專利名稱：粘度測量儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于管道中流動流體的粘度計以及確定流體粘度的一種方法。
背景技術：
在檢測及自動化技術中，管道中流動的流體，特別是液體，的粘度通常是利用這樣的儀表確定的其使用振動傳感器和與其相連的電子測量設備感應流體中的內部摩擦力并由此得出代表相應粘度的測量信號。
在例如美國專利4,524,610或者WO-A 95/16897中說明了這種粘度計，其包含-振動傳感器--具有一基本直的流管，用于引導流體，所述流管與管道連接并在操作中振動，--具有一激勵部件，用于振動流管，---振動的流管的中央軸基本保留其形狀和空間位置，使得流管實際上不離開分配給它的靜態(tài)平衡位置，和--具有一傳感器裝置，用于感應流管的振動并生成代表流管振動的至少一個傳感器信號；和-電子測量設備，其發(fā)送--對于激勵部件的激勵電流，和--代表流體瞬時粘度的至少一個測量值，-該電子測量設備--利用至少一個傳感器信號調節(jié)激勵電流，以及--利用激勵電流生成代表流體內瞬時摩擦的內部中間值，和
-該電子測量設備使用該內部中間值確定粘度值。
然而，盡管粘度和密度實際上保持恒定，尤其在實驗室條件下，但是利用激勵電流確定的粘度值可能表現(xiàn)相當大的誤差，其總量有可能多達流體實際粘度的一百倍。
在美國專利4,524,610中，指出了這個問題的一個可能原因，即流體中的氣泡可能在流管壁處被吸收。為了避免這個問題，建議安裝傳感器，使得直的流管處于基本垂直的位置，從而避免氣泡的吸收。然而，這是一種非常特別的解決方案，僅在一定的條件下可以實現(xiàn)，尤其在工業(yè)過程測量技術中。一方面，傳感器要插入的管道必須適配傳感器，而不是傳感器適配管道，這對于用戶可能不可行。另一方面，流管可能也具有彎曲形狀，使得修改安裝的位置不能解決這個問題。即使使用垂直安裝的直的流管，也不能充分減少粘度測量值的上述誤差。流動的流體的粘度測量值中的變化也不能以此方式得到預防。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于流體的粘度計，其特別是在流體流動時，提供高精度且高魯棒的粘度值，基本上一方面與流管的安裝位置無關，另一方面與流管的振動尤其是振幅無關。
為達到這個目標，本發(fā)明的第一變型提供了用于管道中流動的流體的粘度計，所述粘度計包含-振動傳感器--具有至少一個流管，用于引導流體并生成作用于流體中的摩擦力，這至少一個流管與管道相連并在運轉中振動，并且--具有一激勵部件，用于振動至少一個流管；和-電子測量設備，其發(fā)送--對于激勵部件的激勵電流，以及--代表流體的瞬時粘度的粘度值，-電子測量設備生成
--第一內部中間值，其相應于激勵電流并代表作用于流體中的摩擦力，以及--第二內部中間值，其代表流體中的不均勻性，和-電子測量設備使用第一和第二內部中間值確定粘度值。
本發(fā)明的第二變型提供了用于管道中流動的流體的粘度計，所述粘度計包含-傳感器，特別是彎曲型傳感器，--具有至少一個流管，用于引導流體并生成作用于流體中的摩擦力，這至少一個流管與管道相連并在運轉中振動，--具有一激勵部件，用于振動至少一個流管，以及--具有傳感器裝置，用于感應流管的振動并至少生成代表所述振動的第一傳感器信號；和-電子測量設備，其發(fā)送--對于激勵部件的激勵電流，以及--代表流體的瞬時粘度的粘度值，-電子測量設備--至少從第一傳感器信號中得到用于調節(jié)激勵電流的幅度控制信號，以及--至少利用第一傳感器信號和幅度控制信號確定粘度值。
另外，本發(fā)明提供了確定管道中流體的粘度的方法，所述方法包含步驟-將激勵電流供給與引導流體的流管機械連接的激勵部件，用于導致流管的機械振動，特別是彎曲振動；-振動流管，以生成流體中的內部摩擦力；-感應流管的振動，以生成第一內部中間值，代表作用于流體中的摩擦力；-生成第一內部中間值的采樣；-使用采樣確定第二內部中間值，其代表流體中的非均勻性；和
-利用兩個內部中間值，生成粘度測量值。
在本發(fā)明的粘度計的第一優(yōu)選實施例中，電子測量設備利用激勵電流確定第二內部中間值。
在本發(fā)明的粘度計的第二優(yōu)選實施例中，用于生成作用于流體的摩擦力的流管至少部分以彎曲方式振動。
在本發(fā)明的粘度計的第三優(yōu)選實施例中，為了生成測量的粘度值，電子測量設備至少利用第一傳感器信號確定代表引起流體中的摩擦力的運動的速度值。
在本發(fā)明的粘度計的第四優(yōu)選實施例中，電子測量設備利用幅度控制信號確定第一內部中間值，其相應于激勵電流并代表作用于流體的摩擦力。
