TW201100804A - Fluid density measurement device - Google Patents

Description

201100804

I W6I UPA 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種液體密度的量測裝置，且特別是 有關於一種量測在不同的介質中，包括侵入性介質，於正 常條件及高壓環境下的液體密度。舉例來說，可應用於原 油及天然氣之生產及運輸系統，於化學及石化生產，以及 於燃料與能源工業等等。 【先前技術】 用以量測或決定液體之密度的裝置係眾所皆知的。此 類習知裝置的操作原理例如是根據施加一低頻機械共搞 态於待測密度之液體中。就此而言，可以參考例如是俄羅 斯聯邦專利號2291403、美國專利號4922745、美國專利 號6389891、以及美國專利號6845663之專利案。由於大 (例如是液體）加入的影響，改變機械共振器的 ，、振頻率。習知裝置例如是包括—量測電路，其用以決定 T生之共振頻率位移’利用此共出 =度：::知的機械共振器例如是包括-音又= 並：因：排t又计’可以預防振盪轉移至感測器之主體， 影響。許對於此聽11之頻率特性的 幅頻率響應掃描哭，共振頻率’例如是共振器之振 統。 ^或者是於絲頻率自觸發之正回授系 Ί姐官習知梦署目 -個或馨^^功效，此習知裝置仍然具有 第一，如果欲量測密度之待測液體由不互溶之成份所 201100804 1 VVV1111/-1 組成（異質混合），例如是油-水乳狀液，環繞於音叉周圍 之介質屬性可能導致音又共振特性的改變’因而測得不確 定的共振頻率，造成量測之準確度的不利影響。 第二，習知裝置不適合量測含有滞留氣體之液體的密 度，因為此滞留氣體的存在會造成共振頻率突然且巨幅 '改變，因而影響測量結果之平均值並造成液體^密度測定 的不準確性。 綜上所述，本發明的目的係提供一裝置，此裝置可以 提高液體密度之測定的精準度，尤其，包括不能互溶成份 之液體（因而形成異質混合），例如是油_水乳狀液，或者 含有滯留氣體之液體。 【發明内容】 依照本發明之一方面提供一種測定液體密度的裝 置’此裝置包括 一機械共振器，

^ 一驅動/接收單元，設置以提供驅動力至機械共振 ^ ’感測此機财㈣對此轉力之㈣，並提供代表此 響應之輸出訊號；以及 一估算單元，根據驅動/接收單元之輸出訊號，用以 决定機械共振器之共振頻率； 其特徵在於 該估算單元係設置以 由輸出訊號決定一振盪分佈，以及 由此振盪分佈決定一共振頻率估計， 根據此共振頻率估計決定此液體之密度。 5 201100804

