Датчик плотности и вязкости

Датчик плотности и вязкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к датчику для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида). Датчик основан на использовании механических элементов, вибрирующих в измеряемой текучей среде (флюиде).

Изобретение можно применять для измерения плотности и вязкости в нефтедобывающей промышленности, в химической промышленности, в пищевой промышленности и т.д.

Уровень техники

Плотность - это величина, равняющаяся массе среды в единице объема. В системе СИ единицей плотности является килограмм на кубический метр (кг/м³). Например, при нормальных температуре и давлении плотность воды равна 1000 кг/м³, а этилового спирта - 790 кг/м³.

Вязкость - это величина, характеризующая сопротивляемость текучей среды (флюида) деформации при напряжении сдвига. Вязкость описывает внутреннее сопротивление текучей среды (флюида) течению и может считаться мерой трения текучей среды (флюида). Физической единицей динамической вязкости в системе СИ является паскаль-секунда (Па/с). Физической единицей динамической вязкости в системе СГС является пуаз (П). Более принято его выражать в сантипуазах (сП), особенно по стандартам Американского общества по испытаниям и материалам. Например, вязкость воды равна 1,0 сП (при 20°C).

Из патентного документа EP 0282251 известен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида). Датчик содержит два параллельных зубца, идущих от общего ярма, образующих камертон, выполненный с возможностью погружения в текучую среду (флюид). Посредством одного или нескольких пьезоэлектрических возбуждающих элементов, расположенных в одной или нескольких полостях в зубцах или ярме, зубцы возбуждаются резонансно или в противофазе. Эти колебания воспринимаются одним или несколькими пьезоэлектрическими чувствительными элементами, расположенными аналогичным образом.

Типичный размер датчика составляет несколько сантиметров, что требует наличия громоздкого и дорогостоящего корпуса для датчика. Это ведет к тому, что измерительное устройство оказывается весьма интрузивным, что не позволяет использовать его в пробоотборных камерах или небольших трубах. Кроме того, из-за больших размеров очень трудно обеспечить работу при высоком давлении и высокой температуре.

Сущность изобретения

Одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида), посредством которой преодолевается, по меньшей мере, один из недостатков уровня техники.

В соответствии с первым объектом изобретения, схема типа «возбуждение-обнаружение» настоящего датчика основана на передаче механического сигнала через мембрану, имеющую с одной стороны исполнительный/обнаруживающий элемент, изолированный от текучей среды (флюида), а с другой стороны резонирующий элемент, погруженный в текучую среду (флюид). Более конкретно, датчик плотности и вязкости согласно изобретению содержит резонирующий элемент, выполненный с возможностью погружения в текучую среду (флюид), исполнительный/обнаруживающий элемент, соединенный с резонирующим элементом, и разъем для соединения с исполнительным/обнаруживающим элементом. Датчик дополнительно содержит корпус, образующий камеру, изолированную от текучей среды (флюида), причем корпус содержит область уменьшенной толщины, образующую мембрану, отделяющую камеру от текучей среды (флюида). Исполнительный/обнаруживающий элемент расположен внутри камеры таким образом, чтобы быть изолированным от текучей среды (флюида) и механически соединенным с мембраной. Резонирующий элемент выполнен с возможностью погружения его в текучую среду (флюид) и механически соединен с мембраной. Толщина мембраны обеспечивает сопротивление давлению и передачу механических колебаний между исполнительным/обнаруживающим элементом и резонирующим элементом. Получающаяся жесткость мембраны позволяет отделить свойства резонирующего элемента от исполнительного/обнаруживающего элемента.

Более конкретно датчик плотности и вязкости согласно изобретению содержит резонирующий элемент, выполненный с возможностью погружения в текучую среду (флюид), исполнительный/обнаруживающий элемент, соединенный с резонирующим элементом, и разъем для соединения с исполнительным/обнаруживающим элементом. Датчик далее содержит корпус, образующий камеру, изолированную от текучей среды (флюида), причем корпус содержит область уменьшенной толщины, образующую мембрану, отделяющую камеру от текучей среды (флюида). Исполнительный/ обнаруживающий элемент расположен внутри камеры таким образом, чтобы быть изолированным от текучей среды (флюида) и механически соединенным с мембраной. Резонирующий элемент, выполненный с возможностью погружения в текучую среду (флюид), механически соединен с мембраной. Толщина мембраны позволяет передавать механические колебания между исполнительным/обнаруживающим элементом и резонирующим элементом.