在本發(fā)明的粘度計的第五優(yōu)選實施例中，為了生成粘度值，電子測量設備將第一內部中間值規(guī)則化為速度值。
在本發(fā)明的粘度計的第六優(yōu)選實施例中，電子測量設備包括保存第一內部中間值的采樣的易失性數(shù)據(jù)存儲器，并利用該采樣生成第二內部中間值。
在本發(fā)明的粘度計的第七優(yōu)選實施例中，第二內部中間值是使用第一內部中間值的標準偏差生成的，該標準偏差是利用采樣估算的。
在本發(fā)明的方法的第一優(yōu)選實施例中，生成代表流管的振動的至少一個傳感器信號，并且使用這至少一個傳感器信號調節(jié)激勵電流。
在本發(fā)明的方法的第二優(yōu)選實施例中，代表引起作用于流體的摩擦力的運動的速度的速度值是使用傳感器信號確定的，并且第一內部中間值被規(guī)則化為速度值。
本發(fā)明是認識到下面的情況而作出的供給傳感器以保持流管振動并由此得到粘度值的激勵功率有可能在不成比例的大部分中受到流體中非均勻性(諸如氣泡或固體物質的夾帶)的影響。本發(fā)明還認識到下面的情況激勵功率還能夠利用電子測量設備內部生成的調節(jié)信號或調節(jié)值，以非常簡單的方式非常精確地確定，并且用于激勵功率和實際流入的激勵功率的調節(jié)信號本身對于魯棒粘度測量都非常不精確，特別在流管振動的幅度以恒定值調整的情況下。
本發(fā)明的一個基本想法是，從激勵功率得到內部測量值，尤其是與所涉及流體的類型無關，該內部測量值代表與粘度測量值有關的流體中的非均勻性并且是其對測量的粘度值的影響的量度。
本發(fā)明的另一個基本想法是，利用在電子測量設備內部生成的用于激勵功率的調節(jié)信號或調節(jié)值以及利用由實際輸入的激勵功率保持的流管的振動，確定粘度值。這種對于激勵功率的間接確定的優(yōu)點是，無需為了確定粘度值而額外測量輸入的激勵功率。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點包含在以下事實中它也可以以商業(yè)上可行的例如科里奧利質量流量計-密度計實現(xiàn)，并且與各傳感器中使用的流管的具體形狀和數(shù)目充分無關，即在傳感器的機械設計中沒有任何基本改變。


結合附圖閱讀下面對于實施例的說明，將清楚地看出本發(fā)明及其其它優(yōu)點，在附圖中相似的部分以相似的參考符號標注；如果可以更清楚，則在后面的圖中省略已經指派的參考符號。在附圖中圖1是用于生成粘度值的粘度計的透視圖；
圖2是適合圖1的粘度計的電子測量設備的一個優(yōu)選實施例的框圖；圖3是適合圖1的粘度計的粘度傳感器的一個實施例的部分剖面、第一透視圖；圖4是圖3的傳感器的第二透視圖；圖5顯示了適合圖3的傳感器的機電激勵的一個實施例；和圖6是表示在用于確定粘度值的電子測量設備中實施的步驟的圖表。
具體實施例方式
圖1示意性地顯示了具有振動傳感器10和電子測量設備50的粘度計，其中振動傳感器10優(yōu)選地容納在傳感器箱100內，電子測量設備50容納在電子設備箱200內，并且如圖2所示，與傳感器10電連接。粘度計特別地用于感應管道(未顯示)中流動的流體的粘度η，并將這個粘度映射為代表該粘度η的粘度測量值Xη。利用由電子測量設備50驅動的傳感器10，在其中的流體中生成摩擦力，該摩擦力與粘度η有關并且以可測的方式作用于傳感器10，即該摩擦力可以使用傳感器技術檢測并被轉換為有用的輸入信號，用于后續(xù)的電子評估設備。
在粘度計被設計為連接至現(xiàn)場總線的優(yōu)選情況中，優(yōu)選的為可編程的電子測量設備50包括適當?shù)耐ㄐ沤涌谟糜跀?shù)據(jù)通信，例如，用于測量數(shù)據(jù)傳輸至較高級存儲的程序控制或較高級的過程控制系統(tǒng)。
圖3和圖4顯示了形式為物理到電子的振動傳感器部件的傳感器10的實施例。這種傳感器部件的結構在例如美國專利6,006,609中有所描述。這種傳感器已經使用在商業(yè)上可行的科里奧利質量流量計-密度計中，例如申請人提供的“PROMASSI”系列。
為了引導要測量的流體，傳感器10包括至少一個流管13，該流管13具有可預定的可彈性形變的腔管13A和可預定的額定直徑，且具有入口端11和出口端12。這里使用的腔管13A的“彈性形變”意味著為了在流體中生成反作用力，即描述流體的力，即剪切或摩擦力，以及科里奧利力和/或質量慣性力，在實際操作中，在流管13的彈性范圍內以可預定的循環(huán)(特別是周期性的)方式改變腔管13A的三維形狀和/或空間位置；例如參見美國專利4,801,897、美國專利5,648,616、美國專利5,796,011和/或美國專利6,006,609。
