ПЛОТНОМЕР ФЛЮИДА, СОДЕРЖАЩИЙ ОДИНОЧНЫЙ МАГНИТ
DENSITY METER FLUID CONTAINING SINGLE MAGNET

Область техники
Описываемые далее варианты изобретения относятся к измерению свойств флюида, более конкретно к определению плотности флюида с применением плотномера, содержащего одиночный магнит.
Уровень техники
Применительно ко многим производственным процессам и средствам управления, связанным с обращением с потоками флюида, существует необходимость точного определения плотности движущегося флюида. Одно из конкретных применений состоит в идентификации пластовых флюидов, текущих в скважине, например в случае использования опробывателя пластов, спускаемого на кабеле, или опробывателя пластов на каротажном кабеле, применяемых для отбора образцов пластового флюида в скважине, пробуриваемой для добычи углеводородов. Определение плотности флюида in situ в условиях, имеющих место в пласте, имеет критическое значение для оценки пласта. В некоторых типичных формациях вместе с газообразными углеводородами и пластовой нефтью часто присутствует вода. Часто продукция эксплуатационной нефтяной скважины представляет собой смесь воды, газообразных углеводородов и жидких углеводородов, которая сепарируется после ее выведения из скважины. Часто представляется желательным определить количество нефти, содержащейся в потоке, вытекающем из пласта. Поскольку количество нефти, содержащейся в потоке, будет влиять на плотность флюида, измерение плотности флюида может дать приемлемую оценку содержания нефти во флюиде.
Примером плотномера, который может быть использован для измерения плотности неизвестного добываемого флюида, является массовый кориолисовый расходомер типа описанного в US 4491025. Данный расходомер может содержать два параллельных канала, каждый из которых обычно является U-образной проточной трубкой, причем на каждую проточную трубку воздействуют таким образом, что она осциллирует вокруг оси, т.е. каждая трубка скручивается вокруг оси кручения с возникновением деформации и отклонения канала, пропорциональных массовому расходу флюида. Эта деформация обычно измеряется, как небольшая разность между отклонениями на входных и выходных концах каналов. Воздействия, прикладываемые к трубкам, имеют противоположные направления, так что каждая трубка ведет себя, как один из зубцов камертона, т.е. подавляет любые нежелательные вибрации, которые иначе могли бы маскировать кориолисовы силы. Резонансная частота, на которой осциллирует каждая проточная трубка, зависит от ее полной массы, т.е. от суммарной массы пустой трубки и текущего через нее флюида. Поскольку при изменении плотности текущего через трубку флюида будет изменяться ее полная масса, при любых изменениях плотности флюида будет изменяться и резонансная частота.
В US 4491009 рассмотрен другой пример плотномера, в котором плотность неизвестного флюида, текущего через проточную трубку, пропорциональна квадрату периода резонанса трубки. Еще один пример плотномера описан в патенте США №6378364, принадлежащем заявителю настоящего изобретения. Чтобы определить желательные свойства флюида, предложенное измерительное устройство сравнивает частоты вибрации полости, содержащей образец, и опорной полости.
Однако поскольку пространство внутри скважины ограничено, в большинстве плотномеров типа описанных выше передатчик (драйвер) часто находится в непосредственной близости к приемнику, что может приводить к взаимным помехам между этими двумя компонентами. Подобные помехи могут искажать сигнал, формируемый на приемнике, и вызывать трудности для точной интерпретации вибрационного отклика проточной трубки. Как следствие, многие известные методы использовали группу проточных трубок с целью получения опорного отсчета и подавления внешних помех.
Раскрытие изобретения
Таким образом, существует потребность в высокоточном плотномере, способном функционировать при высокой температуре, в условиях давления, ударных нагрузок и вибрации, имеющих место в стволе скважины. Существует также потребность в плотномере, имеющем простую конструкцию и чувствительность, улучшенную по сравнению с известными плотномерами. Кроме того, существует потребность в устройстве, которое способно не только измерять плотность флюида, но и одновременно определять другие его свойства, такие как давление и вязкость.
Согласно некоторым вариантам изобретения предлагается прибор для измерения свойств флюида. Прибор содержит трубку, которая принимает образец флюида, одиночный магнит, связанный с трубкой, по меньшей мере одну обмотку, намотанную вокруг одиночного магнита, и тестовый модуль, связанный по меньшей мере с одной обмоткой, намотанной вокруг одиночного магнита.
