持續(xù)一定數(shù)量的周期P',例如P'大約為三個周期。這兩個步驟重復(fù)n次，從激勵信號ES'。(f)到激勵信號ES。(f)。例如 n= 10， 50， 100等。接著重復(fù)上面的步驟，使得振蕩器sos提供的激勵信號的頻率掃過包括 共振元件的共振頻率的一定頻率范圍。更確切地說，上述步驟利用第二激勵信號ES、 (f + Af)重復(fù)。第二激勵信號ES、 (f + Af)具有第二頻率f + △ f，對應(yīng)于第一頻率f變化一頻率增量Af。它包括與第一激勵信號ES、(f) 相同數(shù)量的周期。重復(fù)這些步驟直到整個頻率范圍都被掃過，也就是直到激 勵信號為ES (f+NAf)而且相應(yīng)的4企測已經(jīng)被執(zhí)行。作為例子，振蕩器SOS可以按照頻率增量為lHz和N-100的條件掃過 從8200Hz到8300Hz的頻率范圍。接下來，以類似的方式，對其它激勵信號ES"0 (f)到ES"n (f+nAf) 重復(fù)這些步驟，以便掃過包括共振元件共振頻率的一定頻率范圍。激勵信號 ES",)(f), ES", (f+Af), ES"2 (f+2Af)，……ES"n(f+nAf)包括僅僅 一個周期。對于激勵和檢測機(jī)制的該備選方案，檢測到的衰減信號,皮放大。接著檢 測電路執(zhí)行同步檢測。檢測到的衰減信號分別乘以正弦信號和余弦信號。與 正弦信號的相乘結(jié)果給出了同相響應(yīng)信號。與余弦信號的相乘結(jié)果給出了正 交響應(yīng)信號。對于給定的頻率，從由第二激勵信號(僅僅一個周期)產(chǎn)生的 同相響應(yīng)中減去由第一激勵信號(至少兩個周期)產(chǎn)生的同相響應(yīng)。此外， 從由第二激勵信號(僅僅一個周期)產(chǎn)生的正交響應(yīng)中減去由第一激勵信號 (至少兩個周期)產(chǎn)生的正交響應(yīng)。這樣，至少可以部分地修正減法運算的松弛造成的影響。在下文中將參照圖15和16詳細(xì)描述獲得的典型波譜。有利地，對于在此之前描述的第一和第二激勵和一全測才幾制，當(dāng)激勵信號 為零時激勵信號結(jié)束。這改善了等待階段的松弛。圖13是裝在管道C內(nèi)用于測量流體F的密度和粘度的傳感器1的橫截 面視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的測量原理。隨著共振元件3在流體F內(nèi)振動， 一些周圍的流體發(fā)生移位。共振元件 利用圖像處理，提取切出圖像中的邊緣，從其中確定看作分區(qū)線的線條， 以這樣的方法求出特征點位置。在圖10的處理中示出了根據(jù)圖像的下部的區(qū)域Ras求取特征點位置 的偏移量的例子。但是也可以對瞬間之前的幀數(shù)據(jù)，根據(jù)切出圖像上部的 區(qū)域，用特征點位置求取偏移量。也就是說，求取瞬間之前的切出圖像的 上部的特征點位置與作為處理對象的切出圖像的下部的特征點位置之間的 偏移量。采用這樣的方法其優(yōu)點是能夠更高精度地匹配上述2個切出圖像。圖11是作為變形例的特征點尋跡處理的流程圖。在這一處理中，CPU 首先輸入連續(xù)配置的2個切出圖像[1 ] 、 [2](步驟S54)。然后，一 邊使切出圖像M]、 [2]的位置相對偏移， 一邊計算出連接部分的亮度 差評價值Ev (步驟S55)。在圖中表示以切出圖像Pic [ 1 ] 、 [2]為對象的亮度差評價值Ev 的計算方法。情況A 情況D分別表示相對切出圖像PicM],使切出圖 像Pic [ 2 ]的交叉方向的相對位置從左向右移動4個階段的狀態(tài)。如情況 A所示，在該配置中切出圖像Pic [1 ] 、 [2]連接的區(qū)域中，求取x軸 方向的坐標(biāo)相同的像素Px1、 Px2的亮度差的絕對值或亮度差的平方值， 以該值的x軸方向的總和作為亮度差評價值Ev。亮度差評價值Ev因切出圖像Pic M ] 、 [2]的相對位置而變化。 圖右側(cè)表示亮度差評價值Ev的變化。如圖所示，切出圖像PicM]、 [2] 的圖像匹配的情況C中，亮度差評價值Ev為最小。