ВИБРАЦИОННОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ЗАЗОРОМ
VIBRATION MEASURING DEVICE WITH A GAP

Область техники, к которой относится изобретение
Варианты осуществления, описанные ниже, относятся к вибрационным измерительным устройствам, и более конкретно к устройствам измерения плотности и вязкости.
Уровень техники
Вибрационные измерительные устройства, включающие в себя плотномеры и вискозиметры, являются важными инструментами, используемыми для измерения плотности или вязкости текучей среды. Вибрационные измерительные устройства могут содержать вибрационный элемент, такой как вилка, цилиндр или плоскостной резонатор и т.д., который подвергается воздействию исследуемой текучей среды. Один пример вибрационного измерительного устройства содержит цилиндрическую консоль, установленную впускным концом, соединенным с существующим трубопроводом или другой конструкцией, и свободно вибрирующим выпускным концом. Цилиндр может вибрировать при резонансе, и может быть измерена частота ответных резонансных колебаний. Плотность исследуемой текучей среды может быть определена посредством измерения уменьшенной частоты ответных колебаний вибрационного элемента. Согласно хорошо известным принципам, резонансная частота вибрационного элемента будет изменяться обратно плотности текучей среды, которая контактирует с трубопроводом.
Фиг. 1 изображает вибрационное измерительное устройство 100 из уровня техники. Вибрационное измерительное устройство 100 может быть выполнено с возможностью измерения плотности текучей среды, такой как, например, жидкость или газ. Вибрационное измерительное устройство 100 включает в себя корпус 102 с вибрационным элементом 104, расположенным по меньшей мере частично внутри корпуса 102. Корпус 102 помогает поддерживать давление текучей среды, когда вибрационный элемент 104 колеблется. Участок корпуса 102 вырезан для демонстрации вибрационного элемента 104. В примерах, вибрационное измерительное устройство 100 может быть расположено в ряд с существующим трубопроводом. Однако в других примерах корпус 102 может содержать закрытые концы с отверстиями для приёма пробы текучей среды. Следовательно, при том, что фланцы не показаны, во многих случаях, корпус 102 или вибрационный элемент 104 может включать в себя фланцы или другие элементы для функционального соединения вибрационного измерительного устройства 100 с трубопроводом или аналогичным устройством доставки текучей среды герметичным образом. В примере вибрационного измерительного устройства 100 вибрационный элемент 104 представляет собой консоль, установленную на корпус 102 на первом конце 106. Вибрационный элемент 104 является свободно вибрирующим на втором конце 108.
Примерное вибрационное измерительное устройство 100 является погружным, в том смысле, что измеряемая текучая среда присутствует со всех сторон вибрационного элемента 104. Согласно показанному примеру, вибрационный элемент 104 может включать в себя множество отверстий 110 для текучей среды смежно с первым концом 106. Отверстия 110 для текучей среды могут быть предусмотрены таким образом, чтобы позволить некоторой части текучей среды, поступающей в вибрационное измерительное устройство 100, протекать между корпусом 102 и вибрационным элементом 104. В других примерах, в корпусе 102 могут быть предусмотрены отверстия  для вывода исследуемой текучей среды на внешнюю поверхность вибрационного элемента 104. Однако в других примерах текучая среда может поступать в вибрационное измерительное устройство через каналы в металлической конструкции смежно с первым концом 106. Текучая среда может протекать по продольному отрезку между корпусом 102 и вибрационным элементом 104 до второго конца 108, где она может затем протекать обратно к первому концу 106 через внутренность вибрационного элемента 104. Таким образом, текучая среда может контактировать с внутренними, также как и с наружными поверхностями вибрационного элемента 104. Это является полезным, когда исследуемая текучая среда содержит газ, поскольку более значительная площадь поверхности подвергается воздействию газа.
На фиг. 1 также показаны устройство 112 возбуждения и вибрационный датчик 114, расположенный в цилиндре 116. Устройство 112 возбуждения и вибрационный датчик 114 показаны как содержащие катушки, но также возможны и другие реализации. Если электрический ток подаётся на катушку, в вибрационном элементе 104 индуцируется магнитное поле, побуждающее вибрационный элемент 104 вибрировать. Наоборот, вибрация вибрационного элемента 104 индуцирует напряжение в вибрационном датчике 114. Устройство 112 возбуждения принимает сигнал возбуждения от измерительной электронной схемы 118 для осуществления вибрации вибрационного элемента 104 с одной из его резонансных частот в одном из множества режимов вибрации, включающих в себя, например, простое сгибание, торсионный, радиальный или связанный тип. Вибрационный датчик 114 обнаруживает вибрацию вибрационного элемента 104, включающую в себя частоту, с которой вибрирует вибрационный элемент 104, и отправляет информацию о вибрации измерительной электронной схеме 118 для обработки. Когда вибрационный элемент 104 вибрирует, текучая среда, контактирующая со стенкой вибрационного элемента, и текучая среда на коротком расстоянии от цилиндра будут вибрировать вместе с вибрационным элементом 104. Добавленная масса текучей среды, контактирующей с вибрационным элементом 104, снижает резонансную частоту. Новая, более низкая, резонансная частота вибрационного элемента 104 используется для определения плотности текучей среды. Резонансная характеристика, или коэффициент добротности, может также быть использована для определения вязкости текучей среды.
В примерном вибрационном измерительном устройстве 100 чувствительность плотности и чувствительность вязкости могут быть неподходящими, когда измеряемая текучая среда имеет низкую плотность или низкую вязкость, такую как, например, когда текучая среда является газом. Одним предыдущим решением этой проблемы является создание толщины стенки вибрационного элемента 104 более тонкой и, следовательно, более легкой. Однако это делает вибрационный элемент 104 более сложным в производстве и менее надежным, поскольку он может быть более легко поврежден.
Необходимо вибрационное измерительное устройство, которое имеет более высокую чувствительность к плотности и/или более низкую чувствительность к вязкости при измерении текучих сред низкой плотности.