1 WOi i |pA 依照本發明之此裝置可以由振盪分佈決 率估計，且根據此共振解估計可以決定此液體之密度。、 本發明之此裝置包括—機械共振器，為了量測液 ，的掛度’此機械共卿在使用的時候至少部分地浸 量測密度之液體中。適當的機械共振㈣如是桿棒、立 =右或:是了形共振器等。在—實施财，機械共振器二 具有-基底之音又，此基底設置於此裝置的驅動/接 元。 #應用於依照本發明之此裝置中的此驅動/接收單元係 δ又置以執行使用中的以下動作： ,、 提供一驅動力至機械共振器； 感測此機械共振器對此驅動力之塑應， 提供代表此響應之輪出訊號。 舉例說明以幫助瞭解，此驅動/接收單元可以包括一 致動。器（例如是一電磁或壓電致動器），用以驅動此機械 共振器。依照本發明之此裝置更裝配有驅動/接收單元，用 以感測此機械餘H對於此‘_力之響應。賴共振輯〇 於此驅動力之響應經過置換後將振盪或振動。驅動/接收單 元，例如是振動感測器，可偵測到此類機械共振器之振逢 或振動。此振盪或振動可以例如是藉由速度感測器、或加 速度感測S (例如是加速規）、或者是位移❹丨器作伯測。 如同此技術領域具有通常知識者之公知常識，許多實施方 式可用以感测此共振器的振堡或振動。在-實施例令，此 驅動/接收單元包括一塵電元件’其設置既可提供驅動力 (田操作於驅動;^式，亦即作為—致動器）亦可以感測（當 6 201100804 ' 操作於感測模式，亦即作為一感測器）。 此驅動/接收單元更設置以提供一輸出訊號，此輸出 訊號表示此機械共振器對於此驅動力之一響應。舉例來 說，輸出訊號可以是一電訊號，此電訊號正比於例如是此 機械共振器之一位移、或一速度、或一加速度，此訊號例 如是由驅動/接收單元之感測器所提供。 依照本發明之此裝置更包括一估算單元，用以測定此 機械共振器之一共振頻率估計。依照本發明之此共振頻率 Ο 估計係藉由估算單元由振盪分佈決定，振盪分佈由驅動/ 接收單元之輸出訊號所決定。當此機械共振器應用於包括 不互溶成份之液體（因而形成異質混合）的密度量測時， 例如是油-水乳狀液，或者含有滯留氣體之液體，此共振器 可能於不同的實施例中以不同的頻率振盪或振動。監控此 機械共振器在一段期間内之振動行為，可以得到一振盪分 佈，此振盪分佈不是在特定（共振）頻率下的單一且特定 之共振。依照本發明之此裝置所應用之估算單元，可以由 ❹ 此共振分佈決定此液體之共振頻率的估算。 依照本發明，振盪分佈係由驅動/接收單元之輸出訊 號所決定。本發明之意義中，一振盪分佈可例如是包括， 但是非限定於，由輸出訊號所觀察到的振盪週期之分佈。 同樣地，本發明之意義中，此輸出訊號之一頻譜（例如對 此輸出訊號應用傅立葉轉換而得）可以視為一振盪分佈。 此頻譜亦即為表示此機械共振器之振動或振盪之頻率内 容的頻譜。如同此技術領域中具有通常知識者之公知常 識，藉由此振盪之週期（或持續期間），或者藉由此振盪 201100804