關于這一點，應當注意，實際上本領域熟練技術人員所知的用于科里奧利流量計-密度計的任何傳感器，特別是具有全部或至少部分以彎曲方式振動的彎曲或直流管的彎曲型傳感器，可以代替根據(jù)圖3和圖4的實施例的傳感器而用于實現(xiàn)本發(fā)明?？梢杂糜趥鞲衅?0的傳感器裝置的其它合適的實施方式在例如美國專利5,301,557、5,357,811、5,557,973、5,602,345、5,648,616或5,796,011中進行了說明，這些專利引入此處作為參考。
特別適合流管13(這里基本是直管)的材料是例如鈦合金。通常用于這種流管(特別是彎曲管)的其它材料，諸如不銹鋼或鋯，也可以代替鈦合金而使用。
在入口和出口端以通常的方式與引流管相連的流管13在剛性支撐框架14，特別是彎曲扭轉的剛性框架，中被夾緊，使得其能夠振動運動，支撐框架優(yōu)選地由傳感器箱100封閉。
支撐框架14通過位于入口端的入口板223和位于出口端的出口板224固定至流管13，這兩塊板由流管13的各自相應的延伸部分穿透。支撐框架14具有第一側板24和第二側板34，它們以這樣的方式固定至入口板213和出口板223與流管13基本平行并保持間隔關系地延伸；參見圖3。于是，兩塊側板24、34的相對的側表面也相互平行。
優(yōu)選地，作為配重以吸收流管13的振動的縱向桿25以與流管13相間隔的關系固定于側板24、34。如圖4所示，縱向桿25與流管13的整個振蕩長度基本平行地延伸；然而這不是強制的；當然，如果需要，縱向桿25也可以更短。
于是，具有兩個側板24、34、入口板213、出口板223和可選的縱向板25的支撐框架14具有重力的縱軸，其基本平行于連接入口端11和出口端12的中央流管軸13B。
在圖3和圖4中，所示的螺釘頭表明，上述將側板24、34到入口板213、到出口端223和縱向桿25的固定可以通過螺釘完成；也有可能使用本領域熟練技術人員所熟悉的其它合適的加固形式。
如果傳感器10要暫時與管道相連，則流管13優(yōu)選具有形成于其上的入口側第一法蘭19和出口側第二法蘭20，參見圖1；例如所謂的Triclamp連接可以代替法蘭19、20用于提供與管道的暫時連接，如圖3所示。
然而，如果需要，流管13也可以與管道直接相連，例如通過焊接或釬接。
為了生成上述摩擦力，在傳感器10的操作期間，令由連接至流管13的機電激勵部件16激勵的流管13以所謂的有效方式以可預定的頻率(特別地，以也取決于流體的密度ρ的固有諧振頻率)振動，從而流管以可預定的方式發(fā)生彈性形變。
在所示的實施例中，振動中的流管13，通常具有這樣的彎曲型傳感器部件，被從靜態(tài)平衡位置在空間上特別是橫向上偏轉；對于圍繞連接各自入口和出口端的相應縱向軸執(zhí)行懸臂振動的一個或多個彎曲流管，或者對于僅圍繞縱軸執(zhí)行平面彎曲振動的一個或多個直流管，也是同樣的。在傳感器10是徑向型傳感器部件并且振動中的流管以所述的一般方式對稱地變形的情況下，例如在WO-A 95/16897中，流管基本留在靜態(tài)平衡位置。
激勵部件16用于通過轉換從電子測量設備50提供的激勵功率Pexc，生成作用于流管13的激勵力Fexc。激勵功率Pexc基本上只用于補償振動系統(tǒng)中由于機械和流體摩擦而造成的功率成分損失。為了得到盡可能高的效率，激勵功率Pexc優(yōu)選地被精確調節(jié)，使得有效方式中的流管13的振動(例如，以最低諧振頻率的振動)得到保持。
為了將激勵力Fexc傳輸至流管13，如圖5所示，激勵部件16具有剛性的、機電和/或電動驅動的杠桿裝置15，其具有懸臂154和磁軛163，懸臂154剛性地固定至流管13。磁軛163剛性地固定至懸臂154遠離流管13的一端，使得它位于流管13上方并且相對流管13橫向延伸。懸臂154可以是例如金屬盤，其接收孔中的流管13。對于杠桿裝置15的更合適的實施例，參考上面提到的美國專利6,006,609。從圖2可以清楚地看到，杠桿裝置15(這里是T形裝置)優(yōu)選地在入口端11和出口端12之間近似中間的位置作用于流管13，使得在操作中，流管13將在中間展現(xiàn)其最大橫向變形。
為了驅動杠桿裝置15，如圖5所示，激勵部件16包含第一激勵線圈26和由永磁材料制成的相關第一電樞27，以及第二激勵線圈36和永磁材料制成的相關第二電樞37。兩個激勵線圈26和36優(yōu)選地串連連接，在磁軛163下面的流管13的兩側上固定至支撐框架14，特別地是暫時地固定，從而在操作中各自與它們相關的電樞27和37互相作用。當然，如果需要，兩個激勵線圈26、36可以并聯(lián)連接。
如圖3和5所示，兩個電樞27、37以這樣的間距固定至磁軛163在傳感器10的操作期間，電樞27基本被激勵線圈26的磁場穿透，而電樞37基本被激勵線圈36的磁場穿透，使得兩個電樞可以由相應的電動和/或電磁力的作用而移動。