Раскрытие изобретения
В первом варианте осуществления предложено вибрационное измерительное устройство. Вибрационное измерительное устройство содержит: вибрационный элемент, содержащий продольное направление и площадь поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной продольному направлению, вибрационный элемент перемещается между первым положением и вторым положением в плоскости, перпендикулярной продольному направлению; граничный элемент, смежный с вибрационным элементом; и электронную схему, выполненную с возможностью приведения вибрационного элемента в движение между первым положением и вторым положением, при этом граничный элемент и вибрационный элемент определяют зазор для повышения скорости текучей среды в плоскости, перпендикулярной продольному направлению, зазор для повышения скорости текучей среды имеет среднее расстояние зазора между граничным элементом и вибрационным элементом, когда вибрационный элемент находится в нейтральном положении, вибрационный элемент имеет обращенный к зазору участок периметра вокруг площади поперечного сечения плоскости, обращенной к зазору повышения скорости текучей среды, имеющий длину периметра зазора, и отношение длины периметра зазора к среднему расстоянию зазора равно по меньшей мере 160.
Во втором варианте осуществления предложено вибрационное измерительное устройство. Вибрационное измерительное устройство содержит: вибрационный элемент, содержащий продольное направление и площадь поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной продольному направлению, вибрационный элемент перемещается между первым положением и вторым положением в плоскости, перпендикулярной продольному направлению; граничный элемент, смежный с вибрационным элементом; и электронную схему, выполненную с возможностью приведения вибрационного элемента в движение между первым положением и вторым положением, при этом граничный элемент и вибрационный элемент определяют зазор для повышения скорости текучей среды в плоскости, перпендикулярной продольному направлению, зазор для повышения скорости текучей среды имеет среднее расстояние зазора между граничным элементом и вибрационным элементом, когда вибрационный элемент находится в нейтральном положении, среднее расстояние зазора равно 0,25 мм или менее.
В третьем варианте осуществления предложен способ определения вязкости или плотности текучей среды с использованием вибрационного измерительного устройства, которое определено первым или вторым вариантами осуществления. Способ содержит приведение в движение вибрационного элемента между первым положением и вторым положением с использованием устройства возбуждения и электронной схемы; и определение частоты собственных колебаний вибрационного элемента с использованием датчика и электронной схемы.
В четвертом варианте осуществления предложен способ для сборки вибрационного измерительного устройства согласно первому или второму варианту осуществления. Способ содержит: обеспечение вибрационного элемента; обеспечение граничного элемента; соединение граничного элемента смежно с вибрационным элементом для определения зазора для повышения скорости текучей среды; и соединение электронной схемы с вибрационным измерительным устройством.
Аспекты
Согласно аспекту, среднее расстояние зазора может быть 0,2 мм или меньше.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть первым зубцом, а граничный элемент может быть корпусом.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть первым зубцом, а граничный элемент может вторым зубцом.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть цилиндром.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть плоскостным резонатором.
3
Согласно аспекту, чувствительность к плотности вибрационного измерительного устройства может быть больше 1400 нс/кг/м, когда текучая среда является газом.
-7
Согласно аспекту, чувствительность к вязкости может быть больше 1,949 × 10 мкПа.c, когда текучая среда является газом.
Согласно аспекту, среднее расстояние зазора может быть 0,2 мм или меньше.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть первым зубцом, а граничный элемент может быть корпусом.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть первым зубцом, а граничный элемент может быть вторым зубцом.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть цилиндром.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть плоскостным резонатором.
3
Согласно аспекту, чувствительность к плотности вибрационного измерительного устройства может быть больше 1400 нс/кг/м, когда текучая среда является газом.
-7
Согласно аспекту, чувствительность к вязкости может быть больше 1,949 × 10 мкПа.c, когда текучая среда является газом.
Согласно аспекту, частота возбуждения, при которой вибрационный элемент может приводиться в движение между первым положением и вторым положением, находится ниже 600 Гц.
Согласно аспекту, среднее расстояние зазора может быть 0,2 мм или меньше.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть первым зубцом, а граничный элемент может быть корпусом.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть первым зубцом, а граничный элемент может быть вторым зубцом.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть цилиндром.
Согласно аспекту, вибрационный элемент может быть плоскостным резонатором.
3
Согласно аспекту, чувствительность к плотности вибрационного измерительного устройства может быть больше 1400 нс/кг/м, когда текучая среда является газом.
-7
Согласно аспекту, чувствительность к вязкости может быть больше 1,949 × 10 мкПа.c, когда текучая среда является газом.
Краткое описание чертежей
Одинаковые ссылочные позиции представляют одинаковые элементы на всех чертежах. Следует понимать, что чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
Фиг. 1 изображает вибрационное измерительное устройство 100 из уровня техники;
Фиг. 2 изображает вибрационное измерительное устройство 200, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 3A изображает вибрационное измерительное устройство 200, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 3B изображает вибрационное измерительное устройство 200, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 3C изображает вибрационное измерительное устройство 200, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 4A изображает вибрационное измерительное устройство 400, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 4B изображает вибрационное измерительное устройство 400, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 5A изображает вибрационный элемент 502, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 5B изображает плоскостной резонатор 550, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 6 изображает систему 600 из не имеющей трения пружины и тележки с массой, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 7A изображает вибрационное измерительное устройство 700, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 7B изображает вибрационное измерительное устройство 700, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 7C изображает вибрационное измерительное устройство 700, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 8A изображает график 800 в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 8B изображает график 850 в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 9A изображает график 900 в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 9B изображает график 950 в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 10 изображает вибрационное измерительное устройство 1000, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 11 изображает способ 1100, в соответствии с вариантом осуществления; и
Фиг. 12 изображает способ 1200, в соответствии с вариантом осуществления.
Осуществление изобретения
Фиг. 2-12 и нижеследующее описание изображают конкретные примеры для информирования специалистов в данной области техники тому, каким образом может быть реализован и использован оптимальный режим осуществления вибрационного измерительного устройства. В целях информирования о принципах изобретения некоторые традиционные аспекты были упрощены или не описаны. Специалистам в данной области техники будут понятны вариации этих примеров, которые находятся в рамках объёма настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что признаки, описанные ниже, могут быть объединены различными способами, образуя множество вариаций вибрационного измерительного устройства. В результате, варианты осуществления, описанные ниже, не ограничены конкретными примерами, описанными ниже, а ограничены лишь формулой изобретения и ее эквивалентами.