TW6111 PA 的頻率（此頻率為週期之倒數）可以定義出此振 徵。同樣地，振盡分你可以}日π I山 、特 = 地以頻率分佈或振盈週期 ΐ地說明如下，此振盪分佈可以以不同的 ;式:传;在一實施例中’利用計數器以及比較器，估ί :兀可以在-特定期間内（預先決定 單元得到之輸出訊號，並且記錄各個= H 持續時間所表示的數字）於例如是估算單 70中的記憶單元。 疋1石异早 此估算單元更可料振好佈決定 =由此，之頂峰值、或是中位數值= 如》㈣ί决疋％繞於此機械共振器之液體之密度值（例 疋根據$測/決定之共振頻 率兩者的差值，名義上的共振 2共振頻 浸於液體中之共振頻率）。頻革例如疋機械共振器在未 實施例中，估算單^可以包括—計算單元 G單由一微處理器，或者與其相似者)，此 早几用以決疋由振盪分佈所得之丘 根據此共振頻率估計決定此液體之密度、。、‘且 得捃^^施例令’此估算單7^括—量測單元，用以測 ::佈私此量測單元例如是包括-比較器、-計數 二舄入暫存器（通常是一記 =數狀態作儲存、以及-高頻振盪器，此比 接收亚比較輪出訊號以及 :又口。叹置以 實施例中，比Ρ认 預先决疋值（例如是0)。在一 寫入暫存心：出可以連接至儲存計數器之狀態之 寫入暫存為。糟由計算輸出訊號之一週期發生的數個脈衝 201100804 (例如是由高頻振盪器所提供），可得一振盪週期值並將 其存於記憶單元。藉由在相對較大的期間内重複這個步 驟，可以得到代表振盪週期分佈之振盪分佈，此振盪週期 係發生於對驅動力的響應。 ’ 量測單元以及估算單元可以和微處理器一起設計。此 7處理器可以更可以應用於本發明之—實施财，用以決 疋一振盪頻率估計，例如是此機械共振器之振盪週期的平 句值此外，此微處理器可以利用多函數機率密度分佈曲 〇線估算出此機械共振器之至少兩個振璗週期值。此類 線，例如是多項式，可以藉由曲線擬合以估算出振盪分 佈，且例如是決定一個或多個振盪週期的峰值。 依知本發明之此裝置更可以包括一感測器，用以量測 此機械共振盗或液體之特性，例如是，此共振器或液體的 溫度或者是液體的壓力。 依照本發明之此裝置更可以包括一顯示器，用以顯示 測疋之振盡分佈及/或液體密度。 藉由參考以下詳細說明並配合圖式參照，將更輕易地 瞭解且更明白本發明之此些或其他方面，其中相同的符號 表不相同的元件。 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉較佳 實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下 【實施方式】 本心月疋有關於一種裝置，用以量測液體之密度。習 -知量測液體密度之裝置例如是包括一感測器，此感測器設 置以债測-機械共振器之振盖，此振遂例如是由致動器驅 201100804 1 W6i i ΙΗΑ 動（由於感測器以及致動器可以整合成為驅動/接收單 元），及一個估算單元，其藉由測定一機械共振器之共振 頻率的改變決定所量測之介質（例如是—液體）之穷^ Χ 依照本發明之此裝置，其中一實施例係繪示於第丨^二 同於習知裝置之處在於，此裝置包括一估算單元設置以= 疋振盪分佈。藉由分析此機械共振器之振I分佈，可 得到具統計根據的資料，此資料係關於環繞在機械共振= 外圍之所量測的介質（例如是液體）的密度波動。/因此°， 知1幵此液體之费度置測的準確度可以被實現。尤1 ,、'主立 到依照本發明之此裝置可以提供液體之密度量測的精^ 度之改良，此液體包括不互溶成份（因而形成異質混合） 例如是油-水乳狀液或者是含滯留氣體之液體。如第】^所 示’依照本發明之此裝置包括有一機械共振器1〇〇以及一 驅，/接收單元110 α施加一驅動力至此共振器，感測此共 振器對於此驅動力之響應，以及提供代表此響應之輸出訊 號。在-實施例中，驅動/接收單元可包括一個或多個壓電 二件’用以驅動共振II及/或感測此共振器之響應。此共振 器可以例如是被-脈衝訊號驅動，此脈衝訊號可以例如是 被-高頻振蘯器所提供。驅動此機械共振器之此訊號亦可 以包括雜戒（亦即包括數個不同頻率成分之訊號）因而 在不同頻率下刺激此機械共振器。如第！圖所示，依照本 毛明之此裝置更包括—估算單元12〇，此估算單元係設置 以 從此輸出訊號決定一振盪分佈， 從此振蘯分佈決定一共振頻率估計，以及 10 201100804 根據此共振頻率估計決定此液體之密度。 在一實施例中’此估算單元係設置以由輸出訊號決定一振 盪分佈’藉由取樣由驅動/接收單元所接收之輸出訊號而 得。實際上’此機械共振器可被設計以使得其操作之共振 頻率在1000及10000赫茲（Hz)的範圍内（因而具有一 範圍在0.1-1.0毫秒(ms)之振盪週期）。當音叉用作共振器 時’主要可藉由改變音又之叉角的剖面以及長度以達成此 特性。例如是根據以下的考量而選擇此頻率範圍。共振頻 率必須盡可能地低以增加液體壁層之有效厚度（the effective thickness of the wall layer of a fluid )，如此可以減少此量測液體 之異質性的影響。然而此方式可能會導致音叉之叉腳長度 增長，使得叉腳在液體中較不穩定，當音又置於一個含有 油水-氣體之液流的管桎中，整個音叉結構變得過大且無 法使用於真實生活的環境中。此現象解釋音叉的共振頻率 通常選用不小於讓Hz的原因。根據對此機械共振器之 〇

預期頻率㈣’可蚊—適當的取㈣麵輸出訊號作取 樣。更好地情況為，取樣頻率等於或超過此共振器之預期 曰應的:下圭斯特頻率(Nyquist㈣職州。當得到此取樣之 ^出，號時（此估算單^可例如是包括對於此取樣之專 Γ口對此取樣之輸出訊號應用傅立葉轉換（例 佈Γ。從此V:/轉換）而得到一頻譜（通常為振盡分 们從此料巾，估算單元（或者是此 :單元)可以決定—共振頻率估算， = 密度值，此液體之密产得到此液體的 又值係糟由比較此共振器之一參考共 201100804

