TWI470227B - 液體密度量測裝置 - Google Patents

Description

液體密度量測裝置

本發明是有關於一種液體密度的量測裝置，且特別是有關於一種量測在不同的介質中，包括侵入性介質，於正常條件及高壓環境下的液體密度。舉例來說，可應用於原油及天然氣之生產及運輸系統，於化學及石化生產，以及於燃料與能源工業等等。

用以量測或決定液體之密度的裝置係眾所皆知的。此類習知裝置的操作原理例如是根據施加一低頻機械共振器於待測密度之液體中。就此而言，可以參考例如是俄羅斯聯邦專利號2291403、美國專利號4922745、美國專利號6389891、以及美國專利號6845663之專利案。由於大量的介質(例如是液體)加入的影響，改變機械共振器的共振頻率。習知裝置例如是包括一量測電路，其用以決定發生之共振頻率位移，利用此共振頻率位移可以估算出欲求之密度值。習知的機械共振器例如是包括一音叉，由於此音叉之對稱設計，可以預防振盪轉移至感測器之主體，並且因此排除周圍金屬部分對於此共振器之頻率特性的影響。許多電路可用以測定共振頻率，例如是共振器之振幅頻率響應掃描器，或者是於共振頻率自觸發之正回授系統。

儘管習知裝置具有良好的功效，此習知裝置仍然具有一個或多個以下所列舉之缺點：

第一，如果欲量測密度之待測液體由不互溶之成份所組成(異質混合)，例如是油-水乳狀液，環繞於音叉周圍之介質屬性可能導致音叉共振特性的改變，因而測得不確定的共振頻率，造成量測之準確度的不利影響。

第二，習知裝置不適合量測含有滯留氣體之液體的密度，因為此滯留氣體的存在會造成共振頻率突然且巨幅的改變，因而影響測量結果之平均值並造成液體之密度測定的不準確性。

綜上所述，本發明的目的係提供一裝置，此裝置可以提高液體密度之測定的精準度，尤其，包括不能互溶成份之液體(因而形成異質混合)，例如是油-水乳狀液，或者含有滯留氣體之液體。

依照本發明之一方面提供一種測定液體密度的裝置，此裝置包括一機械共振器，一驅動/接收單元，設置以提供驅動力至機械共振器，感測此機械共振器對此驅動力之響應，並提供代表此響應之輸出訊號；以及一估算單元，根據驅動/接收單元之輸出訊號，用以決定機械共振器之共振頻率；其特徵在於該估算單元係設置以由輸出訊號決定一振盪分佈，以及由此振盪分佈決定一共振頻率估計，根據此共振頻率估計決定此液體之密度。

依照本發明之此裝置可以由振盪分佈決定一共振頻率估計，且根據此共振頻率估計可以決定此液體之密度。

依照本發明之此裝置包括一機械共振器，為了量測液體的密度，此機械共振器在使用的時候至少部分地浸入欲量測密度之液體中。適當的機械共振器例如是桿棒、音叉、或者是T形共振器等。在一實施例中，機械共振器為具有一基底之音叉，此基底設置於此裝置的驅動/接收單元。

應用於依照本發明之此裝置中的此驅動/接收單元係設置以執行使用中的以下動作：提供一驅動力至機械共振器；感測此機械共振器對此驅動力之響應，提供代表此響應之輸出訊號。

舉例說明以幫助瞭解，此驅動/接收單元可以包括一致動器(例如是一電磁或壓電致動器)，用以驅動此機械共振器。依照本發明之此裝置更裝配有驅動/接收單元，用以感測此機械共振器對於此驅動力之響應。機械共振器對於此驅動力之響應經過置換後將振盪或振動。驅動/接收單元，例如是振動感測器，可偵測到此類機械共振器之振盪或振動。此振盪或振動可以例如是藉由速度感測器、或加速度感測器(例如是加速規)、或者是位移感測器作偵測。如同此技術領域具有通常知識者之公知常識，許多實施方式可用以感測此共振器的振盪或振動。在一實施例中，此驅動/接收單元包括一壓電元件，其設置既可提供驅動力(當操作於驅動模式，亦即作為一致動器)亦可以感測(當操作於感測模式，亦即作為一感測器)。