Фиг. 2 изображает вид в перспективе с частичным разрезом вибрационного измерительного устройства 200, в соответствии с вариантом осуществления. Фиг. 3A, 3B и 3C изображают виды в поперечном разрезе вибрационного измерительного устройства 200, взятом по линии, обозначенной 231 на фиг. 2. Вибрационное измерительное устройство 200 включает в себя вибрационный элемент 202, корпус 204, граничный элемент 232 и измерительную электронную схему (не изображена). Вибрационное измерительное устройство 200 может дополнительно содержать устройство возбуждения, датчик, одно или более отверстий и другие признаки, но эти признаки не показаны для упрощения чертежа.
Вибрационный элемент 202 содержит продольное направление 228 и площадь 230 поперечного сечения в плоскости 231, перпендикулярной продольному направлению 228. В примере вибрационного измерительного устройства 200 вибрационный элемент 202 включает в себя по меньшей мере один из двух зубцов вилки с частично круглой площадью 230 поперечного сечения. В примерах, площадь 230 поперечного сечения может быть полукруглой. Однако в других примерах площадь 230 поперечного сечения может содержать периметр, который включает в себя минимальный сегмент круга.
Однако в других вариантах осуществления вибрационный элемент 202 может содержать зубец вилки с другой формой. Например, вибрационный элемент 202 может содержать один или более зубцов, содержащих практически плоскостную форму. В некоторых примерах, практически плоскостная форма может содержать поперечное сечение, сформированное между двумя параллельными хордами круга.
В дополнительных вариантах осуществления вибрационный элемент может не содержать один или более зубцов вилки. Например, фиг. 4A изображает виды в поперечном сечении вибрационного измерительного устройства 400, в соответствии с вариантом осуществления. Вибрационное измерительное устройство 400 включает в себя вибрационный элемент 402, и корпус 404. Вибрационный элемент 402 и корпус 404, каждый, содержат цилиндрическую форму, подобно вибрационному измерительному устройству 100.
В дополнительных вариантах осуществления вибрационный элемент может вместо этого содержать плоскостной резонатор. Например, фиг. 5A изображает вид сверху плоскостного резонатора 550, который содержит вибрационный элемент 502, а фиг. 5B изображает вид в поперечном сечении вибрационного измерительного устройства 500, взятом в плоскости 531, перпендикулярной продольному направлению 228, помеченному линией с двумя стрелками на фиг. 5A.
Вибрационное измерительное устройство 500 содержит плоскостной резонатор 550, вибрационный элемент 502 и корпус 504. Вибрационный элемент 502 является по существу плоским и может быть соединен с вибрационным элементом 500 на соединенном конце 503a (соединение не показано) и может быть свободно вибрирующим на колеблющемся конце 503b, когда он возбуждается. В примерах, колеблющийся конец 503b может дополнительно содержать один или более лопастных участков, которые колеблются вместе или перемещаются противоположно друг другу, как будет понятно специалистам.
Другие варианты осуществления вибрационного элемента 202 также являются возможными, как будет понятно специалистам.
Обращаясь к фиг. 3A-3C, может быть видно, что вибрационный элемент 202 колеблется между первым положением 302 и вторым положением 304 в плоскости 231, перпендикулярной продольному направлению 228. Фиг. 3A, 3B и 3C изображают вибрационное измерительное устройство 200 с вибрационным элементом 202 в различных положениях. Фиг. 3B изображает вибрационный элемент 202 во втором положении 304, положении максимального разделения между зубцами вилки, а фиг. 3C изображает вибрационный элемент 202 в первом положении 302, положении минимального разделения между зубцами вилки. Фиг. 3A изображает вибрационный элемент 202 в нейтральном положении или положении 306 покоя, или положении, в котором вибрационный элемент 202 находится, когда он не возбуждается для колебания.
Вибрационное измерительное устройство 200 включает в себя граничный элемент 232, смежный с вибрационным элементом. Граничный элемент 232 обеспечивает границу для текучей среды между граничным элементом 232 и вибрационным элементом 202 в площади поперечного сечения в плоскости 231, перпендикулярной продольному направлению 228 вибрационного элемента 202. Вибрационный элемент 202 колеблется по направлению к и от граничного элемента 232, так что расстояние между вибрационным элементом 202 и граничным элементом 232 изменяется с колебанием вибрационного элемента.
В варианте осуществления вибрационного элемента 202 граничный элемент 232 является цилиндрическим элементом 204 корпуса, который окружает внешние полукруглые контуры вибрационного элемента 202. Однако в других вариантах осуществления граничный элемент может содержать различные формы. Например, вибрационное измерительное устройство 500 включает в себя граничный элемент 532, который является прямоугольным элементом 504 корпуса. В дополнительных примерах, граничный элемент может содержать второй зубец вибрационного элемента 202, как будет дополнительно описано ниже.
Когда вибрационный элемент 202 колеблется, текучая среда будет перемещаться в и из области между вибрационным элементом 202 и граничным элементом 232. В предыдущих вибрационных измерительных устройствах расстояние между вибрационным элементом и любыми граничными элементами было таким большим, что средняя скорость текучей среды, движущейся вокруг вибрационного элемента в ответ на колебания, была низкой. Напротив, граничный элемент 232 и вибрационный элемент 202 определяют зазор 308 для повышения скорости текучей среды в плоскости 231, перпендикулярной продольному направлению 228. Зазор 308 для повышения скорости текучей среды выполнено с возможностью достаточного сужения, чтобы в значительной степени увеличить среднюю скорость текучей среды, когда вибрационный элемент колеблется, как будет дополнительно объяснено ниже. Например, как может быть видно на фиг. 3A, зазор 308 для повышения скорости текучей среды содержит C-образную площадь поперечного сечения между дугами вибрационного элемента 202 и корпусом 204.