TW6IilFA 振頻率以及此共振解估算而得，參考共振頻率例如是此 共振器使用於已知密度之域歧财之共㈣率。考量 溫度因素，更可以提供—溫度感測器，例如是—半導體或 者是-始金電阻溫度計’以量測環繞於此共振器之液體溫 度及/或此機械共振器本身之溫度。 立第2圖係繪示依照本發明之此裝置的另一實施例示 意圖。此裝置包括-機械振盪器（例如是音叉D固定於 -薄膜2’以及一驅動/接收單元（例如是一雙晶片壓電元 件）包括接收之壓電元件3及發送之壓電元件4。接收之 壓電元件3及發送之壓以件4係連接至—電路，此電路 包括-前置放大器5’ 一相位校正電路6,以及一最玖放 大器7’此前置放大器5之輸人端連接至此接收之壓電元 件3’此最終放大ϋ7輸出端連接至此發送之 在此實施例中，最終放大器7更可以連接至―比較器 此比較器8可以形成輸出脈衝。此比較器8透過—計 置脈衝形成器9連接至-計數器1G且此比較器8連接至 計數器之狀態寫人暫存器U。此計數器連接至高頻振蓋哭 出端。此計數器之狀態寫人暫存器u的輸出端連 =置測單元13 ’量測單^ 13可根據寫人暫存器之輸出 心-振盪分佈。量測單元13更連接至—含有顯示單元 :::算單元U。此機械共振器更裳備有—溫度感測器 本;二？緣示元件Μ之實施例並且說明如何實現依照 本發明中此裝置之估算單元。 旦如第2圖所繪示之此裝置的示意圖中，—液體之密产 里測’係由-振盪分佈之（統計）分析以執行，此振盪； 12 201100804 佈可以例如是由監控歷史振盪週期而得β由於驅動/接收單 元施加之驅動力使知機械共振器（音又）振盪於—共振頻 率f，例如是’藉由利用電路（元件5、6、 ς = 送之壓電元件4。一般來說，此音又共振器的^率介ς 1200-5000 Hz的範圍内。結果’一週期為T=1/F之交流 Ο 〇 電壓（亦即，可用以決定一振盪分佈之此輸出訊號）產生 於最終放大器7的輸出端。此週期取決於此共振器所读入 之介質的密度。依照本發明之此實施例，此；振器之：盪 或振動可監控於某些週期下，藉以決定此些週期之各個週 期長度（或者決定表示此長度的一個值）。依照如第2圖 所繪之此實施例，各週期之長度可量測如以下之說明。高 頻振盪器12可連續地產生一個高頻脈衝，此高頻脈衝： 如是在16 MHz的頻率。計數重置脈衝形成器9在各旦、則 之前重新設置計數器10至零態，此零態例如是在週=起 始時的偵測（例如是當此共振器之一位移相等於—正中位 置（neutral position)或者當輸出訊號（例如是代表此共 振器之位移、或速度、或加速度）值為零或者是—預先^ 定值。計數器10在各週期計數所輪入之高頻脈衝數。^ —計數重置脈衝發生前’由計數器所得的數據被寫進寫入 暫存器11中（通常為一 §己憶單元）’例如是藉由從比較器 8所得之一輸出脈衝。造成一個二進位數被寫進寫入暫= 态11，且此一進位數正比於一振盪週期τ。此暫存器 =容紀錄於量測及計算單幻4之儲存器;。^ 著反覆地重複此步驟並持續數個堳 妾 佈，如所描述之實施例中之ϋ週期分佈。—振遭分 13 201100804