Резонирующий элемент может быть механически соединен с мембраной механическим соединяющим элементом.

Область уменьшенной толщины может образовывать полость, в которой закреплен исполнительный/обнаруживающий элемент.

Исполнительный/обнаруживающий элемент может содержать, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент. Пьезоэлектрический элемент имеет первую и вторую сторону, причем первая сторона соединена с разъемом соединительным проводом, а вторая сторона электрически соединена с мембраной.

Пьезоэлектрический элемент может быть придвинут к полости посредством вставочного узла, ввинчиваемого в полость. Вставка содержит отверстие для соединения с соединительным проводом.

Разъем может быть коаксиальным разъемом, содержащим внешнюю металлическую часть, соединенную с корпусом, и внутреннюю металлическую часть, соединенную с соединительным проводом, причем внешняя и внутренняя металлическая части разделены изолирующей частью.

Датчик может далее содержать терморезистор, расположенный внутри камеры.

Датчик может содержать электронное устройство для перевода исполнительного/обнаруживающего элемента из исполнительного режима в обнаруживающий режим и наоборот.

Резонирующий элемент содержит первое коромысло для измерения первого диапазона плотности и вязкости. Он может дополнительно содержать, по меньшей мере, второе коромысло для измерения второго диапазона плотности и вязкости. Резонирующий элемент может быть выбран из группы резонирующих элементов, содержащей:

- одинарное коромысло, центр которого, определенный с доступной точностью, прикреплен к соединяющему элементу,

- одинарное коромысло, прикрепленное одним концом к соединяющему элементу,

- U-образное коромысло, содержащее первую продольную часть, соединенную со второй изогнутой частью, прикрепленной одним концом к соединяющему элементу, и

- двойное коромысло, содержащее прикрепленные друг к другу первое коромысло и второе коромысло, причем первое коромысло прикреплено к соединяющему элементу.

Коромысло предпочтительно может содержать, по меньшей мере, одну проволоку, ориентированную в направлении потока текучей среды (флюида).

Согласно второму аспекту изобретения, способ измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) основан на определенной схеме типа «возбуждение-обнаружение». Схема типа «возбуждение-обнаружение» основана на элементарной последовательности, содержащей три фазы: фазу возбуждения, фазу ожидания и фазу обнаружения. Во время фазы возбуждения на исполнительный/обнаруживающий элемент подают возбуждающий сигнал начальной частоты, состоящий из М периодов (например, М равно 4). Фаза ожидания длится N периодов (например, N равно 1). Фаза обнаружения длится P периодов (например, P равно 3). Элементарная последовательность повторяется K раз (например, K имеет порядок добротности Q) для начальной частоты, позволяя таким образом определить измеряемую или фактическую синфазную спектральную компоненту и измеряемую или фактическую квадратурную спектральную компоненту.

Согласно первому варианту осуществления изобретения эти этапы повторяются при различных частотах, находящихся между начальной частотой и последней частотой, которые включают в себя резонансную частоту резонирующего элемента. Получают измеренный или фактический синфазный и квадратурный спектр.

Согласно второму варианту осуществления изобретения эти этапы повторяются для различных частот, находящихся между начальной частотой и последней частотой, которые включают в себя резонансную частоту резонирующего элемента, и для двух различных значений числа периодов N (например, для N=1 и для N=4). Определение измеренной синфазной спектральной компоненты и измеренной квадратурной спектральной компоненты заключается в вычислении разности между синфазными спектральными компонентами, полученными для двух различных значений числа периодов N. Та же операция проделывается с квадратурными спектральными компонентами. Получают измеренные или фактические синфазные и квадратурные спектры.