Однако в других примерах, содержащих по-разному выполненные вибрационные элементы и корпуса, зазор 308 для повышения скорости текучей среды может содержать другие формы. Например, вибрационное измерительное устройство 400 включает в себя зазор 408 для повышения скорости текучей среды, который формирует кольцевую форму на всем пути вокруг цилиндрического вибрационного элемента 402. Наоборот, вибрационное измерительное устройство 500 включает в себя зазор 508 для повышения скорости текучей среды, который содержит прямоугольник над и под вибрационным элементом 502.
Зазор 308, 408, 508 для повышения скорости текучей среды имеет среднее расстояние 309, 409, 509 зазора между граничным элементом 232, 432, 532 и вибрационным элементом 202, 402, 502, когда вибрационный элемент 202, 402, 502 находится в нейтральном положении. Например, как может быть видно из фиг. 3A, когда вибрационное измерительное устройство 200 находится в нейтральном положении, среднее расстояние 309 зазора может быть определено посредством усреднения расстояния между ближайшими точками соседних сегментов дуги вибрационного элемента 202 и корпуса 204. В примерах, среднее расстояние 309 зазора вдоль зазора 308, 408, 508 для повышения скорости текучей среды может иметь низкое среднеквадратическое отклонение. Другими словами, расстояние между вибрационным элементом 202, 402, 502 и граничным элементом 232, 432, 532 может быть практически одинаковым.
В примерах, зазор 308, 408, 508 для повышения скорости текучей среды может окружать часть или весь периметр вибрационного элемента 202, 402 и 502.
В примере, когда вибрационный элемент 202 содержит два зубца, зазор 308 для повышения скорости текучей среды может дополнительно содержать вторую область вокруг второго зубца, помеченную 310 на фиг. 3A.
Вибрационный элемент 202, 402, 502 включает в себя обращенный к зазору участок периметра вокруг площади 230 поперечного сечения плоскости 231, обращенной к зазору 308, 408, 508 для повышения скорости текучей среды, имеющий длину периметра зазора.
Например, в варианте осуществления на фиг. 3A, частично круглая внешняя сторона вибрационного элемента 202, обращенная к зазору 308 для повышения скорости текучей среды, содержит обращенный к зазору участок 211 периметра. Длина периметра зазора является длиной обращенного к зазору участка периметра. В примере на фиг. 3A, длина периметра зазора равна длине меньшей дуги, которая содержит обращенный к зазору участок 211 периметра.
Однако в других примерах обращенный к зазору участок периметра может иметь различные формы. Например, в варианте осуществления вибрационного измерительного устройства 400 обращенный к зазору участок 411 периметра может содержать всю окружность цилиндрического вибрационного элемента 402. А в варианте осуществления вибрационного измерительного устройства 500 обращенный к зазору периметр может содержать периметр вдоль ширины W вибрационного элемента 502, вдоль обеих более длинных сторон, которые обращены к элементу 504 корпуса.
В предыдущих вариантах осуществления размер зазора между вибрационным элементом и граничным элементом был 0,5 мм или больше. Например, в варианте осуществления с вибрационным элементом 202, содержащим вилку, типичный диаметр равен 25,4 мм, соответствующий длине периметра зазора приблизительно 40 мм. Предыдущие вилочные вибрационные измерительные устройства, следовательно, включали в себя отношение длины периметра зазора к среднему расстоянию зазора, равное 80. Однако, что касается примерного варианта осуществления, когда вибрационный элемент 402 содержит цилиндр, типичный диаметр цилиндра равен 20 мм, соответствующий длине периметра зазора приблизительно 63 мм. Предыдущие цилиндрические вибрационные измерительные устройства, следовательно, включали в себя отношение длины периметра зазора к среднему расстоянию зазора, равное 125.
В вариантах осуществления заявки отношение длины периметра зазора к среднему расстоянию зазора равно по меньшей мере 160. Например, для зубчатого вибрационного элемента 202 с диаметром 25,4 мм и размером зазора 0,25 мм, соотношение длины периметра зазора к среднему расстоянию зазора приблизительно равно 160. Например, для цилиндрического вибрационного элемента 402 с диаметром 20 мм и размером зазора 0,25 мм, соотношение длины периметра зазора к среднему расстоянию зазора приблизительно равно 251.
Вибрационное измерительное устройство 200 дополнительно содержит электронную схему, выполненную с возможностью приведения в движение вибрационного элемента между первым положением 302 и вторым положением 304, вибрационный элемент находится ближе к граничному элементу 232 во втором положении по сравнению с первым положением. В случае, когда вибрационный элемент является цилиндрическим или плоскостным резонатором, электронная схема 118 может приводить в движение вибрационный элемент взад и вперед. Однако в случае, когда вибрационный элемент 202 является вилкой, могут быть два зубца (как изображено на фиг. 2, 3A, 3B и 3C). Следовательно, электронная схема 118 вместе с устройством возбуждения может перемещать зубцы противоположно друг другу, как изображено на фиг. 3A, 3B и 3C.
Для естественных, или непринудительных резонаторов, характер может быть описан уравнением 1 ниже:
(Уравнение 1)
где ω является резонансной частотой, K является эффективной жесткостью, а M является эффективной массой. При работе на относительно низких частотах, таких как 600 Гц или ниже, или 500 Гц или ниже, в зависимости от геометрии, текучая среда вокруг вибрационного элемента может не придавать какую-либо жесткость резонатору. Однако смещение текучей среды может обеспечивать некоторую массу и, следовательно, резонансная частота ω уменьшается, когда плотность текучей среды увеличивается.
Уравнение 1 получается с учетом усилий на системе 600 из не имеющей трения пружины и тележки с массой, изображенной посредством фиг. 6. Если система 600 не приводится в действие, например, поскольку не имеющее трения колебание тележки было инициировано без вмешательства внешних сил, сжатие пружины может обеспечивать приводящее усилие, которое приводит в результате к ускорению массы. Движение системы 600 может, следовательно, быть представлено уравнением 2:
, (Уравнение 2)
где x является смещением тележки,  является ускорением тележки, k является жесткостью пружин, и m является массой тележки. Когда решением для уравнения 2 является  , уравнение 2 упрощается до уравнения 1.