Согласно другим вариантам предлагается также прибор для определения свойств флюида. Прибор содержит трубку для приема флюида, одиночный магнит, прикрепленный к трубке, и по меньшей мере одну обмотку, намотанную вокруг одиночного магнита. По меньшей мере одна обмотка подсоединена к импульсному источнику тока и получает от него импульсный ток, который создает по меньшей мере в одной обмотке магнитное поле, взаимодействующее с одиночным магнитом, чтобы заставить трубку вибрировать. Прибор содержит также детектор, который связан с трубкой и подсоединен к измерительному блоку и который детектирует свойства трубки в процессе ее вибрации. При этом измерительный блок определяет свойства флюида, основываясь на детектированных свойствах.
Краткое описание чертежей
Эти и другие варианты будут более подробно рассмотрены далее со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлено устройство для измерения плотности флюида.
На фиг. 2 приведен график, иллюстрирующий чувствительность устройств для измерения плотности флюида, которые содержат два магнита, прикрепленных к проточной трубке, или один магнит, прикрепленный к проточной трубке, или не содержат ни одного магнита, прикрепленного к проточной трубке.
На фиг. 3 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно некоторым вариантам изобретения.
На фиг. 4 приведен график, иллюстрирующий временную зависимость напряжения, детектируемую в процессе вибрации проточной трубки.
На фиг. 5 приведен график, на котором представлена спектральная плотность мощности, рассчитанная для детектированного напряжения, показанного на фиг. 4.
На фиг. 6 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно некоторым другим вариантам.
На фиг. 7 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно еще одной группе вариантов.
На фиг. 8 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно следующей группе вариантов.
На фиг. 9 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно другой группе вариантов.
На фиг. 10 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно некоторым вариантам.
На фиг. 11 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно некоторым другим вариантам.
Для обозначения идентичных или схожих элементов там, где это возможно, используются одинаковые цифровые обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлено устройство для измерения плотности флюида. Как показано на фиг. 1, устройство 100 содержит жесткий корпус 102, две пробки 104, единственную проточную трубку 106, первый магнит 108 и первую обмотку 110, намотанную на первый магнит 108, второй магнит 112 и вторую обмотку 114, намотанную на второй магнит 112, а также тестовый модуль 116, который содержит измерительный блок 118 и источник 120 тока. Жесткий корпус 102 охватывает и защищает объем, через который проходит проточная трубка 106, а также ослабляет чувствительность к вибрациям, не ассоциированным с конкретными вибрационными модами проточной трубки 106. Пробки 104 герметизируют внутренний объем и фиксируют проточную трубку 106 в этом объеме. Данный объем предпочтительно содержит воздух, вакуум или относительно инертный газ, такой как азот или аргон. В случае использования газов они предпочтительно находятся под атмосферным давлением, когда устройство имеет комнатную температуру.
Жесткий корпус 102, пробки 104 и проточная трубка 106 предпочтительно изготовлены из соответствующего материала и имеют конфигурацию, способную выдерживать давление более 138 МПа при температурах 250°С. или более. Примерами подходящих материалов являются титан и сплав Hastaloy-HA276C. Пробки 104 и проточная трубка 106 предпочтительно изготовлены из одной заготовки, так что пробки 104 соответствуют участкам большего диаметра, находящимся на обоих концах проточной трубки 106. Альтернативно, проточная трубка 106 может быть приварена к пробкам 104 или прикреплена к ним иным способом. Жесткий корпус 102, пробки 104 и проточная трубка 106 предпочтительно изготовлены из одного материала, чтобы ослабить температурные напряжения, когда система находится в тепловом равновесии. Устройство 100 может представлять собой вибрационный плотномер с двумя магнитами, описанный в патенте США №6688176, принадлежащем заявителю настоящего изобретения.
Проточная трубка 106 предпочтительно является прямой, поскольку это ослабляет любые тенденции к закупориванию и эрозии под действием материалов, проходящих через проточную трубку. Однако следует учитывать, что изогнутые трубки различных форм, в том числе U-образные, могут обеспечить более высокие чувствительности измерения.