此驅動/接收單元更設置以提供一輸出訊號，此輸出訊號表示此機械共振器對於此驅動力之一響應。舉例來說，輸出訊號可以是一電訊號，此電訊號正比於例如是此機械共振器之一位移、或一速度、或一加速度，此訊號例如是由驅動/接收單元之感測器所提供。

依照本發明之此裝置更包括一估算單元，用以測定此機械共振器之一共振頻率估計。依照本發明之此共振頻率估計係藉由估算單元由振盪分佈決定，振盪分佈由驅動/接收單元之輸出訊號所決定。當此機械共振器應用於包括不互溶成份之液體(因而形成異質混合)的密度量測時，例如是油-水乳狀液，或者含有滯留氣體之液體，此共振器可能於不同的實施例中以不同的頻率振盪或振動。監控此機械共振器在一段期間內之振動行為，可以得到一振盪分佈，此振盪分佈不是在特定(共振)頻率下的單一且特定之共振。依照本發明之此裝置所應用之估算單元，可以由此共振分佈決定此液體之共振頻率的估算。

依照本發明，振盪分佈係由驅動/接收單元之輸出訊號所決定。本發明之意義中，一振盪分佈可例如是包括，但是非限定於，由輸出訊號所觀察到的振盪週期之分佈。同樣地，本發明之意義中，此輸出訊號之一頻譜(例如對此輸出訊號應用傅立葉轉換而得)可以視為一振盪分佈。此頻譜亦即為表示此機械共振器之振動或振盪之頻率內容的頻譜。如同此技術領域中具有通常知識者之公知常識，藉由此振盪之週期(或持續期間)，或者藉由此振盪的頻率(此頻率為週期之倒數)可以定義出此振盪的特徵。同樣地，振盪分佈可以相同地以頻率分佈或振盪週期分佈表示。更詳細地說明如下，此振盪分佈可以以不同的方式求得。在一實施例中，利用計數器以及比較器，估算單元可以在一特定期間內(預先決定的或者連續地)監控由驅動/接收單元得到之輸出訊號，並且記錄各個週期之持續時間(或者此持續時間所表示的數字)於例如是估算單元中的記憶單元。

此估算單元更可以由振盪分佈決定一共振頻率估計(例如是由此振盪分佈之頂峰值、或是中位數值、或是平均值)，並且決定環繞於此機械共振器之液體之密度值(例如是根據量測/決定之共振頻率估計以及名義上的共振頻率兩者的差值，名義上的共振頻率例如是機械共振器在未浸於液體中之共振頻率)。

在一實施例中，估算單元可以包括一計算單元(例如是包括一微控制器、一微處理器，或者與其相似者)，此計算單元用以決定由振盪分佈所得之共振頻率估計並且根據此共振頻率估計決定此液體之密度。

在一實施例中，此估算單元包括一量測單元，用以測得振盪分佈。此量測單元例如是包括一比較器、一計數器、一寫入暫存器(通常是一記憶單元)，其可對計數器的計數狀態作儲存、以及一高頻振盪器，此比較器設置以接收並比較輸出訊號以及一預先決定值(例如是0)。在一實施例中，比較器之輸出可以連接至儲存計數器之狀態之寫入暫存器。藉由計算輸出訊號之一週期發生的數個脈衝(例如是由高頻振盪器所提供)，可得一振盪週期值並將其存於記憶單元。藉由在相對較大的期間內重複這個步驟，可以得到代表振盪週期分佈之振盪分佈，此振盪週期係發生於對驅動力的響應。

量測單元以及估算單元可以和微處理器一起設計。此微處理器可以更可以應用於本發明之一實施例中，用以決定一振盪頻率估計，例如是此機械共振器之振盪週期的平均值。此外，此微處理器可以利用多函數機率密度分佈曲線估算出此機械共振器之至少兩個振盪週期值。此類的曲線，例如是多項式，可以藉由曲線擬合以估算出振盪分佈，且例如是決定一個或多個振盪週期的峰值。