Уравнение 1 также получается посредством предположения, что суммарная энергия в размещении массы колеблющейся пружины системы 600 из не имеющей трения пружины и тележки с массой остается постоянной со временем, что является случаем, когда компоновка не имеет трения. В таком случае, система 600 из не имеющей трения пружины и тележки с массой будет обеспечивать периодический перенос из 100% потенциальной энергии, когда натяжение пружины является максимальным, а скорость массы равна нулю, в 100% кинетической энергии, когда скорость является максимальной, а натяжение в пружине равно нулю.
Между фазой конечной точки колебания тележки, где энергия является на 100% кинетической, пусть фаза ωt=0, например, и фазой конечной точки, где энергия является на 100% потенциальной, пусть фаза ωt=90, например, будет фаза ωt=45, когда кинетическая энергия будет равна потенциальной энергии. Уравнение 3 представляет фазу ωt=45 смещения тележки, когда кинетическая энергия и потенциальная энергия равны:
, (Уравнение 3)
где k является константой пружины, x является расстоянием, m является массой и v является скоростью. Если  и  , где A является максимальным смещением колеблющейся массы, а ω является резонансной частотой, тогда уравнение 3 упрощается до уравнения 1.
Однако в вибрационном измерительном устройстве энергия перемещения текучей среды должна учитываться в дополнение к вибрационному элементу. Когда текучая среда не имеет жесткости, как в случае с газом, она ничего не привносит в потенциальную энергию. При применении вибрационного измерительного устройства уравнение 3 применяется следующим образом:
(Уравнение 4)
fluid
fluid
где m является массой вибрационного элемента, v является скоростью вибрационного элемента, m является массой текучей среды, v является скоростью текучей среды, k является константой пружины вибрационного элемента, и x является смещением вибрационного элемента. Если  и  где A является максимальным смещением вибрационного элемента 202, тогда вибрационное измерительное устройство 200 может быть описано посредством:
, (Уравнение 5)
fluid
fluid
при этом δ является отношением массы текучей среды m к массе m вибрационного элемента. Как легко поймут специалисты, отношение δ зависит также от плотности текучей среды, плотности вибрационного элемента и геометрии того и другого. Аналогичным образом, γ является отношением скорости текучей среды v к скорости вибрационного элемента v. Уравнение 5 может быть дополнительно повторно скомпоновано следующим образом:
(Уравнение 6)
Если  ,  , и Z =  , то:
. (Уравнение 7)
Когда ωt равно 45 градусам (кинетическая энергия равняется потенциальной энергии), применяется следующее соотношение частот:
(Уравнение 8)
где Zm является эффективной массой вибрационного элемента 202 и текучей среды. Эффективная масса Zm зависит от размера зазора.
Как может быть понятно посредством уравнения 8, увеличивая эффективную массу Zm системы, может быть возможным уменьшать резонансную частоту вибрационного измерительного устройства.
Чувствительность к вязкости является мерой того, насколько большое затухание существует в вибрационном измерительном устройстве. Величина затухания может зависеть от скорости смещения текучей среды. Средняя скорость смещения текучей среды может быть увеличена посредством уменьшения размера зазора 308 повышения скорости текучей среды, как дополнительно описано ниже.
fluid
Предположим, что не существует сжатия текучей среды, что является справедливым, если частота ω вибрации является очень низкой, тогда масса смещаемой текучей среды m будет одинаковой, расположен ли граничный элемент 232 близко к вибрационному элементу 202, образуя более узкий зазор между ними, или расположен ли граничный элемент 232 далеко от вибрационного элемента 202, образуя более широкий зазор. Однако, хотя масса смещаемой текучей среды является одинаковой в обоих случаях, средняя скорость смещения текучей среды является более высокой, когда граничный элемент 232 находится ближе к вибрационному элементу 202, и, следовательно, отношение γ также является более высоким, по причинам, описанным относительно фиг. 7A-7C ниже.
Фиг. 7A представляет упрощенную площадь поперечного сечения вибрационного измерительного устройства 700 с вибрационным элементом 702 и граничным элементом 732, при этом площадь поперечного сечения является перпендикулярной продольному направлению вибрационного измерительного устройства 700. Как может быть видно в виде в поперечном сечении, вибрационный элемент 702 и граничный элемент 732 изображаются как практически плоскостные, при этом вибрационный элемент 702 колеблется вверх и вниз относительно граничного элемента 732, аналогично описанному для вибрационного измерительного устройства 500. Зазор 754 для повышения скорости текучей среды определяется между граничным элементом 732 и вибрационным элементом 702.
Если вибрационный элемент 702 перемещается вверх и вниз на любое расстояние, даже на микроскопическую величину, объем газа в области A будет смещаться в область B, посредством протекания по всей первой длине периметра вибрационного элемента 702, вокруг двух концов вибрационного элемента 702 и по второй длине периметра вибрационного элемента 702, как указывается стрелками на фиг. 7A. Как поймут специалисты, приблизительно половина текучей среды в области A будет двигаться влево, а половина будет двигаться вправо. Когда текучая среда является газом, молекулы имеют высокую кинетическую энергию, и смещение газа может быть распределено между всеми молекулами газа в вибрационном измерительном устройстве 700.
Перемещение вибрационного элемента 702 относительно граничного элемента 732 является преувеличенным на фиг. 7A-7C. Как легко поймут специалисты, перемещение вибрационного элемента 702 может быть очень небольшим относительно расстояния в зазоре для повышения скорости текучей среды между вибрационным элементом 702 и граничным элементом 732. Например, вибрационный элемент 702 может не быть видим невооруженному глазу, и его смещение может быть порядка 1 микрона или меньше.
Вибрационный элемент 702 и граничный элемент 732 на фиг. 7A-7C являются упрощенными в демонстрационных целях, но специалисты легко поймут, что описанные идеи могут применяться к вибрационным измерительным устройствам со сформированными по-другому вибрационными элементами (например, цилиндрическими, плоскостными или любой формой зубца вилки) и сформированными по-другому граничными элементами 732 (например, цилиндрическими или овальными корпусами или плоскими зубцами).