Как было упомянуто, к проточной трубке 106 прикреплены первый магнит 108, имеющий намотанную на него первую обмотку 110, и второй магнит 112, имеющий намотанную на него вторую обмотку 114. Первый магнит 108 и первая обмотка 110 соответствуют в устройстве 100 детектору вибрации, а второй магнит 112 и вторая обмотка 114 - источнику вибрации. Хотя источник вибрации и детектор вибрации могут быть расположены взаимно параллельно и рядом друг с другом (как это показано на фиг. 1), они могут располагаться на противоположных сторонах проточной трубки 106, посередине между пробками 104 или в других конфигурациях.
Как показано на фиг. 1, вторая обмотка 114 подсоединена к источнику 120 тока, который может являться источником переменного тока. Подача переменного тока от источника 120 тока во вторую обмотку 114 создает электромагнитную силу, которая взаимодействует со вторым магнитом 112 и заставляет вибрировать проточную трубку 106. Первая обмотка 110 подсоединена к измерительному блоку 118, причем вибрация проточной трубки 106 приводит к перемещению первого магнита 108 внутри первой обмотки 110. В результате генерируется электрическое напряжение, которое подается в измерительный блок 118. По поступающим в него напряжениям измерительный блок 118 рассчитывает плотность флюида в проточной трубке 106.
Однако применение двух пар магнит/обмотка типа показанных на фиг. 1 уменьшает чувствительность в результате прикрепления к проточной трубке двух магнитов. На фиг. 2 приведен график, иллюстрирующий чувствительность устройств для измерения плотности флюида, использующих два магнита, прикрепленных к проточной трубке, или один магнит, прикрепленный к проточной трубке, или не использующих ни одного магнита. Как показано на фиг. 2, удаление одного из двух магнитов из устройства 100 повышает чувствительность устройства 100 примерно на 25%, тогда как при удалении обоих магнитов чувствительность устройства 100 повышается примерно на 80%. Кроме того, удаление из устройства 100 одного из магнитов позволяет поместить пару магнит-обмотка точно против центра проточной трубки 106. Установка пары магнит-обмотка у центра проточной трубки 106 существенно снижает сложность расчетов и моделирования, необходимых при анализе используемых напряжений и при определении плотности флюида. Действительно, выражение для определения частоты и, по определенной частоте, плотности содержит применительно к устройству 100 более тысячи членов, соответствующих трансцендентным функциям. Удаление одного магнита и перемещение оставшейся пары магнит-обмотка к центру трубки приводит к новому выражению, которое содержит менее 20 членов. Как следствие, использование одной пары магнит-обмотка может не только повысить чувствительность при определении плотности флюида, но и оказаться полезным в условиях ограниченной вычислительной мощности, существующих, например, в глубине скважины.
На фиг. 3 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно некоторым вариантам изобретения. Как показано на фиг. 3, устройство 300 содержит только один магнит 302, связанный с проточной трубкой 304. Согласно некоторым вариантам одиночный магнит 302 может быть установлен на проточную трубку 304, тогда как в других вариантах он может находиться на заданном расстоянии от нее. Вокруг одиночного магнита 302 намотана по меньшей мере одна обмотка 306. Как видно из фиг. 3, может использоваться единственная обмотка 306; согласно другим вариантам может иметься более одной обмотки 306, например две обмотки, намотанные вокруг одиночного магнита 302 различным образом. По меньшей мере одна обмотка 306 подсоединена к тестовому модулю 308, который содержит измерительный блок 310 и источник 312 тока. В некоторых вариантах источник 312 подает по меньшей мере в одну обмотку 306 импульс тока. В других вариантах источник 312 тока может быть источником постоянного или переменного тока и непрерывно подавать такой ток по меньшей мере в одну обмотку 306.
Устройство 300 содержит также жесткий корпус 314 и две пробки 316, аналогичные подобным компонентам в устройстве 100 по фиг. 1. Жесткий корпус 314 охватывает и защищает объем, через который проходит проточная трубка 304, а также ослабляет чувствительность к вибрациям, не ассоциированным с конкретными вибрационными модами проточной трубки 304. Пробки 316 герметизируют внутренний объем и фиксируют проточную трубку 304 в этом объеме. Данный объем предпочтительно содержит воздух, вакуум или относительно инертный газ, такой как азот или аргон. В случае использования газов они предпочтительно находятся под атмосферным давлением, когда устройство имеет комнатную температуру. Жесткий корпус 314, пробки 316 и проточная трубка 304 предпочтительно изготовлены из соответствующего материала и имеют конфигурацию, способную выдерживать давление более 138 МПа при температурах 250°С. или более. Примерами подходящих материалов являются титан и сплав Hastaloy-HA276C. Пробки 316 и проточная трубка 304 предпочтительно изготовлены из одной заготовки, так что пробки 316 соответствуют участкам большего диаметра, находящимся на обоих концах проточной трубки 304. Альтернативно, проточная трубка 304 может быть приварена к пробкам 316 или прикреплена к ним иным способом. Жесткий корпус 314, пробки 316 и проточная трубка 304 предпочтительно изготовлены из одного материала, чтобы ослабить температурные напряжения, когда система находится в тепловом равновесии.