反之，如果求出亮度 差評價值Ev為最小的相對位置關(guān)系，則能夠確定切出圖像Pic [ 1 ] 、 [2] 的偏移量(步驟S56)。一旦這樣求出偏移量，CPU就一邊用切出圖像[2 ]置換切出圖4象[1 ]， 一邊對全部幀數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行處理直到完成。利用變形例的方法也能夠?qū)崿F(xiàn) 特征點尋跡處理。又，在該處理中，根據(jù)相鄰的切出圖像之間的亮度差確 定偏移量，因此具有可以使圖像之間高精度匹配的優(yōu)點。E.標(biāo)識、標(biāo)示提取處理圖12是標(biāo)識、標(biāo)示提取處理的流程圖。這是利用圖10、 9所示的攝 影位置分析處理求出的攝影位置數(shù)據(jù)進(jìn)行的作為應(yīng)用的處理。這相當(dāng)于圖 1所示的標(biāo)識、標(biāo)示提取處理214執(zhí)行的處理，從硬件上說是圖像數(shù)據(jù)處 理裝置200的CPU執(zhí)行的處理。
同時，基于共振元件初始的共振頻率FOo和初始的品質(zhì)因數(shù)Q0,計算
(MCALC )同相傳感器才莫型響應(yīng)(in-phase sensor model response)波-潛IPMR 和正交傳感器模型響應(yīng)(quadrature sensor model response)波譜QMR。
接下來，比較(COMP)正交傳感器模型響應(yīng)QMR與正交傳感器真實 響應(yīng)QAR，并且比l交(COMP )同相傳感器才莫型響應(yīng)IPMR與同相傳感器真 實響應(yīng)IPAR。
對于經(jīng)改變的(MOD)共振頻率F(T和經(jīng)改變的品質(zhì)因數(shù)Q'重復(fù)計算 步驟MCALC和比較步驟COMP,直到達(dá)到共振頻率FOn和品質(zhì)因數(shù)Qn的 最終值。因此，掃過特定數(shù)量的共振頻率FO和品質(zhì)因數(shù)Q的離散值，其中 優(yōu)選包括將被確定的值。
有利地，模型響應(yīng)和真實響應(yīng)之間的比較步驟COMP以參數(shù)確認(rèn)為基礎(chǔ)。 更確切地說，計算各種共振頻率和各種品質(zhì)因數(shù)下的一定數(shù)量的模型響應(yīng)。 同相模型響應(yīng)逐點與同相真實模型相乘，并計算各個模型響應(yīng)點第 一相關(guān)系 數(shù)。正交模型響應(yīng)逐點與正交真實模型相乘，并計算各個模型響應(yīng)的第二相 關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)的計算是已知的數(shù)學(xué)計算，不再進(jìn)行進(jìn)一步解釋。
特定品質(zhì)因數(shù)Q'和特定共振頻率F(/的歸一化(normalized)相關(guān)系數(shù) cc通過下面的7>式給出<formula>formula see original document page 19</formula>
其中，s (fi)是頻率fi下測得的同相波譜，c (fi)是頻率fi下測得的正交波
譜，S (Q'，F(xiàn)/，fj)是頻率fi下的模型同相波譜，C (Q'，F(xiàn)Z,fi)是頻率fi
下的模型正交波譜，頻率fi掃過包括共振頻率的頻率范圍。 對每個共振頻率、品質(zhì)因數(shù)對，計算歸一化相關(guān)系數(shù)。 共振元件在流體中的共振頻率F0和品質(zhì)因數(shù)Q被確定(DET)為對應(yīng)
于更高歸一化總和的共振頻率/品質(zhì)因數(shù)對。顯然，共振頻率/品質(zhì)因數(shù)對的
確定精度取決于用于計算模型響應(yīng)的對的數(shù)量，因而取決于共振頻率的增量 (例如0.1赫茲)和品質(zhì)因數(shù)的增量(例如1單元)。
為了減少計算的數(shù)量但保持對共振頻率和品質(zhì)因數(shù)的良好確定精度，可