Для упрощения, фиг. 7B и 7C изображают только половину вибрационного элемента 702. Фиг. 7B изображает то, когда вибрационный элемент 702 перемещается по направлению ко второму положению 304, к минимальному расстоянию от граничного элемента 732, а фиг. 7C представляет то, когда вибрационный элемент 702 перемещается по направлению к первому положению 302, к максимальному расстоянию от граничного элемента 732.
Расстояние между граничным элементом 732 и вибрационным элементом 702 определяет зазор 754 для повышения скорости текучей среды, длина которого описана, когда вибрационный элемент 702 находится в состоянии покоя. Примерный зазор 754 для повышения скорости текучей среды имеет толщину 3,5 единицы и ширину 54 единицы. Когда вибрационный элемент 702 колеблется, площадь в зазоре 754 для повышения скорости текучей среды для текучей среды, равная изменению в размере площади поперечного сечения зазора для повышения скорости текучей среды, которая в примере имеет размеры 1 единица на 54 единиц, смещается посредством вибрационного элемента 702. Это может быть видно на фиг. 7B, когда текучая среда толкается из ряда 741 в ряд 740 и затем вокруг вибрационного элемента 702, как изображено стрелками. Согласно кинетической теории, смещаемая текучая среда будет перераспределяться, так что она имеет практически однородную плотность снова. Текучая среда в ряду 741 на фиг. 7B протекает вокруг конца вибрационного элемента 702 и вдоль нижней стороны вибрационного элемента 702. На фиг. 7C вибрационный элемент 702 перемещается по направлению к первому положению 302, толкая текучую среду из ряда 742 в ряд 743, где она может затем перераспределяться из области B в область A.
Упрощенное вибрационное измерительное устройство 700, описанное относительно фиг. 7A-7C, предназначено для обеспечения качественного описания того, почему имеет место повышение чувствительности к плотности и вязкости, когда длина зазора уменьшается. При простом гармоническом колебании перемещение текучей чреды является циклическим и непрерывным, и таким образом специалист поймет, что градиент скорости может присутствовать. Например, средняя скорость текучей среды смежно с вибрационным элементом 702 может быть наивысшей, и средняя скорость текучей среды может уменьшаться, когда расстояние от граничного элемента увеличивается.
Поскольку текучая среда должна двигаться на большое расстояние по периметру вибрационного элемента 702 относительно сравнительно короткого зазора 754 для повышения скорости текучей среды, текучая среда будет иметь большее среднее смещение в сравнении с вибрационным измерительным устройством с более длинным расстоянием зазора. Аналогичным образом, средняя скорость смещения текучей среды в вибрационном измерительном устройстве 700 будет также больше, когда длина зазора 754 для повышения скорости текучей среды является в значительной степени меньшей по сравнению с расстоянием по периметру вибрационного элемента 702. Когда средняя скорость смещения текучей среды увеличивается, средняя кинетическая энергия текучей среды будет также увеличиваться, поскольку кинетическая энергия является пропорциональной квадрату скорости. Моделирование и лабораторные эксперименты определили, что, когда зазор сужается, наступает момент, когда зазор 754 уменьшается наполовину, и средняя скорость смещения текучей среды между областями A и B приблизительно удваивается, соответствуя увеличению кинетической энергии на коэффициент 4.
Специалисты также поймут, что принципы, описанные выше относительно текучей среды, движущейся на относительно длинное расстояние по периметру площади поперечного сечения вибрационного элемента 702, также будут применяться к продольному размеру вибрационного элемента 702 по сравнению с меньшим зазором 754 для повышения скорости текучей среды. Следовательно, в примерах, соотношение продольной длины вибрационного элемента 202, 402, 502, 702 к зазору 308, 408, 508, 754 для повышения скорости текучей среды может также быть больше 160.
Кроме того, специалистам будет понятно, что физика, описанная в отношении фиг. 7A-7C, также применяется к другим вариантам осуществления узлов вибрационного измерительного устройства, которые могут обеспечивать различные расходы текучей среды.
Например, фиг. 4B изображает колебание цилиндрического вибрационного элемента 402. На фиг. 4B цилиндрический вибрационный элемент 402 размещается радиально на анодах, как представлено пунктирной линией, центрированной на вибрационном элементе 402. Поток текучей среды во время колебания вибрационного элемента 402 представляется стрелками на фиг. 4B. При обеспечении среднего расстояния зазора 0,25 мм или менее, или при обеспечении отношения длины периметра зазора к среднему расстоянию зазора, которое равно 160 или более, обеспечивается возможность увеличения скорости текучей среды вокруг вибрационного элемента 402.
Было обнаружено, что средняя скорость смещения газа по меньшей мере удваивается при сужении зазора 754 для повышения скорости текучей среды между вибрационным элементом 702 и граничным элементом 732 от размера зазора, равного 0,5 мм, до размера зазора, равного 0,25 мм. Однако, как легко поймут специалисты, это может изменяться на основе геометрии вибрационного измерительного устройства и того, какая текучая среда испытывается.
3
3
Чувствительность к плотности является изменением в резонансной частоте в зависимости от плотности текучей среды и часто измеряется в Гц на кг/м или мкс на кг/м. Среднее увеличение скорости текучей среды, обеспечиваемое узким зазором вибрационного измерительного устройства 700, включает в себя увеличение эффективной массы текучей среды через вибрационное измерительное устройство 700, и, следовательно, увеличение резонансной частоты объединенных вибрационного измерительного устройства и текучей среды, как предусмотрено вышеприведёнными уравнениями 5-8.
Фиг. 8A изображает график 800 чувствительности к плотности в зависимости от размера зазора. Ось y графика 800 представляет нормализованные единицы чувствительности к плотности, а ось x представляет размер зазора в миллиметрах. Нормализованная единица чувствительности к плотности является нормализованной относительно вибрационного измерительного устройства, имеющего вибрационный элемент без граничного элемента, или с граничным элементом, который формирует зазор, который является настолько широким, что не существует эффекта повышения скорости.