Согласно некоторым вариантам одиночный магнит 302 и по меньшей мере одна обмотка 306 функционируют и как источник, и как детектор вибрации. Подача импульса тока от источника 312 тока по меньшей мере в одну обмотку 306 создает электромагнитную силу, которая взаимодействует с одиночным магнитом 302 и заставляет вибрировать проточную трубку 304. Вибрация проточной трубки 304 после подачи импульса тока приводит к перемещению одиночного магнита 302 внутри по меньшей мере одной обмотки 306; в результате генерируется напряжение по меньшей мере в одной обмотке 306. По меньшей мере одна обмотка 306 детектирует это напряжение, которое изменяется во времени, и передает детектированные напряжения измерительному блоку 310. По полученным напряжениям измерительный блок 310 рассчитывает плотность флюида в проточной трубке 304. В некоторых вариантах измерительный блок 310 выполняет соответствующую обработку полученных напряжений и, на основе найденной резонансной частоты, определяет резонансную частоту проточной трубки 304. Согласно некоторым вариантам эта обработка может включать преобразование, которое преобразует функцию во временном пространстве, соответствующую временной зависимости напряжения, индуцированного по меньшей мере в одной обмотке 306, в функцию в пространстве частот. Может использоваться любое известное преобразование, например дискретное преобразование Фурье, быстрое преобразование Фурье или дискретное преобразование элементарных волн. Затем на основе найденной резонансной частоты может быть рассчитана плотность флюида, текущего в проточной трубке 304.
Согласно некоторым вариантам измерительный блок 310 может дополнительно содержать спектроанализатор, сконфигурированный с возможностью выполнять конкретное преобразование зависимости напряжения во временном пространстве. Альтернативно, измерительный блок 310 может содержать процессор, сконфигурированный с возможностью выполнить команды, записанные в памяти, связанной с процессором, чтобы осуществить конкретное преобразование данной зависимости, а затем выполнить последующие записанные в памяти команды, чтобы рассчитать плотность флюида по резонансной частоте, определенной по результатам конкретного преобразования. В качестве еще одной альтернативы измерительный блок 310 может содержать специализированный контур, сконфигурированный с возможностью выполнять конкретное преобразование, определять резонансную частоту, а затем определять плотность флюида на основе найденной резонансной частоты. Кроме того, измерительный блок 310 может также содержать компоненты, способные рассчитывать другие свойства флюида, в частности вязкость.
Например, движение проточной трубки 304 в процессе ее вибрации может быть описано следующим уравнением:
,
L
T
P
T
C
V
M
где t - время, ψ - поперечное смещение элемента на проточной трубке 304, х - расстояние от элемента до одного конца проточной трубки 304, Е - модуль упругости проточной трубки, I - момент инерции площади проточной трубки 304, m - линейная плотность флюида внутри проточной трубки 304, m - линейная плотность материала, использованного для изготовления проточной трубки 304, f - обусловленная давлением сила, действующая на проточную трубку 304, f - дополнительные растягивающие усилия, действующие на проточную трубку 304, f - сила Кориолиса, f - действующая на проточную трубку 304 сила, обусловленная течением флюида, f - дополнительная масса, связанная с присутствием магнита 302. В результате детального анализа сил можно показать, что они определяются следующими зависимостями:
,
,
,
,
,
1
1
1
0
0
где Т - напряжение в проточной трубке 304, V - скорость течения флюида в проточной трубке 304, М - масса магнита 302, x - положение магнита 302 на проточной трубке 304 и δ(х-х) - дельта-функция Дирака для х. Если температура, давление и плотность флюида известны, дифференциальные уравнения могут быть решены с получением волнового числа β, которое связано с резонансной частотой f проточной трубки 304, как функция плотности флюида:
.