依照本發明之此裝置更可以包括一感測器，用以量測此機械共振器或液體之特性，例如是，此共振器或液體的溫度或者是液體的壓力。

依照本發明之此裝置更可以包括一顯示器，用以顯示測定之振盪分佈及/或液體密度。

藉由參考以下詳細說明並配合圖式參照，將更輕易地瞭解且更明白本發明之此些或其他方面，其中相同的符號表示相同的元件。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下

本發明是有關於一種裝置，用以量測液體之密度。習知量測液體密度之裝置例如是包括一感測器，此感測器設置以偵測一機械共振器之振盪，此振盪例如是由致動器驅動(由於感測器以及致動器可以整合成為驅動/接收單元)，及一個估算單元，其藉由測定一機械共振器之共振頻率的改變決定所量測之介質(例如是一液體)之密度。依照本發明之此裝置，其中一實施例係繪示於第1圖，不同於習知裝置之處在於，此裝置包括一估算單元設置以決定一振盪分佈。藉由分析此機械共振器之振盪分佈，可能得到具統計根據的資料，此資料係關於環繞在機械共振器外圍之所量測的介質(例如是液體)的密度波動。因此，提昇此液體之密度量測的準確度可以被實現。尤其，注意到依照本發明之此裝置可以提供液體之密度量測的精準度之改良，此液體包括不互溶成份(因而形成異質混合)例如是油-水乳狀液或者是含滯留氣體之液體。如第1圖所示，依照本發明之此裝置包括有一機械共振器100以及一驅動/接收單元110以施加一驅動力至此共振器，感測此共振器對於此驅動力之響應，以及提供代表此響應之輸出訊號。在一實施例中，驅動/接收單元可包括一個或多個壓電元件，用以驅動共振器及/或感測此共振器之響應。此共振器可以例如是被一脈衝訊號驅動，此脈衝訊號可以例如是被一高頻振盪器所提供。驅動此機械共振器之此訊號亦可以包括一雜訊(亦即包括數個不同頻率成分之訊號)因而在不同頻率下刺激此機械共振器。如第1圖所示，依照本發明之此裝置更包括一估算單元120，此估算單元係設置以從此輸出訊號決定一振盪分佈，從此振盪分佈決定一共振頻率估計，以及根據此共振頻率估計決定此液體之密度。

在一實施例中，此估算單元係設置以由輸出訊號決定一振盪分佈，藉由取樣由驅動/接收單元所接收之輸出訊號而得。實際上，此機械共振器可被設計以使得其操作之共振頻率在1000及10000赫茲(Hz)的範圍內(因而具有一範圍在0.1-1.0毫秒(ms)之振盪週期)。當音叉用作共振器時，主要可藉由改變音叉之叉角的剖面以及長度以達成此特性。例如是根據以下的考量而選擇此頻率範圍。共振頻率必須盡可能地低以增加液體壁層之有效厚度(the effective thickness of the wall layer of a fluid)，如此可以減少此量測液體之異質性的影響。然而此方式可能會導致音叉之叉腳長度增長，使得叉腳在液體中較不穩定，當音叉置於一個含有油-水-氣體之液流的管柱中，整個音叉結構變得過大且無法使用於真實生活的環境中。此現象解釋音叉的共振頻率通常選用不小於1200 Hz的原因。根據對此機械共振器之預期頻率範圍，可決定一適當的取樣頻率對輸出訊號作取樣。更好地情況為，取樣頻率等於或超過此共振器之預期響應的奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)。當得到此取樣之輸出訊號時(此估算單元可例如是包括對於此取樣之專門量測單元)，可以對此取樣之輸出訊號應用傅立葉轉換(例如是一離散傅立葉轉換)而得到一頻譜(通常為振盪分佈)。從此頻譜中，估算單元(或者是此估算單元之一計算單元)可以決定一共振頻率估算，例如是此頻譜之一峰值。根據此共振頻譜估算，此估算單元可以得到此液體的密度值，此液體之密度值係藉由比較此共振器之一參考共振頻率以及此共振頻率估算而得，參考共振頻率例如是此共振器使用於已知密度之空氣或液體中之共振頻率。考量溫度因素，更可以提供一溫度感測器，例如是一半導體或者是一鉑金電阻溫度計，以量測環繞於此共振器之液體溫度及/或此機械共振器本身之溫度。