1 wt>i i I 當數據累積時’微處理器可以產生一圖表（例如是此‘ I施例所示之顯示於顯示單元15，表示所量測到此週期之 ^度的分佈以及因為-段時間内液體密度的變化）此圖表 ^圖表數據更可以被應用（例如是藉由計算單幻4)以估 异此液體之密度（此液體例如是一異質介質，例如是包括 不互溶之成份，例如一油_水乳狀液、或含滯留氣體）。藉 由例如是計算此週期長度之一平均值。此計算單元14可 例如是應用一個或多個機率準則以決定一平均週期長 度。值得注意的是此週期長度之計算值可認作如前述之: 振頻率估計之倒數。利用一機率準則決定-值，此值用以 表不量測時所觀察到的週期長度’因而 佈決定-共振财估狀―實施例。 -盞刀 當浸於-液體中之音又（通常即機械共振器）受到驅 動時’此音叉會振盈於-頻率，此頻率由此介質之此密度 所決定。結果’具有相同頻率之一訊號可以產生於比較器 8的輸出端。介於此訊號之兩前方（p〇sidvef⑽丈）之間的 距離可：例如是等於此週期之長度。如果液體為均勻介Q 質，其密度為定值且其振盪週期（以及 穩定的。在此情況中，-振烫分佈曲線將縮窄；= 線° ^在時間軸（橫座標）的位置完全地決定此液體所欲 求之岔度而不需任何額外的估算。 當液體為異質介質的情況時，介質的密度可能不同， 因此音叉可能置於一波動密度之液流中。因此，振盪週期 (或者是此振盪週期的長度）開始變化於一特定範圍内， 造成此振盪週期分佈的擴張。對於輕微地異質混合而近乎 14 201100804 均勻之液體，例如是油-水混合物，其一典型的振盪分佈係 繪示於第3a圖。第3a圖描繪於此輸出訊號中之振盪週期 的發生或機率密度(D)，並表示為此振盪周期長度（T)之函 數。此分佈曲線之最大值（T)決定在第一近似中之一平均液 體密度。更進一步的統計分析可以更提高此結果的正確 性，例如是藉由分析機率誤差、趨勢分析、或者甚至是可 以估算出之此機械共振器的運作順序。 對於明顯的異質混合液體，例如是油-氣之混合物， Ο 一典型的振盪分佈係繪示於第3b圖。此分佈之最大值 (ΤΙ、T2)的位置可用以決定其一為一液相，以及其一為氣 體。區別出油的部分（週期較長者）後將可以估算出其密 度。 以下將提出依照本發明之此裝置之一實施例： 音叉共振器，叉子長為40毫米（mm)，其具有相同 的直徑4毫米（mm); 雙晶片驅動一壓電元件，此元件之直徑為10 mm， ^ 厚度為0.2 mm ; 音叉材質—不鑛鋼， 感測器之操作頻率一大約3 800 Hz.。 於此電路中使用一標準微晶片以及一微處理器。 如描述之此裝置被測試於不同液體中，尤其，在水、 原油、溶劑、化學劑、液化之氣體，在此些受測之液體中 觀察到此裝置之執行穩定且可靠。 綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然 而所揭露之實施例僅為本發明之實施範例，本發明可以有 15 201100804 i woj i ir/\ 不同形式的實施方式。因此，於此所詳細揭露的特定結構 或機能並非用以限定本發明，而僅為本發明之申請專利範 圍的基礎，以及教導本發明所屬技術領域中具有通常知識 者利用本發明的典型準則。本發明所屬技術領域中具有通 常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種 之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請 專利範圍所界定者為準。此外，於此所使用的詞語或片語 並非用以限定本發明，而是提供本發明一清楚易懂之說 明。 於此所用之詞語“a”、“an”，係定義為一個或多於一 個。於此所用之詞語“plurality”，係定義為兩個或多於兩 個。於此所用之詞語“another”，係定義為至少一個第二或 是更多。於此所用之詞語“including”及/或“having”，係定 義為包括（亦即開放式語言，並無排除其他元件或步驟）。 於申請專利範圍中之任何編號符號，不可推斷以限制本發 明之申請專利範圍。事實上，某些方法列舉於彼此相互不 同之申請專利範圍之獨立項，並不表示結合此些方法不會 有比較好的優點。 於此所用之詞語“coupled”，係定義為連接，雖然未必 直接’且未必為機械用語。 一個單一處理器或者其他單元可以實現列舉於申請 專利範圍中的數個項目之功能。 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示依照本發明之一裝置之一實施例的示 201100804 第2圖係繪示依照本發明之一裝置之另一實施例的 示意圖。 第3a圖係繪示一第一異質液體之振盪分佈示意圖。 第3b圖係繪示一第二異質液體之振盪分佈示意圖。 【主要元件符號說明】 1 :音叉 2 :薄膜 3:接收之壓電元件 Ο 4:發送之壓電元件 5:前置放大器 6 :相位校正電路 7:最終放大器 8 :比較器 9:計數重置脈衝形成器 10 :計數器 11 :寫入暫存器 g\ U 12 :高頻振盪器 13 :量測區塊 14 :計算單元 15 :顯示單元 16 :溫度感測器 100 :機械共振器 110 :驅動/接收單元 - 120 :估算單元 17