Затем осуществляется параметрическая идентификация на синфазном спектре и квадратурном спектре. Параметрическая идентификация заключается в сравнении измеренного спектра относительно теоретического спектра, вычисленного на основе множества дискретных значений пары добротность - резонансная частота. Для каждой пары добротность - резонансная частота вычисляют первый и второй коэффициенты взаимной корреляции соответственно для синфазного спектра и квадратурного спектра. Пара добротность - резонансная частота, соответствующая максимуму нормированной суммы первого и второго коэффициентов взаимной корреляции, определяет добротность и резонансную частоту резонирующего элемента, помещенного в измеряемую текучую среду (флюид).

Более конкретно способ измерения плотности и вязкости согласно изобретению содержит этапы, на которых:

a) подают возбуждающий сигнал на резонирующее устройство, содержащее исполнительный/обнаруживающий элемент и резонирующий элемент, выполненный с возможностью погружения в текучую среду (флюид), причем сигнал возбуждения имеет первую частоту,

b) обнаруживают сигнал приема, подаваемый резонирующим устройством;

c) повторяют этап подачи возбуждающего сигнала и обнаружения сигнала приема при различных частотах, так чтобы охватить диапазон частот в соответствии с шагом приращения частоты,

d) определяют синфазный фактический отклик датчика и квадратурный фактический отклик датчика на сигнал приема, обнаруженный в диапазоне частот,

e) вычисляют модельный синфазный отклик датчика и модельный квадратурный отклик датчика на основе начальной резонансной частоты и начальной добротности резонирующего элемента,

f) сравнивают модельный синфазный отклик датчика с фактическим синфазным откликом датчика и модельный квадратурный отклик датчика с фактическим квадратурным откликом датчика посредством определения коэффициента сопряженной корреляции,

g) повторяют этап вычисления и этап сравнения при измененной резонансной частоте и измененной добротности и запоминают определенный номер модифицированной резонансной частоты и модифицированной добротности и коэффициента сопряженной корреляции,

h) определяют итоговую резонансную частоту и итоговую добротность резонирующего элемента в текучей среде (флюиде) на основе определенного номера коэффициента сопряженной корреляции, и

i) определяют плотность и вязкость текучей среды (флюида) на основе итоговой резонансной частоты, итоговой добротности и выполненного с доступной точностью аналитического моделирования резонирующего элемента.

Этапы сравнения и определения резонансной частоты и добротности могут быть основаны на параметрической идентификации, заключающейся в том, что:

- вычисляют нормированную сумму коэффициентов корреляции для каждого модельного отклика датчика, вычисленного для определенного номера резонансных частот и добротности резонирующего элемента, и

- определяют итоговую резонансную частоту и итоговую добротность, соответствующие паре резонансная частота/добротность, которая связана с наибольшей нормированной суммой коэффициентов корреляции.

Согласно первой схеме возбуждения возбуждающий сигнал имеет определенную частоту, которая повторяется несколько раз, а определение фактического синфазного отклика датчика и фактического квадратурного отклика датчика основано на среднем значении сигналов приема для каждой частоты, обнаруженной в диапазоне частот.

Согласно второй схеме возбуждения возбуждающий сигнал содержит первый возбуждающий сигнал и второй возбуждающий сигнал, причем первый возбуждающий сигнал имеет первое число периодов, а второй возбуждающий сигнал имеет второе число периодов. Возбуждающие сигналы повторяются на различных частотах таким образом, чтобы был пройден диапазон частот согласно приращению шага частоты, при этом с первым сигналом возбуждения связан первый сигнал приема, а со вторым сигналом возбуждения связан второй сигнал приема. Фактический синфазный отклик датчика определяется на основе вычисления разности между фактическим синфазным откликом датчика, связанным с первым сигналом приема, и фактическим синфазным откликом датчика, связанным со вторым сигналом приема. Фактический квадратурный отклик датчика определяется на основе вычисления разности между фактическим квадратурным откликом датчика, связанным с первым сигналом приема, и фактическим квадратурным откликом датчика, связанным со вторым сигналом приема.

Таким образом, согласно изобретению элементы возбуждения/обнаружения полностью изолированы от текучей среды (флюида). Поскольку частями датчика, погруженными в текучую среду (флюид), являются только резонирующий элемент и часть корпуса, датчик согласно изобретению обладает высокой химической стойкостью, высокой жаростойкостью и высокой температурной стойкостью.