第2圖係繪示依照本發明之此裝置的另一實施例示意圖。此裝置包括一機械振盪器(例如是音叉1)固定於一薄膜2，以及一驅動/接收單元(例如是一雙晶片壓電元件)包括接收之壓電元件3及發送之壓電元件4。接收之壓電元件3及發送之壓電元件4係連接至一電路，此電路包括一前置放大器5，一相位校正電路6，以及一最終放大器7，此前置放大器5之輸入端連接至此接收之壓電元件3，此最終放大器7輸出端連接至此發送之壓電元件4。在此實施例中，最終放大器7更可以連接至一比較器8，此比較器8可以形成輸出脈衝。此比較器8透過一計數重置脈衝形成器9連接至一計數器10且此比較器8連接至計數器之狀態寫入暫存器11。此計數器連接至高頻振盪器12的輸出端。此計數器之狀態寫入暫存器11的輸出端連接至量測單元13，量測單元13可根據寫入暫存器之輸出決定一振盪分佈。量測單元13更連接至一含有顯示單元15的計算單元14。此機械共振器更裝備有一溫度感測器16。第2圖繪示元件5-14之實施例並且說明如何實現依照本發明中此裝置之估算單元。

如第2圖所繪示之此裝置的示意圖中，一液體之密度量測，係由一振盪分佈之(統計)分析以執行，此振盪分佈可以例如是由監控歷史振盪週期而得。由於驅動/接收單元施加之驅動力使得機械共振器(音叉)振盪於一共振頻率F，例如是，藉由利用電路(元件5、6、7)控制此發送之壓電元件4。一般來說，此音叉共振器的頻率介於1200-5000 Hz的範圍內。結果，一週期為T=1/F之交流(AC)電壓(亦即，可用以決定一振盪分佈之此輸出訊號)產生於最終放大器7的輸出端。此週期取決於此共振器所浸入之介質的密度。依照本發明之此實施例，此共振器之振盪或振動可監控於某些週期下，藉以決定此些週期之各個週期長度(或者決定表示此長度的一個值)。依照如第2圖所繪之此實施例，各週期之長度可量測如以下之說明。高頻振盪器12可連續地產生一個高頻脈衝，此高頻脈衝例如是在16 MHz的頻率。計數重置脈衝形成器9在各量測之前重新設置計數器10至零態，此零態例如是在週期起始時的偵測(例如是當此共振器之一位移相等於一正中位置(neutral position)或者當輸出訊號(例如是代表此共振器之位移、或速度、或加速度)值為零或者是一預先決定值。計數器10在各週期計數所輸入之高頻脈衝數。在一計數重置脈衝發生前，由計數器所得的數據被寫進寫入暫存器11中(通常為一記憶單元)，例如是藉由從比較器8所得之一輸出脈衝。造成一個二進位數被寫進寫入暫存器11，且此二進位數正比於一振盪週期T。此暫存器中之內容紀錄於量測單元13以及計算單元14之儲存器中。接著反覆地重複此步驟並持續數個週期以產生一振盪分佈，如所描述之實施例中之一振盪週期分佈。

當數據累積時，微處理器可以產生一圖表(例如是此實施例所示之顯示於顯示單元15，表示所量測到此週期之長度的分佈以及因為一段時間內液體密度的變化)此圖表或圖表數據更可以被應用(例如是藉由計算單元14)以估算此液體之密度(此液體例如是一異質介質，例如是包括不互溶之成份，例如一油-水乳狀液、或含滯留氣體)。藉由例如是計算此週期長度之一平均值。此計算單元14可例如是應用一個或多個機率準則以決定一平均週期長度。值得注意的是此週期長度之計算值可認作如前述之共振頻率估計之倒數。利用一機率準則決定一值，此值用以表示量測時所觀察到的週期長度，因而可作為由此振盪分佈決定一共振頻率估計之一實施例。