Claims (1)

1. 201100804 1 WOI I 七、申請專利範圍： l —種裝置，用以檢測一液體之一密度，該裝置包 一機械共振器； οσ驅動/接收單70，設置以提供一驅動力至該機械妓 振器、感彡_機财振器對該力之—響應並提供: 該響應之一輸出訊號 :以及 丨*异早元 娄琢驅動/接收單 號決定該機械共振器之一共振頻率 其特徵在於，該估算單元係設置以： 由該輸出訊號決定一振盪分佈； 由該振盪分佈決定一共振頻率估計；以及 根據該共振頻率估計決定該液體之該密度。 —申請專利範圍* 1項所述之裝置，其中該估 早70包括—計算單元，用以： 由該振盪分佈決定該共振頻率估計；以及 根據該共振頻率估計決定該液體之該密度。 專2項所述= 振遭分佈。Ρ該量測單元可由該輸出訊號決定· 申請專利細3項所述之裝置，其” h «代表該共振器之該響應之—取樣。 〃中錢t 5·如申請專利範圍第2項所述 單元係設置以應用—傅立華轉換來5之=，其中該計^ 該共振頻㈣計。# _換末根據该顧分佈決与 18 201100804 6.如申請專利範圍第2到3項所述之裝置，豆中1 包括—振盪週期分佈，該振魏期分佈由該輸^ 、7.如中請專利範圍g 6項所述之裝置，其中該振盤 週期为佈包括具有複數贿躺期值之—㈣，該些振盈 輸出訊號所得，藉由測定該輸出訊號之複數個 盪週期之-期間’並且儲存表示該期間之一值於 Ο G 】.如申請專利範圍第2到7項中任何一項所述之裝 置八中該計算單元更設置以決定一共振 值由該共振分佈所得。 振峰 】.如申請專利範圍第2到8項中任何一項所述之裝 此特：ri算單元係設置以決定至少兩個共振峰值，此 戶^值由料齡佈抑多函數機率錢分佈曲線 置，r包:一前:亍之二專利範圍中任何-項所述 η 娟不杰，用以顯示該振盪分佈。 之 裝置，其到10項中任何-項所述 二中I十异早凡包括—微處理器，用以 =振蘯分佈以決定該共振頻率估計，以及 „頻率估計決定該液體之該密度。 置 其中：则迷之申請專利範圍中任何—項所述之裝 σ亥機械共振器之該游L湯、两。〆 的範圍内。 又系介於0.1到1.0毫秒(ms) 19 201100804 i woi i ir/\ ' 13. 如申請專利範圍第2 置，其中： 貝肀任何一項所述之裝 該4算單㈣設置以決^該機械 期之一平均值。 、搌^之δ亥振盪週 14. 如前述之申請專利範 置，更包括·· 节任何一項所述之裝 一感測器，例如是一溫度感 以量測該液體或該機械共振器二二:大力感測器，用 〇 15.如前述之申請專利範圍中 置，其中該驅動/接收單元包括 可一項所述之裝 $以&供_動力至該機械共振器。 ^致動 置’其===圍:任何-項所述之裝 械共振器對綠驅動力之該響應/電感測器以偵測該機 〗7.如前述之申請專利範 置，其中該機械共振器包括一音又、：二：項所述之裝 ^ it te. 55 次 知棒、或—T令 ❹ 底。％ m具有設置於該驅動/接收單元之 20