Конструкция датчика требует минимального вмешательства в линию потока измеряемой текучей среды (флюида), что позволяет не допускать возмущения потока текучей среды (флюида), возникновения эрозии, потенциальной закупорки и обеспечивает надежную работу датчика в течение длительного времени.

Кроме того, разъединение исполнительной/обнаруживающей части и резонирующей части обеспечивает полную свободу в выборе материала для резонирующего элемента вне зависимости от его электрических свойств. В частности, можно использовать сплавы с высокой коррозионной стойкостью или высокопрочные кристаллы.

Кроме того, поскольку отсутствует электрическое сквозное питание между резонирующим элементом и исполнительным/обнаруживающим элементом, корпус датчика может быть выполнен из простого и прочного монолитного блока. Тем самым снижаются эффекты, связанные с напряжениями, вызванными изменением температуры. Датчик может быть более миниатюрным по сравнению с датчиком, известным из уровня техники, и может быть выполнен с возможностью применения в тяжелых условиях окружающей среды. Кроме того, он может быть изготовлен с низкими затратами.

Наконец, способ измерения согласно изобретению обеспечивает кардинальное снижение фоновых смещений и шума. Это в значительной степени расширяет область применения датчика и повышает надежность и точность прогнозирования плотности и вязкости.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется посредством примеров и не ограничивается прилагаемыми чертежами, на которых схожие номера позиций относятся к подобным элементам:

Фиг.1, 2, 3, 4 и 5 являются, соответственно, видами в перспективе снизу и сверху, видами снизу, сверху и сбоку, на которых схематически изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно первому варианту осуществления изобретения;

Фиг.6.A является видом в разрезе по линии АА фиг.5, на котором изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно первому варианту осуществления изобретения;

Фиг.6.B является видом в разрезе по линии АА фиг.5, на котором изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно модификации первого варианта осуществления изобретения;

Фиг.6.C является видом в разрезе по линии АА фиг.5, на котором изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно другой модификации первого варианта осуществления изобретения;

Фиг.7.A и 7.B являются видами в перспективе пьезоэлектрического элемента соответственно согласно первой и второй модификации;

Фиг.8.A, 8.B и 8.C являются соответственно видами сбоку, снизу и снизу в перспективе, на которых схематически изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно второму варианту осуществления изобретения;

Фиг.9.A, 9.B и 9.C являются соответственно видами сбоку, снизу и перспективными видами снизу, на которых схематически изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно третьему варианту осуществления изобретения;

Фиг.10.A, 10.B и 10.C являются соответственно видами сбоку, снизу и перспективными видами снизу, на которых схематически изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно четвертому варианту осуществления изобретения;

Фиг.11 является схематичной иллюстрацией электронного устройства, связанного с датчиком согласно изобретению;

Фиг.12.A и 12.B являются схематическими иллюстрациями схемы возбуждения и обнаружения соответственно по первому варианту и второму варианту осуществления изобретения;

Фиг.13 является видом в разрезе, на котором изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида), помещенный в трубопровод, и поясняется принцип измерения согласно изобретению;

Фиг.14 является схематической иллюстрацией способа измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида) согласно изобретению;

на Фиг.15 показаны квадратурный спектр фактического отклика датчика, полученный на основе измерений, и квадратурный спектр модельного отклика, полученный на основе вычислений;

на фиг.16 показаны синфазный спектр фактического отклика датчика, полученный на основе измерений, и синфазный спектр модельного отклика датчика, полученный на основе вычислений;

Фиг.17.A и 17.B являются видами в перспективе и в разрезе, на которых схематически изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида), соединенный с трубопроводом по первому варианту осуществления изобретения; и

Фиг.18.A и 18.B являются видами в перспективе и в разрезе, на которых схематически изображен датчик для измерения плотности и вязкости текучей среды (флюида), соединенный с трубопроводом по второму варианту осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1-5 изображен датчик 1 плотности и вязкости согласно изобретению.