由激勵線圈26、36的磁場生成的電樞27、37的運動由磁軛163和懸臂154傳輸至流管13。電樞27、37的這些運動使得磁軛163以側板24的方向和側板34的方向交替從其平衡位置偏移。杠桿裝置15的旋轉的相應軸平行于流管13的上述中央軸13B，可以例如經過懸臂154。
特別地，為了支持激勵線圈26、36和下面說明的電磁制動器裝置217的各個元件，支撐框架14還包含用于機電激勵裝置16的支架29。支架29與側板24、34連接，優(yōu)選地是暫時性的連接。
在本實施例的傳感器10中，振動流管13的橫向形變同時引起其腔管13A的彈性形變，其中振動流管13在入口端11和出口端12被牢固夾緊；這個彈性形變實際上在流管13的整個長度上延伸。
另外，由于經由杠桿裝置15作用于流管13的轉矩，在流管13中與橫向形變同時在中央軸13B周圍引起扭轉，至少在管的部分中引起扭轉，使得流管13以混合彎曲且扭轉的方式振動，該形式用作有效方式。流管13的扭轉可以是這樣的懸臂154遠離流管13的一端的橫向位移的方向與流管13的橫向形變的方向或者相同或者相反。換言之，流管13可以以第一彎曲及扭轉方式執(zhí)行扭轉振動，對應于前一情況；或者以第二彎曲及扭轉方式，對應于后一情況。在根據(jù)本實施例的傳感器中，第二彎曲及扭轉方式的固有諧振頻率(例如，900Hz)約為第一彎曲及扭轉方式的固有諧振頻率的二倍。
在流管13僅以第二彎曲及扭轉方式執(zhí)行振動的優(yōu)選情況中，激勵部件最好基于渦流原理包含電磁制動器裝置217，其用于穩(wěn)定旋轉軸的位置。利用電磁制動器裝置217，可以保證流管13總是以第二彎曲及扭轉方式振動，從而影響流管13的任何外部干擾都不會導致自然變化到另一彎曲及扭轉方式，特別是第一彎曲及扭轉方式。在例如美國專利6,006,609中具體說明了這種電子制動器裝置；另外，從前面所述的“PROMASSI”系列的傳感器可以知道這種電磁制動器裝置的使用。
在這點上，應當提起，以根據(jù)第二彎曲及扭轉方式的這種方式偏轉的流管13中，中央軸13B被輕微變形，使得在振動期間，這個軸傳播輕微彎曲的表面而不是平面。另外，位于這個表面中并且由流管的中央軸的中點畫輪廓的路徑曲線具有由這個中央軸畫輪廓的所有路徑曲線的最小曲率。
為了檢測流管13的形變，傳感器10包含具有至少一個第一傳感器17的傳感器裝置60，其響應于流管13的振動提供第一(優(yōu)選的是模擬)傳感器信號s1。正如這種傳感器所常見的，傳感器17可以由例如固定至流管13并與支撐框架14支持的傳感器線圈相互作用的永磁材料電樞形成。
特別適合傳感器17的傳感器類型是基于電動原理感應流管的形變速度的傳感器。也有可能使用加速度測量電動或位移測量電阻或光學傳感器，或者本領域熟練技術人員熟悉的適于檢測這種振動的其它傳感器。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，傳感器裝置60還包括第二傳感器18，特別是與第一傳感器17相同的傳感器，這個第二傳感器18提供代表流管的振動的第二傳感器信號s2。在這個實施例中，兩個傳感器17、18以給定的距離沿流管13放置，特別是距流管13的中間的距離相同，使得傳感器裝置60檢測流管13的入口側和出口側振動，并分別提供相應的傳感器信號s1和s2。第一傳感器信號s1以及，如果存在的話，第二傳感器信號s2通常各自都具有對應于流管13的瞬時振動頻率的頻率，它們被供給電子測量設備50，如圖2所示。
為了振動流管13，從電子測量設備50提供激勵部件16，其具有類似的振蕩的、單極或雙極的激勵電流iexc，該激勵電流iexc具有可調節(jié)的幅度和可調節(jié)的頻率fexc，使得在操作中，激勵線圈26、36被該電流往復通過，以生成移動電樞27、37所需的磁場。于是，振動流管13所需的激勵力Fexc可以以本領域熟練技術人員所熟悉的方式，例如利用電流和/或電壓調節(jié)電路監(jiān)控并調節(jié)其幅度，或者利用鎖相環(huán)監(jiān)控并調節(jié)其頻率。電子測量裝置50得到的激勵電流iexc優(yōu)選地是正弦電流，但是也可以是例如脈動、三角、或方波交流電流。
通常在所描述的類型的粘度計中，激勵電流iexc的頻率fexc等于流管13的預定振動頻率，并因此優(yōu)選地被設置為運載流體的流管13的瞬時固有諧振頻率。如上所述，本發(fā)明建議根據(jù)以下實施例的傳感器10激勵電流iexc應當流經兩個激勵線圈26、36，其頻率fexc應當被選擇為使得橫向振蕩的流管13，如果可能的話，只按照第二彎曲及扭轉方式扭曲。