0
Затем это уравнение может быть обращено с целью получить выражение для плотности флюида в проточной трубке 304 как функции резонансной частоты f этой трубки. Согласно некоторым вариантам измерительный блок 310 может использовать приведенные уравнения, чтобы определить резонансную частоту, а затем определить плотность флюида, основываясь на определенной резонансной частоте.
Как показано на фиг. 3, положения одиночного магнита 302 и по меньшей мере одной обмотки 306 по длине проточной трубки 304 выбраны так, что одиночный магнит 302 находится у центра (посередине длины) проточной трубки 304. Однако в некоторых вариантах одиночный магнит 302 может быть связан с проточной трубкой 304 или прикреплен к ней в какой-либо иной точке по длине трубки. В таких вариантах желательно, чтобы одиночный магнит 302 и по меньшей мере одна обмотка 306 были установлены вблизи пучности (точки максимального смещения от равновесного положения) для той вибрационной моды, которую они должны возбуждать и отслеживать. При этом учитывается, что можно использовать более одной вибрационной моды (например, источник вибрации может переключаться на различные частоты, чтобы получить информацию на резонансных частотах высших гармоник). Источник вибрации и детектор предпочтительно расположены вблизи пучностей для каждой интересующей вибрационной моды. Расположение узлов (точек с нулевой амплитудой вибрации) и пучностей задаются длиной волны вибрационной моды и параметрами установки проточной трубки 304. Частота f и длина волны λ связаны со скоростью ν распространения звука в материале следующим уравнением: ν=f·λ.
На фиг. 4 приведен график, иллюстрирующий временную зависимость напряжения, детектируемую в процессе вибрации проточной трубки. Как показано на фиг. 4, при t=0 по меньшей мере одна обмотка 306 (моделируемая как единственная обмотка) возбуждается посредством импульса тока и генерирует электромагнитное поле, заставляющее вибрировать проточную трубку 304. Когда проточная трубка 304 вибрирует, магнитное поле, формируемое одиночным магнитом 302, флуктуирует в результате его перемещения внутри по меньшей мере одной обмотки 306. Флуктуирующее магнитное поле создает по меньшей мере в одной обмотке 306 напряжение, которое, как показано на фиг. 4, постепенно затухает. Значения этого напряжения подаются в измерительный блок 310 с целью определить, среди других параметров, резонансную частоту проточной трубки 304.
Кроме того, как показано на фиг. 4, напряжение является затухающим, причем измерительный блок 310 может определить скорость затухания, чтобы рассчитать коэффициент добротности по меньшей мере одной обмотки 306 детектора вибрации. Этот коэффициент непосредственно связан с вязкостью флюида в проточной трубке 304. Следовательно, найдя коэффициент добротности детектора вибрации, можно определить вязкость флюида, текущего в проточной трубке 304.
На фиг. 5 представлен график рассчитанной спектральной плотности мощности (спм), соответствующей детектированному напряжению, показанному на фиг. 4. Согласно некоторым вариантам спектральная плотность мощности рассчитывается с использованием преобразования, которое преобразует зависимость напряжения во временном пространстве (показанную на фиг. 4) в функцию в пространстве частот f, показанную на фиг. 5. Может использоваться любое известное преобразование, например дискретное преобразование Фурье, быстрое преобразование Фурье или дискретное преобразование элементарных волн. Как показано на фиг. 5, преобразование зависимости напряжения во временном пространстве дает график интенсивности сигнала как функцию частоты, на которой резонансная частота проточной трубки 304 будет соответствовать наиболее интенсивному пику функции. Например, для контура напряжения, показанного на фиг. 4, резонансная частота (как это видно из фиг. 5) составляет около 1165 Гц.