Датчик 1 плотности и вязкости содержит корпус 2. Корпус 2 содержит разъем 7, например стандартизированный коаксиальный разъем. Корпус 2 может содержать паз 10 для уплотнительного кольца (не показано). Уплотнительное кольцо отделяет сторону, контактирующую с текучей средой (флюидом) (СКТ), от стороны, соединенной с датчиком (ССД). Сторона, контактирующая с текучей средой (флюидом), может подвергаться воздействию тяжелых условий (высокому давлению, коррозионной текучей среде…(флюиду)). Сторона соединения, как правило, находится под атмосферным давлением. Датчик содержит резонирующий элемент 3A, соединенный с корпусом 2 механическим соединяющим элементом 5. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1-6.B, резонирующий элемент 3A имеет вид одинарного коромысла, центр которого прикреплен к корпусу 2 механическим соединяющим элементом 5.

В этом частном варианте осуществления изобретения механический соединяющий элемент 5 составляет единое целое с корпусом. Однако специалисту в данной области техники очевидно, что механический соединяющий элемент 5 может составлять единое целое с резонирующим элементом или может быть дополнительной частью, соединенной с корпусом и резонирующим элементом. Функция механического элемента связи заключается в механическом соединении корпуса 2 с резонирующим элементом 3A, так чтобы через него могло передаваться колебание. Другая функция заключается в том, чтобы поместить резонирующий элемент 3A в измеряемую текучую среду (флюид), так чтобы резонирующий элемент оказался окруженным указанной текучей средой или полностью погружен в указанную текучую среду. Резонирующий элемент 3A и корпус, составляющий или не составляющий единое целое с соединяющим элементом 5, могут быть скомпонованы вместе (например, посредством соответствующей сварки, склеивания, пайки и т.д.).

На фиг.6.A приведен вид в разрезе датчика 1 согласно первой модификации первого варианта осуществления изобретения. Корпус содержит внутреннюю часть корпуса, образующую камеру 8A. Со стороны камеры корпус 2 содержит полость 8B. Полость 8B образует область, где корпус имеет уменьшенную толщину, образуя мембрану 9 между камерой 8A и стороной, контактирующей с текучей средой (флюидом) СКТ. Соединяющий элемент 5 помещается на мембрану 9. Соединяющий элемент 5 предпочтительно помещается в определенный с доступной точностью центр мембраны. Камера 8A может быть заполнена материалом. Материал предпочтительно является веществом, поглощающим колебания (например, газом, нефтью, гелем и т.д.). Вещество, поглощающее колебания, позволяет снизить помехи, возникающие вследствие паразитических мод колебаний самого корпуса. Камера 8A может быть герметизирована через разъем 7.

Исполнительный/обнаруживающий элемент 4, например пьезоэлектрический элемент 4A, помещен в полость 8B. Одна сторона пьезоэлектрического элемента соединена с разъемом 7 соединительным проводом 6. Другая сторона пьезоэлектрического элемента 4A электрически соединена с мембраной 9. В этой модификации пьезоэлектрический элемент преимущественно работает на растяжение.

Как правило, пьезоэлектрический элемент содержит металлический слой по существу на всей своей поверхности и на каждой стороне.

Электрическое соединение может быть обеспечено либо посредством приклеивания пьезоэлектрического элемента к мембране проводящим клеем, либо посредством механического прикрепления пьезоэлектрического элемента к мембране, либо посредством припаивания пьезоэлектрического элемента к мембране.

Разъем 7 содержит внешнюю металлическую часть 7A, контактирующую с корпусом 2, и внутреннюю металлическую часть 7B. Внешняя 7A и внутренняя 7B металлические части разделены изолирующей частью 7C. Таким образом, на пьезоэлектрический элемент 4 может быть подано возбуждение посредством соответствующего электрического сигнала, поданного между двумя его сторонами, а именно, с одной стороны, к внешней металлической части 7A и корпусу 2, а с другой стороны, к металлической части 7B и соединительному проводу 6.

На фиг.6.B изображен вид в разрезе датчика 1 согласно второй модификации первого варианта осуществления изобретения. Согласно этой модификации в камеру 8A корпуса помещается терморезистор 11. Терморезистор позволяет измерять температуру в том месте, где выполняется измерение вязкости и плотности. Кроме того, терморезистор 11 может быть дополнительно соединен с резистором 12 для приведения диапазона измерения температуры в соответствие с конкретным применением, для которого предполагается использовать датчик плотности и вязкости. Измерения температуры могут использоваться для компенсации температурных эффектов, влияющих на измерения плотности и вязкости. Терморезистор приведен в качестве примера, могут применяться и другие устройства для измерения температуры, например, диод.