當浸於一液體中之音叉(通常即機械共振器)受到驅動時，此音叉會振盪於一頻率，此頻率由此介質之此密度所決定。結果，具有相同頻率之一訊號可以產生於比較器8的輸出端。介於此訊號之兩前方(positive front)之間的距離可以例如是等於此週期之長度。如果液體為均勻介質，其密度為定值且其振盪週期(以及此週期之長度)係穩定的。在此情況中，一振盪分佈曲線將縮窄至一垂直線。其在時間軸(橫座標)的位置完全地決定此液體所欲求之密度而不需任何額外的估算。

當液體為異質介質的情況時，介質的密度可能不同，因此音叉可能置於一波動密度之液流中。因此，振盪週期(或者是此振盪週期的長度)開始變化於一特定範圍內，造成此振盪週期分佈的擴張。對於輕微地異質混合而近乎均勻之液體，例如是油-水混合物，其一典型的振盪分佈係繪示於第3a圖。第3a圖描繪於此輸出訊號中之振盪週期的發生或機率密度(D)，並表示為此振盪周期長度(T)之函數。此分佈曲線之最大值(T)決定在第一近似中之一平均液體密度。更進一步的統計分析可以更提高此結果的正確性，例如是藉由分析機率誤差、趨勢分析、或者甚至是可以估算出之此機械共振器的運作順序。

對於明顯的異質混合液體，例如是油-氣之混合物，一典型的振盪分佈係繪示於第3b圖。此分佈之最大值(T1、T2)的位置可用以決定其一為一液相，以及其一為氣體。區別出油的部分(週期較長者)後將可以估算出其密度。

以下將提出依照本發明之此裝置之一實施例：音叉共振器，叉子長為40毫米(mm)，其具有相同的直徑4毫米(mm)；雙晶片驅動一壓電元件，此元件之直徑為10 mm，厚度為0.2 mm；音叉材質─不鏽鋼；感測器之操作頻率─大約3 800 Hz.。

於此電路中使用一標準微晶片以及一微處理器。

如描述之此裝置被測試於不同液體中，尤其，在水、原油、溶劑、化學劑、液化之氣體，在此些受測之液體中觀察到此裝置之執行穩定且可靠。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而所揭露之實施例僅為本發明之實施範例，本發明可以有不同形式的實施方式。因此，於此所詳細揭露的特定結構或機能並非用以限定本發明，而僅為本發明之申請專利範圍的基礎，以及教導本發明所屬技術領域中具有通常知識者利用本發明的典型準則。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。此外，於此所使用的詞語或片語並非用以限定本發明，而是提供本發明一清楚易懂之說明。

於此所用之詞語“a”、“an”，係定義為一個或多於一個。於此所用之詞語“plurality”，係定義為兩個或多於兩個。於此所用之詞語“another”，係定義為至少一個第二或是更多。於此所用之詞語“including”及/或“having”，係定義為包括(亦即開放式語言，並無排除其他元件或步驟)。於申請專利範圍中之任何編號符號，不可推斷以限制本發明之申請專利範圍。事實上，某些方法列舉於彼此相互不同之申請專利範圍之獨立項，並不表示結合此些方法不會有比較好的優點。