為了生成并調節(jié)激勵電流iexc，電子測量設備50包含由頻率控制信號yFM和幅度控制信號yAM控制的驅動器電路53，頻率控制信號yFM代表要調節(jié)的激勵頻率fexc，幅度控制信號yAM代表要調節(jié)的激勵電流iexc的幅度。驅動器電路可以利用以后面跟隨壓流轉換器的壓孔振蕩器實現(xiàn)；例如數(shù)控數(shù)字振蕩器可以代替模擬振蕩器，用于調節(jié)激勵電流iexc。
幅度控制信號yAM可以由電子測量設備50中包含的幅度控制電路51生成，該幅度控制電路51分別基于瞬時幅度和恒定或可變幅度參考值W1更新兩個傳感器信號s1、s2中至少一個以及幅度控制信號yAM；另外，激勵電流iexc的瞬時幅度可以用于生成幅度控制信號yAM。這種幅度控制電路對于本領域熟練技術人員是熟悉的。作為這種幅度控制單元的一個例子，再次參考“PROMASSI”系列的科里奧利質量流量計。它們的幅度控制電路優(yōu)選地被設計為流管13的橫向振動保持為恒定幅度，即也不取決于密度ρ的幅度。
頻率控制信號yFM可以由合適的頻率控制電路52提供，該頻率控制電路52基于例如至少傳感器信號s1和代表要調節(jié)的頻率的DC電壓而更新頻率控制信號yFM并用作頻率參考值W2。
優(yōu)選地，頻率控制電路52和驅動器電路53互相連接，以形成鎖相環(huán)，鎖相環(huán)以本領域熟練技術人員所熟悉的方式，基于相位差使用，以保持頻率控制信號yFM與流管13的瞬時諧振頻率同相，其中相位差是在傳感器信號s1、s2中至少一個和要調節(jié)的激勵電流或測量的激勵電流iexc之間測量的。這種以機械諧振頻率之一驅動流管的鎖相環(huán)的結構和使用在例如美國專利4,801,897中有詳細說明。當然，也有可能使用本領域熟練技術人員所熟悉的其它頻率控制環(huán)路，例如美國專利4,524,610或4,801,897中所說明的。另外，考慮到用于所述類型的傳感器的這種頻率控制環(huán)路的使用，參考前面提到的“PROMASSI”系列。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，幅度控制電路51和頻率控制電路52是利用數(shù)字信號處理器DSP和其中運行的程序代碼實現(xiàn)的。程序代碼可以例如存儲在控制和/或監(jiān)控信號處理器DSP的微計算機55的非易失性存儲器EEPROM中，并且在信號處理器DSP啟動時載入電子測量設備50的易失性數(shù)據(jù)存儲器RAM，該RAM包含在例如信號處理器DSP中。適于這種應用的信號處理器是例如由TexasInstruments Inc銷售的TMS320VC33類型。
毋庸置言，對于信號處理器DSP中的處理，傳感器信號s1和，如果存在的話，傳感器信號s2必須被利用合適的模擬數(shù)字傳感器A/D轉換為相應的數(shù)字信號；特別參見EP-A 866 319。如果必要，由信號處理器提供的控制信號，例如幅度控制信號yAM或頻率控制信號yFM，必須以相應的方式從數(shù)字形式轉換為模擬形式。
正如重復指出的，由于這種振動傳感器部件除了引起流體摩擦力之外，還引起取決于質量流速的科里奧利力和取決于流體密度的質量慣性力，例如，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選發(fā)展，粘度計用作確定流體的粘度η和密度ρ以及質量流速m，特別是同時的，粘度計還用作提供相應的密度測量值Xρ和質量流速測量值Xm。這可以使用現(xiàn)有的科里奧利質量流量計-密度計中用于測量質量流速和/或密度的方法完成，特別是在前面提到的“PROMASSI”系列中的方法，這些方法對于本領域熟練技術人員是熟悉的，比較美國專利4,187,721、4,876,879、5,648,616、5,687,100、5,796,011或6,073,495。
為了生成粘度測量值Xn，電子測量設備50從供給激勵部件16的激勵功率Pexc中得到第一中間值X1，特別地為一數(shù)字值，其代表流體中振動阻尼摩擦力，其中激勵功率Pexc特別用于以上述方式補償流體中產生的內部摩擦；除實際注入的激勵功率Pexc之外或者代替實際注入的激勵功率Pexc，由電子測量設備50預確定并由例如驅動器電路50提供的幅度控制信號yAM和/或頻率控制信號yFM代表的激勵功率可以用作確定粘度值Xη和實際的中間值X1。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，中間值X1是利用由電子測量設備50預定的激勵電流和/或利用實際注入、測量的激勵電流iexc確定的，特別是利用這種激勵電流的幅度或移動平均數(shù)。在這種情況中，激勵電流iexc用作抵消預振動的流管13的形變運動的整個阻尼力的一種量度標準。然而，當使用激勵電流iexc用于確定中間值X1時，必須考慮以下事實前面提到的阻尼力一方面取決于流體內部由粘度決定的摩擦，另一方面取決于在例如激勵部件16和振動的流管中的機械摩擦。