На фиг.6.C приведен вид в разрезе датчика 1 согласно третьей модификации первого варианта осуществления изобретения. Для большей ясности разъем 7 на фиг.6.C не показан. Согласно этой модификации датчик дополнительно содержит вставку 13 и ввинчивающуюся вставку 14, ввинчиваемую в камеру 8A или полость 8B для обеспечения прижима пьезоэлектрического элемента 4A к мембране 9. Ввинчивающаяся вставка 14 содержит соответствующее отверстие для пропуска соединительного провода 6, расположенное в определенном с доступной степенью точности центре ввинчивающейся вставки. Вставка 13 обеспечивает прижим пьезоэлектрического элемента к мембране при ввинчивании ввинчивающейся вставки 14. Вставка 13 обеспечивает пропуск соединительного провода 6 от центра ввинчивающейся вставки к пьезоэлектрическому элементу. Одна сторона пьезоэлектрического элемента соединяется с разъемом (не показан) соединительным проводом 6. Другая сторона пьезоэлектрического элемента 4A соприкасается с мембраной 9.

Для большей ясности на фиг.6.C также приведена в увеличенном масштабе часть, относящаяся к области пьезоэлектрического элемента 4A. Пьезоэлектрический элемент 4A содержит два наложенных друг на друга пьезоэлектрических элемента 4A1 и 4A2, соединенных друг с другом через первый проводящий слой 6A. Первый соединительный слой 6A соединен с соединительным проводом 6. Первый пьезоэлектрический элемент 4A1 соединен также со вставкой 13 вторым проводящим слоем 13A. Второй пьезоэлектрический элемент 4A2 соединен также с мембраной 9 третьим проводящим слоем 9A. Первый пьезоэлектрический элемент 4A1 имеет обратное поляризационное состояние относительно второго пьезоэлектрического элемента 4A2. В этой модификации пьезоэлектрические элементы преимущественно работают на сжатие. Таким образом, два наложенных друг на друга пьезоэлектрических элемента 4A1 и 4A2 могут возбуждаться соответствующим электрическим сигналом, приложенным между первым проводящим слоем 6A, с одной стороны, и вторым и третьим проводящими слоями 9A, 13A, с другой стороны.

Хотя это не показано на фигурах, может быть изготовлен пакет дополнительных пьезоэлектрических элементов (например, 3, 4, 5, и т.д. пьезоэлектрических элементов) с соответствующей поляризацией и соединениями проводящих слоев. Чем больше число пьезоэлектрических элементов, тем сильнее сигнал, выдаваемый пакетом, что повышает качество измерений, которые можно выполнить при помощи датчика.

Датчик предпочтительно дополнительно содержит любое подходящее средство для прикрепления датчика к трубопроводу, трубе или трубке (фланцевое соединение, винтовое соединение и т.д.) Ниже будут приведены два примера со ссылкой на фиг.17 и 18.

На фиг.7.A и 7.B приведен исполнительный/обнаруживающий элемент в виде пьезоэлектрического элемента. Согласно первому варианту, приведенному на фиг.7.A, пьезоэлектрический элемент имеет простую цилиндрическую форму 4A. Согласно второму варианту, приведенному на фиг.7B, пьезоэлектрический элемент имеет кольцеобразную форму 4B, то есть цилиндрическую форму с полой центральной частью. Пьезоэлектрический элемент, имеющий вторую форму, выдерживает более сильную деформацию по сравнению со второй формой. Таким образом, значительно снижается риск разрыва пьезоэлектрического элемента при значительном напряжении, особенно, при высоком давлении. Напряжение растяжения может привести к разрыву пьезоэлектрического элемента.

На фиг.8.A, 8.B и 8.C приведены соответственно виды сбоку, снизу и снизу в перспективе, на которых схематически изображен датчик 1 плотности и вязкости согласно второму варианту осуществления изобретения.

Согласно этому варианту осуществления резонирующий элемент 3B имеет вид одинарного коромысла, прикрепленного одним концом к соединяющему элементу 5.