以將模型響應(yīng)的計算限于重要的有限可能數(shù)量的品質(zhì)因數(shù)和共振頻率(例如
10Hz)上。對于最相關(guān)的對，同時計算相鄰對的(例如最相關(guān)對周圍的8對)。200680013754.4
說明書第15/16頁
接下來，在二維上進(jìn)行插值以確定最佳共振頻率/品質(zhì)因數(shù)對(這是已知的數(shù) 學(xué)計算，不再進(jìn)行進(jìn)一步解釋)。
能的。'' 5 。 D 、"' ^ ' 口
最后，可以基于確定的共振頻率F0和得到的品質(zhì)因數(shù)Q以及基于共振 元件對流體影響的準(zhǔn)確的解析模型MDL計算(DVCALC)流體的密度 7和
粘度P。
圖15和16示出了與響應(yīng)波譜相比的測得的典型傳感器響應(yīng)波譜。 圖15示出了正交傳感器真實響應(yīng)波譜QAR和正交模型響應(yīng)波譜QMR。 這些正交波錯包括主波段波峰部分MPK以及第一側(cè)波段波峰部分SPK1和 第二側(cè)波段波峰部分SPK2。不同的波峰MPK、 SPK1、 SPK2、 MPK' 、 SPK1' 和SPK2'由致動/檢測元件和共振元件的不連續(xù)激勵序列產(chǎn)生。
圖16示出了同相傳感器真實響應(yīng)波譜IPAR和同相模型響應(yīng)波譜IPMR。 這些正交波譜包括主波段波峰部分MP和第一 SPKr和第二側(cè)波段波峰部 分SPK2'。
真實響應(yīng)波語QAR和IPAR基于本發(fā)明的密度和粘度傳感器的測量結(jié) 果。模型響應(yīng)波譜QMR和IPMR基于計算。擬合模型包括用于進(jìn)行測量的 密度和粘度傳感器的共振元件的特定特征。
基于所確定的共振頻率F0和品質(zhì)因數(shù)Q和所使用的特定共振元件的擬 合模型，可以計算密度ti和粘度P 。優(yōu)選，流體的密度和粘度可以基于例如 熱敏電阻進(jìn)行的溫度測量進(jìn)行進(jìn)一步校正。
上面測量方法的所有步驟優(yōu)選由電子裝置EA的處理電路PRO執(zhí)行。
圖17A和17B是示意性地示出了耦接至六邊形橫截面的管道部分C1的 密度和粘度傳感器1的第一示例的透視圖和橫截面視圖。管道部分C1包括 耦接到主管道或管路的連接部CC1。密度和粘度傳感器1配合在螺紋殼體 SC1中。六邊形橫截面的管道部分C1包括用于擰入螺紋殼體SC1的螺紋孔。 該螺紋孔包括支座，以便當(dāng)螺紋殼體SC1被擰入，共振元件最佳地設(shè)置在管 道部分C1內(nèi)。
圖18A和1SB是示意性地示出了耦接到矩形橫截面管道部分C2的密度 和粘度傳感器1的第一示例的透視圖和橫截面視圖。管道部分C2包括耦接 到主管道或管路的連接部CC2。密度和粘度傳感器1配合在螺紋殼體SC2
的接收部分中。連接殼體SC2還包括一板。矩形橫截面的管道部分C2包括 用于插入接收部分的孔。當(dāng)連接殼體SC2插入孔中，所述板抵靠在管道的外 部部分。這樣，共振元件被最佳地設(shè)置在管道部分Cl內(nèi)。所述板按照任何 合適的組裝技術(shù)連接到管道的外部部分。 最后的評價
以上已經(jīng)描述了壓電元件形式的致動/檢測元件。但是，顯然這是致動/ 檢測元件的示例，任何電/機(jī)械振動轉(zhuǎn)換裝置，例如電動馬達(dá)，都可以使用。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然本發(fā)明不限于在此之前描述的四個具體的 共振元件。假定某人可以發(fā)現(xiàn)模擬流體中共振元件3特性的公式，則所述元 件可以具有其它形狀，例如在梁的一端帶有球形團(tuán)，在叉的兩個臂之間延伸 的梁等。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然構(gòu)成共振元件的梁的數(shù)量不限于第四實施 例中描述的一個或兩個。多個梁可以耦接到膜上，每個梁具有其自身的共振 頻率，以便能夠測量特定的密度和粘度范圍。