為了將有關流體粘度的信息與激勵電流iexc分離，在電子測量設備50中將后者減少基本上與流體摩擦無關的無載電流的值，這個無載電流是在流管13清空或者至少沒有充滿液體的情況下測量的。通常長期靜止的無載電流可以例如在粘度計的標定期間提前方便地確定，并以數(shù)字值的形式存儲在電子測量設備50中，例如存儲在非易失性存儲器EEPROM中。
優(yōu)選地，中間值X1也是通過簡單地確定在一個或多個數(shù)字激勵電流值之間的數(shù)值差而形成的，其中數(shù)字激勵電流值代表例如激勵電流iexc的瞬時幅度或瞬時平均值以及數(shù)字無載電流值。如果激勵電流值代表激勵電流iexc的幅度或平均值，則無載電流的幅度或相應平均值當然必須從中減去，以得到中間值X1。激勵電流值可以例如通過在驅動器電路53的輸出的簡單電流測量而獲得。然而，優(yōu)選地，激勵電流值以及中間值X1是使用幅度控制電路51提供的幅度控制信號yAM間接確定的，如圖2示意性地示出的。這樣的優(yōu)點是無需額外測量電流，尤其無需額外測量電流所需的測量電路。
考慮以下關系η~iexc---(1)]]>這個關系在美國專利4,524,610中說明并且，按照該關系，至少處于恒定密度ρ的激勵電流iexc與密度η的平方根非常好地一致，為了確定粘度值Xη，首先在電子測量設備50中形成從激勵功率iexc中得來的中間值X1的平方。
結果，如果粘度值Xη僅是利用中間值X1確定的，則對于許多工業(yè)應用，盡管粘度和密度保持基本靜止，它還是太不精確了。
在實驗室條件下對于現(xiàn)象的研究已經顯示，中間值X1不僅對吸收的氣泡敏感，而且對于移動流體中的非均勻性最敏感。這種非均勻性可以是引入流體的氣泡或者流體中夾帶的固體物質的顆粒。即使移動流體中均勻性的輕微擾動都將導致粘度測量值Xη中可觀的誤差，這些誤差大約多達流體的實際粘度η的一百倍。
通過評估在以預定方式分布的不同液體中執(zhí)行測量期間記錄的激勵電流iexc的許多波形，發(fā)明者驚奇地發(fā)現(xiàn)，一方面激勵電流iexc可以與基本不變的條件無關地隨時間明顯改變，例如在具有恒定密度和粘度并且具有基本恒定含量的夾帶氣泡的穩(wěn)定流動的液體的情況。然而，另一方面，可以確認，以基本不可預定的方式變化(特別是其幅度，以及中間值X1)的激勵電流iexc表現(xiàn)了與非均勻性的程度非常相關的經驗性的標準偏差siexc或經驗性的方差。
根據(jù)本發(fā)明，電子測量設備50從此得到第二內部中間值X2，其用作評估流體中非均勻性的影響，該影響在中間值X1的形成中沒有被考慮，第二內部中間值X2用于確定為中間值X1加權的粘度值Xη。
中間值X2的使用是基于對以下情況的認識的一方面，僅當流體大部分為均勻的時，僅需中間值X1就可以提供足夠精確的有關流體粘度η的信息，另一方面，如上所述，流體中的瞬時非均勻性可以基于注入的激勵電流iexc的波形而基本與流體無關地非常精確地估算。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，為了得到粘度值Xη，通過簡單的數(shù)值除法，將中間值X1規(guī)則化為中間值X2，使得粘度值Xη為Xη=K1Xρ(X1X2)2---(2)]]>其中K1＝設備常數(shù)，特別取決于流管13的幾何形狀。
等式(2)的分母中的密度值Xρ僅考慮了以下事實實際上電流的平方提供了有關密度和粘度的乘積的信息，比較美國專利4,524,610。
另外，發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，在根據(jù)等式(2)確定粘度值時，內部中間值X2可以根據(jù)線性關系容易地確定
X2＝K2siexc+K3(3)其中，K2、K3＝由標定確定的常數(shù)，容易看出，它們分別對應直線的簡單等式的斜率和截距，比較圖6。
為了確定兩個常數(shù)K2、K3，在對已知的兩種標定流體以及，如果可能，不同但是保持不變的不均勻性恒定粘度的標定期間，對于各個激勵電流都估算瞬時標準偏差，特別是對于其幅度，并形成各個粘度測量值與相應瞬時粘度的比值Xη/η。第一標定流體(下標I)可以是例如其中引入了氣泡的流動水，對于第二標定流體(下標II)，可以使用盡可能均勻的水。