На фиг. 6 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно группе вариантов Устройство 600 по фиг. 6 аналогично устройству 300 по фиг. 3, так что уже рассмотренные части не будут рассматриваться подробно. При этом устройство 600 отличается от устройства 300 тем, что в нем в качестве детектора вибрации применена металлическая проволока 602. Согласно некоторым вариантам это может быть тонкая металлическая проволока из платины или меди. В процессе функционирования через металлическую проволоку 602 пропускают известный ток I от источника 604 тока для проволоки, который создает в ней напряжение V, зависящее от электрического сопротивления R этой проволоки. Когда проточная трубка 304 вибрирует, она изгибается, что создает механическое напряжение по ее длине. Это механическое напряжение приводит к вариациям электрического сопротивления R металлической проволоки 602. Это, согласно закону Ома, приводит к вариациям электрического напряжения на металлической проволоке 602. Вариации напряжения детектируются измерительным блоком 310 и используются для расчета резонансной частоты подобно тому, как это было описано со ссылками на фиг. 3-5. Кроме того, как это было описано применительно к фиг. 4, измерительный блок 310 может также анализировать скорость затухания напряжения, чтобы определить коэффициент добротности металлической проволоки 602 детектора вибрации. Затем найденный коэффициент добротности может быть использован, чтобы определить вязкость флюида, текущего в проточной трубке 304.
На фиг. 7 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно другой группе вариантов. Устройство 700 по фиг. 7 аналогично устройству 600 по фиг. 6, так что уже рассмотренные части не будут рассматриваться подробно. При этом устройство 700 отличается от устройства 600 тем, что в нем в качестве детектора вибрации применен тензодатчик 702. Согласно некоторым вариантам тензодатчик (ТЗ) 702 может представлять собой слой неэлектропроводящего материала 704, нанесенный по длине проточной трубки 304, и слой металлического или полупроводящего материала 706, нанесенный поверх неэлектропроводящего материала 704. Неэлектропроводящий материал 704 и металлический или полупроводящий материал 706 могут быть нанесены на проточную трубку 304 посредством известных методов нанесения. В процессе функционирования на ТЗ 702 подают известный ток I от источника 708 тока для тензодатчика, который создает в металлическом или полупроводящем материале 706 напряжение V, зависящее от электрического сопротивления R этого материала. Когда проточная трубка 304 вибрирует, она изгибается, что создает механическое напряжение по ее длине. Это механическое напряжение приводит к вариациям электрического сопротивления R тензодатчика 702. Это, согласно закону Ома, приводит к вариациям электрического напряжения на металлическом или полупроводящем материале 706. Вариации напряжения детектируются измерительным блоком 310 и используются для расчета резонансной частоты подобно тому, как это было описано со ссылками на фиг. 3-5. Кроме того, как это было описано применительно к фиг. 4, измерительный блок 310 может также анализировать скорость затухания напряжения, чтобы определить коэффициент добротности тензодатчика 702. Затем найденный коэффициент добротности может быть использован, чтобы определить вязкость флюида, текущего в проточной трубке 304.
На фиг. 8 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно еще одной группе вариантов. Устройство 800 по фиг. 8 аналогично устройству 600 по фиг. 6, так что уже рассмотренные части не будут рассматриваться подробно. При этом устройство 800 отличается от устройства 600 тем, что в нем в качестве детектора вибрации применен оптоволоконный датчик 802. Согласно некоторым вариантам оптоволоконный датчик 802 может представлять собой волоконную брэгговскую решетку, которая содержит оптоволоконный сердечник 804, окруженный оптоволоконной оболочкой 806, тогда как сама брэгговская решетка 808 находится на части оптоволоконного сердечника 804. Брэгговская решетка 808 действует, как периодическое или апериодическое возмущение эффективного показателя преломления в оптоволоконном сердечнике 804. Это возмущение вызывает отражение света, проходящего через оптоволоконный датчик 802 от 810 источника света в узком диапазоне длин волн, для которых выполняется условие Брэгга:
eff
eff
eff
, где Λ - период решетки, λ - длина волны в вакууме и η - эффективный показатель преломления света в оптоволоконном датчике 802. Длина волны, соответствующая максимальной отражательной способности (брэгговская длина волны), зависит от периода решетки Λ, а также от температуры и механического напряжения, поскольку оба этих фактора влияют на эффективный показатель преломления η брэгговской решетки 808 и, следовательно, на изменения в пучке света, проходящего через оптоволоконный датчик 802 или отражающегося обратно внутрь датчика. Когда проточная трубка 304 вибрирует, она изгибается, что создает механическое напряжение по ее длине. Это механическое напряжение будет влиять на эффективный показатель преломления η брэгговской решетки 808 и, как следствие, приводить к изменениям в пучке света, который проходит через оптоволоконный датчик 802. Таким образом, измерительный блок 310 может содержать оптический датчик, который способен детектировать эти изменения в пучке света и использовать их, чтобы определить механическое напряжение проточной трубки 304 в результате ее вибрации с целью найти резонансную частоту проточной трубки 304 подобно тому, как это было описано применительно к фиг. 3-5. Затем, основываясь на определенной резонансной частоте, можно определить плотность флюида, текущего через проточную трубку 304. Кроме того, как это было описано применительно к фиг. 4, измерительный блок 310 может также анализировать скорость затухания напряжения, чтобы определить коэффициент добротности оптоволоконного датчика 802. Затем найденный коэффициент добротности может быть использован, чтобы определить вязкость флюида, текущего в проточной трубке 304.