此外，梁在圖中示出為大致平行于與被測流體接觸的傳感器殼體區(qū)域。 但是，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然可以設(shè)置梁，使之相對于與被測流體接觸 的傳感器殼體的區(qū)域成任意角度(例如10。 、 30° 、 45°等)。
將密度和粘度傳感器連接到其中流動被測流體的管道的連接器不限于在 此之前描述的兩個示例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然可以根據(jù)密度和粘度 傳感器的應(yīng)用采用其它連接器。
此外，在此之前使用的術(shù)語"連接器"的不限于機(jī)械/電子連接器。對于 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然無線連接器可以用于從傳感器向任何需要這種測 量的系統(tǒng)傳遞測量結(jié)果。
本發(fā)明在各種工業(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如在油田領(lǐng)域中作為井下工具中的 密度和粘度傳感器，化學(xué)工業(yè)(塑料制造、化妝品準(zhǔn)備制造)，食品領(lǐng)域等。 它也可以用于4元空應(yīng)用，例如通過測量由于冰在共4展元件上增加的質(zhì)量而引 起的共振頻率變化來檢測機(jī)翼上水的形成情況。
附圖以及之前的說明闡述了本發(fā)明，但不是限制性的。權(quán)利要求中的附 圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)理解為限制權(quán)利要求。"包括"一詞不排除除了那些在權(quán)利要 求中列出的要素以外的其它要素的出現(xiàn)。在要素之前出現(xiàn)的"一"或"一個" 不排除這些要素的復(fù)數(shù)的出現(xiàn)。
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)，該傳感器(1)包括設(shè)置成浸入流體(F)的共振元件(3，3A，3B，3C，3D)、耦接至所述共振元件的致動/檢測元件(4A，4B)、以及用于耦接至所述致動/檢測元件(4A，4B)的連接器(7)，其中所述傳感器(1)還包括限定出與流體(F)隔離開的腔室(8A)的殼體(2)，該殼體(2)包括厚度減小了的區(qū)域，該區(qū)域限定出將所述腔室(8A)與流體(F)分離開的膜(9)，所述致動/檢測元件(4A，4B)設(shè)置在所述腔室內(nèi)以與流體(F)隔離開，并機(jī)械耦接至所述膜(9)上，設(shè)置成浸入流體(F)的所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)機(jī)械耦接至所述膜(9)上，并且所述膜(9)的厚度使得能夠在所述致動/檢測元件(4A，4B)與所述共振元件(3，3A，3B，3C，3D)之間傳遞機(jī)械振動。
2. 如權(quán)利要求1所述的密度和粘度傳感器，其中，所述共振元件(3， 3A， 3B, 3C， 3D)通過機(jī)械耦接件(5)機(jī)械耦接至所述膜(9)上。
3. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述厚 度減小了的區(qū)域形成一腔體(8),所述致動/4全測元件(4A, 4B)固定在該 腔體中。
4. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述致 動A企測元件包括至少一個壓電元件(4A, 4B, 4A1， 4A2)。
5. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述壓 電元件(4A, 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 所述連接器(7)上，所述第二側(cè)電耦接至所述膜(9)上。
6. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述壓 電元件(4A, 4B)通過擰入所述腔體(8)的插塞結(jié)構(gòu)(13, 14)被推壓至 所述膜(9)上，所述插塞包括用于耦接至所述連接線(6)的孔。
7. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述連 接器(7 )是同軸連接器，其包括與所述殼體(2 )接觸的外部金屬部分(7A ) 和耦接至所述連接線(6)的內(nèi)部金屬部分(7B)， 一隔離部分(7C)將所述外部金屬部分(7A)和內(nèi)部金屬部分(7B)分離開。
8. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述傳 感器(1)還包括設(shè)置在所述腔室(8A)內(nèi)的熱敏電阻(11)。
9. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述傳 感器(1)還包括電子裝置(EA),用于驅(qū)動所述致動/檢測元件(4A, 4B)， 使之從致動模式進(jìn)入檢測模式，或者從檢測模式進(jìn)入致動模式。
10. 如前面任何一個權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述共 振元件(3)包括用于測量第一密度和粘度范圍的第一梁(3A， 3B， 3C, 3D, 301 )。
11. 如權(quán)利要求IO所述的密度和粘度傳感器，其中，所述共振元件(3) 至少還包括用于測量第二密度和粘度范圍的第二梁(302 )。
12. 如權(quán)利要求1到9任意一個所述的密度和粘度傳感器，其中，所述 共振元件(3)在包括下列部件的共振元件的組中選擇通過其中心部附接至所述耦接件(5)的單個梁(3A), 通過一端附接至所述耦接件(5)的單個梁(3B)，U形梁(3C),包括耦接至一第二彎曲部分的一第一縱向部分，所述第 二彎曲部分通過一端附接至所述耦接件(5)上，和包括附接在一起的第一梁和第二梁的雙梁(3D),所述第一梁附接至所 述耦接件(5)上。
13. 如前面權(quán)利要求所述的密度和粘度傳感器，其中，所述梁(3A， 3B, 3C, 3D)至少包括與流體流動方向平行的一絲線。
14. 一種流體密度和粘度的測量方法，包括以下步驟a) 向共振裝置施加激勵信號(ES),該共振裝置包括致動/檢測元件和設(shè)置 成浸入在流體(F)中的共振元件(3, 3A， 3B， 3C, 3D),所述激勵信 號具有第一頻率(f);b) 檢測由共振裝置(4A， 4B)提供的接收信號(RS);c) 以各種頻率重復(fù)所述激勵信號施加步驟和接收信號檢測步驟，從而以一頻 率增量(Af)掃過一定頻率范圍；d) 基于在一定頻率范圍上檢測到的所述接收信號，確定同相傳感器真實響 應(yīng)(IPAR)和正交傳感器真實響應(yīng)(QAR),其中，所述方法還包括以下步驟e) 基于所述共振元件(3， 3A， 3B, 3C， 3D)的初始共振頻率(F0q)和初 始品質(zhì)因數(shù)(Q0),計算(MCALC)同相傳感器模型響應(yīng)(IPMR)和正 交傳感器模型響應(yīng)(QMR);f) 通過確定相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)，將所述同相傳感器模型響應(yīng)(IPMR)與所 述同相傳感器真實響應(yīng)(IPAR)進(jìn)行比較(COMP);將所述正交傳感器 模型響應(yīng)(QMR)與所述正交傳感器真實響應(yīng)(QAR)進(jìn)行比較；g) 對于經(jīng)改變的共振頻率(F0')和經(jīng)改變的品質(zhì)因數(shù)(Q')重復(fù)所述計算 步驟和比較步驟，并記錄確定數(shù)量(n)的共振頻率、品質(zhì)因數(shù)和相關(guān)聯(lián) 的相關(guān)系數(shù)；h) 基于所述確定數(shù)量(n)的相關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)，確定所述共振元件(3， 3A, 3B, 3C, 3D)在流體(F)中所得到的共振頻率(F0 )和所得到的 品質(zhì)因數(shù)(Q);以及i) 基于所述共振元件(3， 3A， 3B, 3C， 3D)的準(zhǔn)確的解析模型(MDL) 以及所得到的共振頻率(F0)和所得到的品質(zhì)因數(shù)(Q),確定流體(F) 的密度和粘度。