3
3
График 800 включает в себя линию 802, которая отражает чувствительность к плотности, когда не существует граничного элемента, как может быть в случае, когда погружной плотномер или вискозиметр не имеет корпуса, или корпус, который является очень большим по сравнению, например, с шириной поперечного сечения вибрационного элемента. Линия 804 следует экспериментальным результатам чувствительности к плотности для различных размеров зазора. Как может быть видно из фиг. 8A, вибрационное измерительное устройство с размером зазора 0,25 мм может обеспечивать повышение чувствительности к плотности, которое в 10 раз больше по сравнению с вибрационным измерительным устройством без граничного элемента, и, следовательно, без зазора. Предыдущие вибрационные измерительные устройства без граничного элемента были определены как имеющие чувствительность к плотности приблизительно 140 нс/кг/м. Следовательно, 10 нормализованных единиц чувствительности к плотности являются эквивалентными 1400 нс/кг/м. Аналогичным образом, вибрационное измерительное устройство с размером зазора 0,15 мм может обеспечивать чувствительность к плотности, которая в 20 раз больше по сравнению с вибрационным измерительным устройством без граничного элемента.
Чувствительность к вязкости может быть определена как изменение в затухании по сравнению с вязкостью. Одним способом определения затухания является измерение широты резонансного пика для вибрационного измерительного устройства. Традиционно это определяется по добротности катушки Q, которая равна Q=резонансная частота/ширину полосы частот.
2
Для вибрационного измерительного устройства, измеряющего жидкость, вязкость является приблизительно пропорциональной 1/Q. Используемым уравнением, которое определяет вязкость ƞ, является:
, (Уравнение 9)
0
1
1
1
1
где V и V являются калибровочными коэффициентами, и чувствительность к вязкости является V. Если измеряются две текучие среды, является возможным определять чувствительность V к вязкости с помощью вязкости и коэффициентов добротности, измеренных из каждой текучей среды  и  . Решая эту систему уравнений для чувствительности V к вязкости, мы придем к уравнению 10:
(Уравнение 10)
0
Уравнение 11 ниже широко захватывает отношение вязкости ƞ текучей среды к коэффициенту добротности Q, плотности ρ и резонансной частоте ω вибрационного элемента:
. (Уравнение 11)
0
Когда текучая среда является жидкостью, конечный член, включающий в себя ρ и резонансную частоту ω, может быть проигнорирован. Как может быть видно, вязкость жидкости, представленная уравнением 11, следовательно, становится приблизительно такой же формы, что и вязкость жидкости, представленная уравнением 9. Следовательно, уравнение 10 может также быть хорошей аппроксимацией чувствительности к вязкости для текучей среды.
Фиг. 8B изображает график 850, показывающий чувствительность к вязкости в зависимости от размера зазора. Ось Y графика 850 представляет нормализованные единицы чувствительности к вязкости, а ось x представляет размер зазора в миллиметрах. Нормализованная единица чувствительности к вязкости является нормализованной относительно вибрационного измерительного устройства, имеющего вибрационный элемент без граничного элемента, или с граничным элементом, который формирует зазор, который является настолько широким, что не существует эффекта повышения скорости.
-10
-7
График 850 включает в себя линию 852, которая отражает чувствительность к вязкости, когда не присутствует граничный элемент. Фиг. 8B дополнительно изображает линию 854, которая следует экспериментальным результатам чувствительности к вязкости для различных размеров зазора. Как может быть видно из фиг. 8B, вибрационное измерительное устройство с размером зазора 0,25 мм может обеспечивать повышение чувствительности к вязкости, которое в 1000 раз больше по сравнению с вибрационным измерительным устройством без граничного элемента, и, следовательно, без зазора. Предыдущие вибрационные измерительные устройства без граничного элемента были определены как имеющие чувствительность к вязкости, приблизительно равную 1,949 × 10 мкПа.с, таким образом чувствительность к вязкости для зазора 0,25 мм равна 1,949 × 10 мкПа.с. Аналогичным образом, вибрационное измерительное устройство с размером зазора 0,15 мм может обеспечиваться чувствительностью к вязкости, которая более чем в 16000 раз больше по сравнению с вибрационным измерительным устройством без граничного элемента.
2
2
Фиг. 9A и 9B изображают графики 900 и 950 экспериментальных данных, которые дополнительно демонстрируют эффективность вариантов осуществления заявки. График 900 изображает изменение во временном периоде (обратная величина частоты ω), измеренное с использованием вибрационного измерительного устройства, когда измеряемый газ меняется между окружающим воздухом и азотом N. Аналогично частоте ω, измеренный временной период является пропорциональным плотности исследуемой текучей среды. Предыдущие вибрационные измерительные устройства не могли разрешать различие между плотностями окружающего воздуха и N, но усовершенствования, предусматриваемые вариантами осуществления настоящей заявки, повышают чувствительность к плотности, так что теперь различия могут быть обнаружимыми.
2
2
График 950 изображает изменение в коэффициенте Q добротности, измеренном, когда измеряемый газ изменяется между окружающим воздухом и азотом N. Предыдущие вибрационные измерительные устройства не могли разрешать различие в коэффициенте Q добротности или вязкости между окружающим воздухом и азотом N. Однако, улучшения, описанные в настоящей заявке, могут увеличивать чувствительность к вязкости, так что различия в коэффициенте Q добротности или вязкости, теперь являются обнаружимыми.
Следовательно, как может быть видно, делая зазор 308, 408, 508, 754 для повышения скорости текучей среды между вибрационным элементом и граничным элементом более узким, средняя скорость смещения текучей среды может быть увеличена, и чувствительность к плотности и чувствительность к вязкости вибрационного измерительного устройства может также быть увеличена. Однако существует предел для рабочей характеристики вибрационного измерительного устройства, если зазор становится слишком узким. Одной причиной является то, что может быть очень трудно управлять допусками механической обработки для вибрационного элемента и граничного элемента. Кроме того, если зазор является слишком узким, он может вызывать нежелательное падение давления в вибрационном измерительном устройстве. Наконец, если зазор является слишком узким, твердые частицы могут выстраиваться внутри него, потенциально вызывая блокировки текучей среды. Однако в лаборатории наблюдалось, что эти проблемы обычно не возникают, если размер зазора больше 0,1 мм.