На фиг. 9 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно группе вариантов. Устройство 900 по фиг. 9 аналогично устройству 600 по фиг. 6, так что уже рассмотренные части не будут рассматриваться подробно. При этом устройство 900 отличается от устройства 600 тем, что металлическая проволока 602 тензодатчика 902 намотана вокруг проточной трубки 304. Согласно некоторым вариантам металлическая проволока 602 может быть тонкой металлической проволокой, изготовленной из платины или меди. В других вариантах металлическая проволока 602 может быть заменена намотанным вокруг проточной трубки 304 тензодатчиком 702 или оптоволоконным датчиком 802. В процессе функционирования в металлическую проволоку 602 подают известный ток I от источника 604 тока для проволоки, который создает в металлической проволоке 602 напряжение V, зависящее от ее электрического сопротивления R. Когда проточная трубка 304 вибрирует, она изгибается, что создает механическое напряжение по ее длине. Это механическое напряжение приводит к вариациям электрического сопротивления R металлической проволоки 602, что, согласно закону Ома, приводит к вариациям электрического напряжения на металлической проволоке 602. Вариации напряжения детектируются измерительным блоком 310 и используются для расчета резонансной частоты подобно тому, как это было описано со ссылками на фиг. 3-5. Кроме того, как это было описано применительно к фиг. 4, измерительный блок 310 может также анализировать скорость затухания напряжения, чтобы определить коэффициент добротности металлической проволоки 602 детектора вибрации. Затем найденный коэффициент добротности может быть использован, чтобы определить вязкость флюида, текущего в проточной трубке 304.
Согласно некоторым вариантам использование металлической проволоки 602 (или тензодатчика 702, или оптического датчика 802), намотанной (намотанного) вокруг проточной трубки 304, позволяет определить кольцевое напряжение (hoop stress) проточной трубки. При давлении Р проточная трубка, в частности проточная трубка 304, с внутренним радиусом b и наружным радиусом а расширится с увеличением своего наружного радиуса на Δа:
,
br
θ
где Е и ν - модуль упругости и коэффициент Пуассона для проточной трубки 304 соответственно. Изменение Δа радиуса приводит к изменению длины окружности (2πa) для наружной поверхности трубки, что, в свою очередь, приводит к небольшому изменению электрического сопротивления R металлической проволоки 602, намотанной вокруг проточной трубки 304. Это изменение ΔR электрического сопротивления может быть измерено хорошо известными методами, например, с помощью четвертьмостовой схемы моста Уитстона, образованной металлической проволокой 602 и тремя дополняющими (нагрузочными) резисторами, на которую подается напряжение V. В результате деформация ε под действием давления Р может быть определена, как, где S - коэффициент чувствительности к деформированию (тензоэффект), зависящий от материала металлической проволоки 602. Поскольку деформацию ε можно представить, как , зная деформацию ε под действием давления Р и изменение Δа радиуса, из уравнения (10) можно определить давление Р флюида в проточной трубке 304. По найденному значению давления Р измерительный блок 310 может определить кольцевое напряжение σ проточной трубки 304, используя уравнение , где Р - внутреннее давление, обусловленное флюидом, t - толщина стенки проточной трубки 304, а r - ее радиус.
На фиг. 10 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно некоторым вариантам. Устройство 1000 по фиг. 10 аналогично устройству 300 по фиг. 3, так что уже рассмотренные части не будут рассматриваться подробно. При этом устройство 1000 отличается от устройства 300 тем, что в качестве источника вибрации используется электрический ударник 1002. Как показано на фиг. 10, одиночный магнит 302 находится на определенном расстоянии от проточной трубки 304, т.е. не установлен на нее. Как было отмечено со ссылкой на фиг. 2, удаление одиночного магнита 302 с проточной трубки 304, т.е. отсутствие установленных на нее магнитов, может привести к повышению чувствительности почти на 80% по сравнению с вариантом с двумя магнитами, проиллюстрированным на фиг. 1.