對于根據(jù)等式(2)確定粘度的上述情況，可以如下計算兩個常數(shù)K2、K3K2=Xη,IηI-Xη,IIηIIsiexc,I-siexc,II---(4)]]>K3=Xη,IηI-K2siexc,I]]>各個經驗標準偏差siexc優(yōu)選地根據(jù)如下已知的函數(shù)，利用例如以數(shù)字形式存儲在非易失性數(shù)據(jù)存儲器RAM中的中間值X1的采樣AF計算siexc=(1m-1Σj=1m(X1,j-1mΣj=1mX1,j)2)---(5)]]>如果必要，用于確定標準偏差的采樣AF也可以是激勵電流iexc的幅度特性的相應存儲的采樣序列，即，激勵電流iexc的一段數(shù)字化的包絡。
研究顯示，為了足夠精確地估算標準偏差siexc，需要相對小尺寸的采樣m(例如，約為100至1000倍中間值X1)，同時各個中間值X1必須僅在大約1至2秒的非常狹窄的窗口中被采樣。因此，大約幾千赫茲的相對較低的采樣頻率就足夠了，例如大約1至5kHz。
中間值X2可以用于發(fā)信號通知流體非均勻性的程度，或者由此得到的測量值，諸如流體中所含空氣的百分比或者流體中夾帶的固體物質顆粒的體積或質量容量，發(fā)信號的方式可以例如是在線的或者以可視方式在遙控室中進行。
根據(jù)等式(2)確定的粘度值Xη代表對于流體的動態(tài)粘度的良好估算，眾所周知，其還可以作為流體的運動粘度和密度ρ的乘積而得到。如果粘度值Xη用作運動粘度的估算，則必須在密度值Xρ輸出之前執(zhí)行對它的適當規(guī)則化，例如通過簡單的數(shù)值除法。為此，等式(2)可以修改為如下形式Xη=K1(X1XρX2)2---(6)]]>還發(fā)現(xiàn)，對于具有這種彎曲型傳感器的粘度計，特別是如果振幅保持為恒定值，則激勵電流iexc與運動的速度θ的比值iexc/θ是抵消流管13的形變的上述阻尼的更精確估算，其中所述的運動引起內部摩擦并引起流體中的摩擦力，它的速度是可以直接測量的。于是，為了進一步增加粘度值Xη的精確度，特別是減少其對于流管13的變化振幅的敏感，在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，中間值X1首先被規(guī)則化為速度值Xθ。另一方面，被規(guī)則化的中間值X1*是根據(jù)下面的規(guī)則形成的X1*=X1Xθ---(7)]]>特別是如果彎曲型傳感器部件用于傳感器10，則引起流體中的內部摩擦的運動與利用傳感器17或者利用傳感器17和18的檢測到的振動的流管13的運動緊密相關，基于以上認識，速度值Xθ優(yōu)選地可以利用電子測量設備50，例如利用內部幅度測量電路55，從至少一個傳感器信號s1得到，其中如果需要，s1已經被數(shù)字化。至少一個傳感器信號s1的使用不僅具有如上所述的優(yōu)點，即實際上在現(xiàn)有的科里奧利質量流量計的傳感器部件的機械設計中不需要基本的變化，而且還具有可能使用基本沒有改變的傳感器部件的各個傳感器配置的優(yōu)點。
使用經過規(guī)則化的中間值X1*，可以由等式(8)確定粘度值Xη=K1KfXρ(X1*X2)2---(8)]]>引入等式(8)的相關因子Kf用于以振動的流管13的瞬時振動頻率對密度值Xρ加權。
在這點上，應當再次指出，傳感器信號s1優(yōu)選地與振動的流管13的偏轉運動，特別是橫向上，的速度成比例；傳感器信號s1也可以與作用于振動的流管13的加速度或者振動的流管13的位移成比例。如果傳感器信號s1與上面感應的速度成比例，則相關因子Kf將對應于振動的流管13的振動頻率，而在傳感器信號s1與位移成比例的情況中，相關因子Kf將等于振動頻率的立方。
上面提到的用于生成由等式(1)至(8)代表的粘度值Xη的函數(shù)至少部分在電子測量設備50的評估階段54中實現(xiàn)，該評估階段54優(yōu)選地通過信號處理器DSP實現(xiàn)，如圖所示，或者例如利用微處理器55實現(xiàn)。
對應于上述功能或者對幅度控制電路51或頻率控制電路52的操作以及將它們翻譯為這種信號處理器中可執(zhí)行的程序代碼進行仿真的合適的算法的創(chuàng)建和實施為本領域熟練技術人員所熟悉，因此無需詳細解釋。當然，前面提到的等式也可以利用電子測量設備50中合適的模擬和/或數(shù)字離散計算電路而整體或部分代表。
根據(jù)本發(fā)明的粘度計還具有這樣的優(yōu)點由于其提供的粘度值Xη對于流體中的非均勻性不敏感，所以它也表現(xiàn)出對于質量流速或密度的變化的較低的交叉敏感性。
權利要求
1.一種用于管道中流動的流體的粘度計，所述粘度計包含-振動傳感器(10)--具有至少一個流管(13)，用于引導流體并生成作用于流體中的摩擦力，所述至少一個流管(13)與管道相連并在運轉中振動，并且--具有一激勵部件(16)，用于振動所述至少一個流管(13)；和-電子測量設備(50)，其發(fā)送--對于激勵部件(16)的激勵電流(iexc)，以及--代表流體的瞬時粘度的粘度值(Xη)，-電子測量設備(50)生成--第一內部中間值(X1)，其相應于激勵電流(iexc)并代表作用于流體中的摩擦力，以及--第二內部中間值(X2)，其代表流體中的不均勻性，和-電子測量設備(50)使用第一和第二內部中間值(X1，X2)確定粘度值。