15. 如前面權(quán)利要求所述的密度和粘度測量方法，其中，所述比較步驟 和共振頻率/品質(zhì)因數(shù)確定步驟基于參數(shù)確認(rèn)，該參數(shù)確認(rèn)包括下列步驟 的計算為所述共振元件的所述確定數(shù)量(n)的共振頻率和品質(zhì)因數(shù)計算 得到的各個傳感器模型響應(yīng)的歸一化相關(guān)系數(shù)總和；以及確定對應(yīng)于與所述較高歸 一化相關(guān)系數(shù)總和相關(guān)聯(lián)的共振頻率/品質(zhì)因 數(shù)對的所得到的共振頻率和所得到的品質(zhì)因數(shù)。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的密度和粘度測量方法，其中 以一定次數(shù)(n)重復(fù)具有確定頻率(f， f+ Af，……f+NAf)的所述激勵信號(ES);以及基于在所述頻率范圍內(nèi)檢測到的各個頻率的所述接收信號的平均值，確定(PRCS )所述同相傳感器真實響應(yīng)(IPAR )和正交傳感器真實響應(yīng)(QAR )。 17.如權(quán)利要求14或15所述的密度和粘度測量方法，其中 所述激勵信號(ES)包括第一激勵信號和第二激勵信號，所述第一激勵信號具有第一數(shù)量的周期，所述第二激勵信號具有第二數(shù)量的周期，所述激勵信號以不同頻率重復(fù)，以便按照以頻率增量(Af)掃過一頻率范圍，一第 一接收信號與所述第 一激勵信號相關(guān)聯(lián)， 一第二接收信號與所述第二激勵 信號相關(guān)聯(lián)；所述同相傳感器真實響應(yīng)(IPAR)是基于與所述第一接收信號相關(guān)聯(lián)的 所述同相傳感器真實響應(yīng)和與所述第二接收信號相關(guān)聯(lián)的所述同相傳感器 真實響應(yīng)之間的減法運算而確定(PRCS)的；并且所述正交傳感器真實響應(yīng)(QAR)是基于與所述第一接收信號相關(guān)聯(lián)的 所述正交傳感器真實響應(yīng)和與所述第二接收信號相關(guān)聯(lián)的所述正交傳感器 真實響應(yīng)之間的減法運算而確定(PRCS)的。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于測量流體(F)的密度和粘度的密度和粘度傳感器(1)，其包括設(shè)置成浸入流體(F)的共振元件(3，3A，3B，3C，3D)、耦接至共振元件的致動/檢測元件(4A，4B)及耦接至致動/檢測元件(4A，4B)的連接器(7)。傳感器(1)還包括限定出與流體(F)隔離的腔室(8A)的殼體(2)，殼體(2)包括限定出將腔室(8A)與流體(F)分離的膜(9)的厚度減小的區(qū)域。致動/檢測元件(4A，4B)設(shè)置在腔室內(nèi)以與流體(F)隔開，并機(jī)械耦接至膜(9)。設(shè)置成浸入流體(F)的共振元件(3，3A，3B，3C，3D)機(jī)械耦接至膜(9)。膜(9)的厚度使得能在致動/檢測元件(4A，4B)與共振元件(3，3A，3B，3C，3D)間傳遞機(jī)械振動。
文檔編號G01N9/00GK101163955SQ200680013754
公開日2008年4月16日 申請日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者埃里克·唐齊爾, 艾爾弗雷德·珀邁 申請人:普拉德研究及發(fā)展公司