В процессе функционирования источник 312 тока, подсоединенный к электрическому ударнику 1002, способен подавать на этот ударник импульс тока, заставляющий электрический ударник 1002 ударять по проточной трубке 304, вызывая ее вибрацию. Вибрация проточной трубки 304 после подачи импульса тока вызывает перемещение одиночного магнита 302 внутри по меньшей мере одной обмотки 306, что приводит к генерированию напряжения. По меньшей мере одна обмотка 306 детектирует это напряжение в процессе его изменений во времени и передает детектированные напряжения на измерительный блок 310. По полученным значениям напряжения измерительный блок 310 рассчитывает плотность флюида в проточной трубке 304, как это было описано выше со ссылками на фиг. 4 и 5. Кроме того, как это было описано со ссылкой на фиг. 4, измерительный блок 310 может также, анализируя скорость затухания напряжения, определить коэффициент добротности единственной обмотки детектора вибрации. Поскольку вязкость флюида влияет на коэффициент добротности вибрирующего устройства, найденный коэффициент добротности можно использовать для определения вязкости флюида, текущего в проточной трубке 304.
На фиг. 11 представлено устройство для измерения плотности флюида согласно группе вариантов. Устройство 1100 по фиг. 11 аналогично устройству 300 по фиг. 3, так что уже рассмотренные части не будут рассматриваться подробно. При этом устройство 1100 отличается от устройства 300 тем, что одиночный магнит 302 прикреплен к пластине 1102, установленной на стенке проточной трубки 304. В результате, когда источник 312 тока подает импульсный ток по меньшей мере в одну обмотку 306, электромагнитное поле, создаваемое по меньшей мере одной обмоткой 306, взаимодействует с одиночным магнитом 302, заставляя его прикладывать направленное по нормали усилие к пластине 1102, которая в результате прикладывает крутящий момент к проточной трубке 304 и создает в ней крутильные колебания. Согласно некоторым вариантам в качестве источника вибрации вместо одиночного магнита 302 может быть использован электрический ударник 1002, который ударяет по пластине 1102, чтобы создать крутильные колебания в проточной трубке 304. В соответствии с принципом функционирования, аналогичным использованному в устройстве 300, крутильные колебания будут заставлять одиночный магнит 302 перемещаться внутри по меньшей мере одной обмотки 306 и создавать в ней напряжение, которое подается на измерительный блок 310 и может быть использовано для определения резонансной частоты и, по ней, плотности флюида, текущего в проточной трубке 304. Кроме того, посредством мониторинга крутильных колебаний может быть также определена вязкость флюида, текущего в проточной трубке 304. Для этого может быть определен коэффициент добротности крутильных колебаний, который непосредственно зависит от вязкости, как это было показано выше. Следовательно, устройство 1100 позволяет одновременно определять как плотность, так и вязкость флюида, текущего в проточной трубке.
Таким образом, описанные варианты изобретения улучшают конструкции плотномеров флюида. Действительно, рассмотренные варианты, которые используют одиночный магнит и по меньшей мере одну обмотку, установленные на проточную трубку, обеспечивают более высокую чувствительность по сравнению с вариантами с двумя магнитами. Варианты с одиночным магнитом и по меньшей мере одной обмоткой облегчают также расчеты плотности флюида на основе мониторинга вибрации проточной трубки. Кроме того, в таких вариантах на проточную трубку требуется установить только один магнит, что упрощает конструкцию устройства. Другие описанные варианты способны обеспечить более высокую чувствительность за счет полного удаления магнитов с проточной трубки и создания вибрации с помощью электрического ударника. Другие варианты используют тензодатчики, резистивные детекторы и оптические детекторные устройства, позволяющие, наряду с плотностью флюида, измерять и другие его свойства, такие как вязкость или давление. Кроме того, описанные варианты позволяют создать устройство для измерения крутильных колебаний, которое можно использовать, чтобы определять, вместе с плотностью флюида, также его вязкость. Описанные варианты представлены только в качестве примеров. Специалисту будут ясны различные варианты, альтернативные по отношению к описанным. Эти альтернативные варианты также входят в объем изобретения, который ограничивается только прилагаемой формулой.