В варианте осуществления зазор может быть 0,25 мм шириной или меньше. В дополнительном варианте осуществления зазор может быть 0,2 мм или 0,15 мм или меньше. В дополнительном варианте осуществления зазор может быть между 0,2 и 0,1 мм. В вариантах осуществления вибрационное измерительное устройство может перемещаться на 0,1 мм между первым и вторым положениями 302, 304. Однако в других вариантах осуществления вибрационное измерительное устройство может перемещаться на 1 микро или менее между первым и вторым положениями 302, 304.
В вариантах осуществления вибрационный элемент 202 может содержать первый зубец 234a, а граничный элемент 232 может содержать корпус 204. Например, фиг. 3A-3C изображают вибрационное измерительное устройство 200 с вилкой, включающей в себя первый зубец 234a и второй зубец 234b. Зазор 308 определяется между первым зубцом 234a и корпусом 204. В примерах зазор 308 может быть дополнительно определен между вторым зубцом 234b и корпусом также.
В дополнительных вариантах осуществления вибрационный элемент может содержать первый зубец, а граничный элемент может содержать второй зубец. Например, фиг. 10 изображает вибрационное измерительное устройство 1000. Вибрационное измерительное устройство 1000 является аналогичным вибрационному измерительному устройству 200, за исключением того, что оно включает в себя корпус 1004, который является пропорционально гораздо большим по сравнению с периметром вибрационного элемента 1002, которого он окружает. По этой причине, средняя скорость смещения текучей среды между корпусом 1004 и вибрационным элементом 1002 не подвергается значительному влиянию перемещения текучей среды между корпусом 1004 и вибрационным элементом 1002.
Вибрационное измерительное устройство 1000 вместо этого включает в себя первый зубец 1034a, который действует как вибрационный элемент 1002, вместе со вторым зубцом 1034b, который действует как граничный элемент 1032, определяя зазор 1008, который может увеличивать среднюю скорость смещения текучей среды. Вибрационное измерительное устройство 1000 может, следовательно, иметь увеличенную чувствительность к плотности и вязкости по тем же причинам, что и причины, описанные относительно вибрационных измерительных устройств 200 и 700 выше.
В вариантах осуществления вибрационный элемент может содержать цилиндр. Например, вибрационный элемент может содержать цилиндрический резонатор, такой как резонатор, изображенный на фиг. 4A. В дополнительных вариантах осуществления вибрационный элемент может содержать плоскостной резонатор. Например, фиг. 5A и 5B изображают примерный плоскостной резонатор 550.
3
В вариантах осуществления чувствительность к плотности вибрационного измерительного устройства может быть больше 1400 нс/кг/м, когда измеряемая текучая среда является газом.
-7
В вариантах осуществления чувствительность к вязкости может быть больше 1,949 × 10 мкПа.с, когда текучая среда является газом, как описано выше.
Фиг. 11 изображает способ 1100 в соответствии с вариантом осуществления. Способ 1100 начинается с этапа 1102. На этапе 1102 вибрационный элемент приводится в движение между первым положением и вторым положением с использованием устройства возбуждения и электронной схемы. Например, вибрационный элемент 202 приводится в движение между первым положением 302 и вторым положением 304 с использованием устройства возбуждения и электронной схемы, как описано выше в отношении вибрационного измерительного устройства 200.
Способ 1100 продолжается этапом 1104. На этапе 1104 частота ω собственных колебаний вибрационного элемента определяется с использованием датчика и электронной схемы. Например, частота ω собственных колебаний вибрационного элемента 202 может быть определена с использованием датчика и электронной схемы, как описано выше относительно вибрационного измерительного устройства 200.
Фиг. 12 изображает способ 1200 в соответствии с вариантом осуществления. Способ 1200 начинается с этапа 1202. На этапе 1202 обеспечивается вибрационный элемент. Например, вибрационные элементы 202, 402, 502, 702, 1002 могут быть предоставлены, как описано выше.
Способ 1200 продолжается этапом 1204. На этапе 1204 обеспечивается граничный элемент. Например, граничные элементы 232, 432, 532, 732, 1032 могут быть обеспечены, как описано выше.
Способ 1200 продолжается этапом 1206. На этапе 1206 граничный элемент соединяется смежно с вибрационным элементом, определяя зазор. Например, граничный элемент 232, 432, 532, 732, 1032 может быть соединен с вибрационным элементом 202, 402, 502, 702, 1002, определяя зазор 308, 408, 508, 754, 1008 повышения скорости текучей среды, как описано выше.
Способ 1200 продолжается этапом 1208. На этапе 1208 электронная схема соединяется с вибрационным измерительным устройством. Например, электронная схема 118 может быть соединена с вибрационным измерительным устройством 200, 400, 500, 700, 1000, как описано выше.
Подробное описание вышеупомянутых вариантов осуществления не является исчерпывающим описанием всех вариантов осуществления, рассматриваемых авторами изобретения как находящиеся в рамках объёма настоящего изобретения. В действительности, специалисты в данной области техники поймут, что определенные элементы вышеописанных вариантов осуществления могут быть по-разному объединены или устранены, образуя дополнительные варианты осуществления, и такие дополнительные варианты осуществления входят в объём и сущность настоящего изобретения. Также специалистам в данной области техники будет очевидно, что вышеописанные варианты осуществления могут быть объединены полностью или частично, образуя дополнительные варианты осуществления в пределах объёма и сущности настоящего изобретения.
Таким образом, хотя в данном документе в иллюстративных целях описаны конкретные варианты осуществления, специалистам в соответствующей области техники будет понятно, что в рамках объёма настоящего изобретения возможны различные эквивалентные модификации. Идеи, приведённые в данном документе, могут быть применены к другим вибрационным измерительным устройствам, а не только к вариантам осуществления, описанным выше и показанным на сопровождающих чертежах. Соответственно, объём вариантов осуществления, описанных выше, должен определяться нижеследующей формулой изобретения.