На фиг.9.A, 9.B и 9.C приведены соответственно виды сбоку, снизу и снизу в перспективе, на которых изображен датчик 1 плотности и вязкости согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Согласно этому варианту осуществления резонирующий элемент 3C имеет вид несимметричного U-образного коромысла. Коромысло может представлять собой проволоку, например, с цилиндрическим или эллиптическим сечением и иметь несколько микрометров в диаметре. Проволока содержит первую продольную часть, контактирующую с измеряемой текучей средой. Проволока содержит вторую изогнутую часть, которая прикреплена одним концом к соединяющему элементу 5.

Коромысло согласно первому, второму и третьему вариантам осуществления предпочтительно ориентировано в направлении потока текучей среды (флюида). Такое взаимное расположение позволяет минимизировать влияние эрозии в текучей среде (флюиде) с высокой скоростью частиц. Оно также позволяет свести к минимуму турбулентность, вызванную наличием измерительного прибора, и, таким образом, шум на коромысле.

На фиг.10.A, 10.B и 10.C приведены соответственно виды сбоку, снизу и снизу в перспективе, на которых схематично изображен датчик 1 плотности и вязкости согласно четвертому варианту осуществления изобретения. Согласно этому варианту осуществления резонирующий элемент 3D содержит первое коромысло 301 и второе коромысло 302. Каждый провод погружен в измеряемую текучую среду (флюид). Первое коромысло 301 прикреплено в одной точке к соединяющему элементу 5. Второе коромысло 302 прикреплено одной своей точкой к первому коромыслу. Первое коромысло может быть расположено под любым углом ко второму коромыслу, предпочтительно под углом 90°. Точка прикрепления первого коромысла может быть выбрана посредине провода, так чтобы получилось симметричное коромысло, или в любой точке провода, так чтобы получилось асимметричное коромысло. То же верно для второго коромысла. Возможно также сочетание симметричного коромысла и асимметричного коромысла.

Каждое коромысло предпочтительно обладает своей добротностью и резонансной частотой. Таким образом, множество коромысел различной длины обеспечивают расширенный диапазон измерений плотности и вязкости (каждое коромысло чувствительно к определенному диапазону плотности и вязкости). Множество коромысел одинаковой длины улучшают отношение сигнал-шум, повышая, таким образом, точность датчика.

В вышеописанных вариантах осуществления изобретения различные коромысла, изображенные на фигурах, содержат проволоку, имеющую круглое сечение. Однако это не является ограничительным условием, поскольку коромысла могут в альтернативном варианте осуществления изобретения содержать любую проволоку с эллиптическим сечением, или с параллелепипедным сечением (например, прямоугольным сечением), или с треугольным сечением и т.д. Диаметр или ширина проволоки может составлять несколько сот микрометров.

Корпус датчика предпочтительно выполнен из высокопрочной и обладающей высокой коррозионной стойкостью нержавеющей стали, например, из сплава «инконель».

Резонирующий элемент предпочтительно выполнен из высокопрочного и обладающего высокой коррозионной стойкостью материала, например, из нержавеющей стали или из материала с низкой плотностью, такого как сапфир или бороуглерод. Применение сапфира или бороуглерода повышает чувствительность к плотности текучей среды (флюида).

В альтернативном варианте осуществления изобретения резонирующий элемент может быть выполнен из специальных материалов, предназначенных для обнаружения или измерения химических образцов в текучей среде (флюиде).

Фиг.11 схематично иллюстрирует электронное устройство ЭУ, связанное датчиком 1 плотности и вязкости согласно изобретению. Электронное устройство может составлять единое целое с датчиком 1 плотности и вязкости посредством их объединения внутри камеры или может быть подсоединено снаружи к разъему 7. Электронное устройство может содержать отдельные электронные элементы или может быть реализовано в виде интегральной схемы.

Электронная схема ЭУ содержит управляющую схему LOG, генератор колебаний SOS, первый ключ SW1, второй ключ SW2, усилитель AMP, схему обнаружения SYS и обрабатывающую схему PRO.

Управляющая схема LOG соединена с генератором колебаний SOS, первым ключом SW1 и вторым ключом SW2, усилителем AMP и схемой обнаружения SYS.