於此所用之詞語“coupled”，係定義為連接，雖然未必直接，且未必為機械用語。

一個單一處理器或者其他單元可以實現列舉於申請專利範圍中的數個項目之功能。

1‧‧‧音叉

2‧‧‧薄膜

3‧‧‧接收之壓電元件

4‧‧‧發送之壓電元件

5‧‧‧前置放大器

6‧‧‧相位校正電路

7‧‧‧最終放大器

8‧‧‧比較器

9‧‧‧計數重置脈衝形成器

10‧‧‧計數器

11‧‧‧寫入暫存器

12‧‧‧高頻振盪器

13‧‧‧量測區塊

14‧‧‧計算單元

15‧‧‧顯示單元

16‧‧‧溫度感測器

100‧‧‧機械共振器

110‧‧‧驅動/接收單元

120‧‧‧估算單元

第1圖係繪示依照本發明之一裝置之一實施例的示意圖。

第2圖係繪示依照本發明之一裝置之另一實施例的示意圖。

第3a圖係繪示一第一異質液體之振盪分佈示意圖。

第3b圖係繪示一第二異質液體之振盪分佈示意圖。

1．．．音叉

2．．．薄膜

3．．．接收之壓電元件

4．．．發送之壓電元件

5．．．前置放大器

6．．．相位校正電路

7．．．最終放大器

8．．．比較器

9．．．計數重置脈衝形成器

10．．．計數器

11．．．寫入暫存器

12．．．高頻振盪器

13．．．量測區塊

14．．．計算單元

15．．．顯示單元

16．．．溫度感測器

Claims (17)

1. 一種裝置，用以檢測一液體之一密度，該裝置包括：一機械共振器；一驅動/接收單元，設置以提供一驅動力至該機械共振器、感測該機械共振器對該驅動力之一響應並提供表示該響應之一輸出訊號；以及一估算單元，用以基於該驅動/接收單元之該輸出訊號決定該機械共振器之一共振頻率，其特徵在於，該估算單元係設置以：由該輸出訊號決定一振盪分佈；由該振盪分佈決定一共振頻率估計；以及根據該共振頻率估計決定該液體之該密度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該估算單元包括一計算單元，用以：由該振盪分佈決定該共振頻率估計；以及根據該共振頻率估計決定該液體之該密度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該估算單元包括一量測單元，該量測單元可由該輸出訊號決定該振盪分佈。
4. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中該輸出訊號代表該共振器之該響應之一取樣。
5. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該計算單元係設置以應用一傅立葉轉換來根據該振盪分佈決定該共振頻率估計。
6. 如申請專利範圍第2或3項所述之裝置，其中該振盪分佈包括一振盪週期分佈，該振盪週期分佈由該輸出訊號所得。
7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中該振盪週期分佈包括具有複數個振盪週期值之一陣列，該些振盪週期值由該輸出訊號所得，藉由測定該輸出訊號之複數個相繼之振盪週期之一期間，並且儲存表示該期間之一值於該陣列中。
8. 如申請專利範圍第2到5項中任何一項所述之裝置，其中該計算單元更設置以決定一共振峰值，該共振峰值由該共振分佈所得。
9. 如申請專利範圍第2到5項中任何一項所述之裝置，其中該計算單元係設置以決定至少兩個共振峰值，此些共振峰值由該共振分佈利用多函數機率密度分佈曲線所得。
10. 如申請專利範圍第1到5項中任何一項所述之裝置，更包括一顯示器，用以顯示該振盪分佈。
11. 如申請專利範圍第2到5項中任何一項所述之裝置，其中該計算單元包括一微處理器，用以由該振盪分佈以決定該共振頻率估計，以及根據該共振頻率估計決定該液體之該密度。
12. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中：該機械共振器之該振盪週期係介於0.1到1.0毫秒(ms)的範圍內。
13. 如申請專利範圍第2到5項中任何一項所述之裝 置，其中：該計算單元係設置以決定該機械共振器之一振盪週期之一平均值。
14. 如申請專利範圍第1到5項中任何一項所述之裝置，更包括：一感測器，例如是一溫度感測器或一壓力感測器，用以量測該液體或該機械共振器之一特性。
15. 如申請專利範圍第1到5項中任何一項所述之裝置，其中該驅動/接收單元包括一電磁致動器或一壓電致動器，以提供該驅動力至該機械共振器。
16. 如申請專利範圍第1到5項中任何一項所述之裝置，其中該驅動/接收單元更包括一壓電感測器以偵測該機械共振器對於該驅動力之該響應。
17. 如申請專利範圍第1到5項中任何一項所述之裝置，其中該機械共振器包括一音叉、或一桿棒、或一T字形共振器，該共振器具有設置於該驅動/接收單元之一基底。