2.如權利要求1所述的粘度計，其中傳感器(10)包括一傳感器裝置(60)，用于感應流管(13)的振動并用于至少生成代表所述振動的第一傳感器信號(s1)。
3.如權利要求2所述的粘度計，其中電子測量設備(50)利用至少第一傳感器信號(s1)調節(jié)激勵電流(iexc)。
4.如權利要求2或3所述的粘度計，其中電子測量設備(50)利用用于調節(jié)激勵電流(iexc)的幅度控制信號(yAM)確定第一內部中間值(X1)。
5.一種用于管道中流動的流體的粘度計，所述粘度計包含-傳感器(10)，特別是彎曲型傳感器，--具有至少一個流管(13)，用于引導流體并生成作用于流體中的摩擦力，所述至少一個流管(13)與管道相連并在運轉中振動，--具有一激勵部件(16)，用于振動所述至少一個流管(13)，以及--具有傳感器裝置(60)，用于感應流管(13)的振動并生成代表所述振動的至少第一傳感器信號(s1)；和-電子測量設備(50)，其發(fā)送--對于激勵部件(16)的激勵電流(iexc)，以及--代表流體的瞬時粘度的粘度值(Xη)，-電子測量設備(50)--至少從第一傳感器信號(s1)中得到用于調節(jié)激勵電流(iexc)的振幅控制信號(yAM)，以及--至少利用第一傳感器信號(s1)和幅度控制信號(yAM)確定粘度值(Xη)。
6.如權利要求2至5中任一條所述的粘度計，其中，為了生成粘度值(Xη)，電子測量設備(50)利用至少第一傳感器信號(s1)確定代表引起流體中的摩擦力的速度值(Xθ)。
7.如權利要求5或6所述的粘度計，其中，為了生成粘度值(Xη)，電子測量設備(50)利用幅度控制信號(yAM)確定對應于激勵電流(iexc)并代表引起流體中的摩擦力的第一內部中間值(X1)。
8.如權利要求6或7所述的粘度計，其中，為了生成粘度值(Xη)，電子測量設備(50)將第一內部中間值(X1)規(guī)則化為速度值(Xθ)。
9.如權利要求7或8所述的粘度計，其中電子測量設備(50)-生成代表流體中的非均勻性的第二內部中間值(X2)，和-使用第一和第二內部中間值(X1，X2)確定粘度值(Xη)。
10.如權利要求1至9中任一條所述的粘度計，其中，為了生成作用于流體中的摩擦力，流管(13)至少部分以彎曲方式振動。
11.如權利要求1至4或8至10中任一條所述的粘度計，其中電子測量設備(50)利用激勵電流(iexc)確定第二內部中間值(X2)。
12.如權利要求1至4或8至10中任一條所述的粘度計-其中電子測量設備(50)包括易失性數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，其保持第一內部中間值(X1)的采樣(AF)，和-其中電子測量設備(50)利用采樣(AF)生成第二內部中間值(X2)。
13.如權利要求12所述的粘度計，其中第二內部中間值(X2)是使用利用采樣(AF)估算的第一內部中間值(X1)的標準偏差(siexc)生成的。
14.一種確定管道中流動的流體的粘度的方法，所述方法包含步驟-將激勵電流(iexc)供給與引導流體的流管(13)機械連接的激勵部件，用于引起流管(13)的機械振動，特別是彎曲振動；-振動流管(13)，以生成流體中的內部摩擦力；-感應流管(13)的振動，以生成第一內部中間值，其代表作用于流體中的摩擦力；-生成第一內部中間值(X1)的采樣(AF)；-使用采樣(AF)確定第二內部中間值(X2)，其代表流體中的非均勻性；和-利用兩個內部中間值(X1，X2)，生成代表流體粘度的粘度測量值(Xη)。
15.如權利要求14所述的方法，還包括步驟-生成代表流管(13)的振動的至少一個傳感器信號(s1)，以及-使用至少一個傳感器信號(s1)調節(jié)激勵電流(iexc)。
16.如權利要求15所述的方法，還包括步驟-使用傳感器信號(s1)確定代表引起作用于流體中的摩擦力的運動的速度的速度值(Xθ)，-將第一內部中間值(X1)規(guī)則化為速度值(Xθ)。
全文摘要
粘度計提供代表在與其相連的管道中流動的流體的粘度的粘度值(X
文檔編號G01N11/14GK1547663SQ02816604
公開日2004年11月17日 申請日期2002年8月17日 優(yōu)先權日2001年8月24日
發(fā)明者沃爾夫岡·德拉姆, 阿爾弗雷德·里德, 沃爾夫岡 德拉姆, 雷德 里德 申請人:恩德斯+豪斯流量技術股份有限公司