Генератор колебаний SOS может быть генератором качающейся частоты. Генератор выполняет функцию схемы возбуждения и обнаружения датчика, которая более подробно описана ниже (см. фиг.12.A и 12.B).

На первом этапе управляющая схема LOG закрывает первый ключ SW1 и открывает второй ключ SW2. В результате генератор колебаний SOS подает возбуждающий сигнал на пьезоэлектрический элемент 4. В результате подачи возбуждающего сигнала пьезоэлектрический элемент 4 прикладывает механическое напряжение к мембране 9 и резонирующему элементу 3 и снимает его благодаря их взаимному механическому соединению. Возбуждающий сигнал составляет порядка нескольких вольт.

Как только возбуждение пьезоэлектрического элемента 3 вызывает колебания, возбуждение может быть снято, и может быть измерен сигнал приема, характеризующий колебания резонирующего элемента 3 в текучей среде (флюиде) F. Сигнал приема составляет обычно порядка нескольких микроампер.

Соответственно, на втором этапе управляющая схема LOG закрывает второй ключ SW2 и открывает первый ключ SW1. В результате пьезоэлектрический элемент вырабатывает сигнал приема, характеризующий изменение напряжения в мембране 9, механически связанной с резонирующим элементом 3.

Сигнал обнаружения усиливается усилителем AMP. Схема обнаружения SYS выполняет синхронное обнаружение в течение фазы обнаружения. Она подает на обрабатывающую схему PRO фактический синфазный сигнал отклика IPR и фактический квадратурный сигнал отклика IQR, измеренный датчиком 1.

Обрабатывающая схема PRO может быть также соединена с терморезистором 11, который обеспечивает измерение температуры на уровне датчика. Обрабатывающая схема выдает плотность и вязкость текучей среды (флюида) F в соответствии со способом определения плотности и вязкости, который более подробно описан ниже (см. фиг.14).

Следует отметить, что второй ключ SW2 можно убрать или заменить его соответствующим сопротивлением. Основная функция второго ключа SW2 заключается в защите усилителя AMP из-за разности в величине между возбуждающим сигналом и сигналом приема.

Первый вариант схемы возбуждения и обнаружения датчика плотности и вязкости приведен на фиг.12.А. Схема возбуждения и обнаружения основана на чередовании фазы возбуждения, фазы ожидания и фазы обнаружения. На первом этапе, как описано выше, на пьезоэлектрический элемент подается первый возбуждающий сигнал ES₀(f). Первый возбуждающий сигнал ES₀(f) имеет первую частоту f и содержит некоторое число периодов М (например, четыре периода, шесть периодов и т.д.) Затем на втором этапе, как описано выше, после промежутка времени ожидания TW0 в промежуток времени обнаружения TD0 происходит обнаружение сигнала приема, выработанного пьезоэлектрическим элементом. Промежуток времени ожидания TW0 содержит определенное число периодов L, например L приблизительно равно одному периоду, и дает возможность системе вернуться в исходное состояние до проведения измерения. В промежуток времени обнаружения TD0 измеряется затухающий сигнал (не показан) вследствие гашения колебаний резонирующего элемента в текучей среде (флюиде). Время обнаружения TD0 содержит некоторое число периодов P, например P приблизительно равно трем периодам.

Эти два этапа повторяются n раз от возбуждающего сигнала ES₁(f) до возбуждающего сигнала ES_n(f). Например, n=10, 50, 100 и т.д.

Предпочтительно, чтобы число n было с доступной степенью точности равно добротности Q резонирующего элемента. Такой выбор позволяет обеспечить стабилизированное колебательное состояние.

Вышеуказанные этапы затем повторяются, так чтобы генератор колебаний SOS обеспечивал возбуждающий сигнал, частота которого проходит диапазон частот, охватывающий резонансную частоту резонирующего элемента. Точнее, вышеуказанные этапы повторяются со вторым возбуждающим сигналом ES₀(f+Δf). Второй возбуждающий сигнал ES₀(f+Δf) имеет вторую частоту f+Δf, соответствующую первой частоте f, смещенной на шаг приращения частоты Δf. Он содержит такое же число периодов, что и первый возбуждающий сигнал ES₀(f). Эти этапы повторяются до тех пор, пока н