专利名称：粘度测量仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于管道中流动流体的粘度计以及确定流体粘度的一种方法。
背景技术：
在检测及自动化技术中，管道中流动的流体，特别是液体，的粘度通常是利用这样的仪表确定的其使用振动传感器和与其相连的电子测量设备感应流体中的内部摩擦力并由此得出代表相应粘度的测量信号。
在例如美国专利4,524,610或者WO-A 95/16897中说明了这种粘度计，其包含-振动传感器--具有一基本直的流管，用于引导流体，所述流管与管道连接并在操作中振动，--具有一激励部件，用于振动流管，---振动的流管的中央轴基本保留其形状和空间位置，使得流管实际上不离开分配给它的静态平衡位置，和--具有一传感器装置，用于感应流管的振动并生成代表流管振动的至少一个传感器信号；和-电子测量设备，其发送--对于激励部件的激励电流，和--代表流体瞬时粘度的至少一个测量值，-该电子测量设备--利用至少一个传感器信号调节激励电流，以及--利用激励电流生成代表流体内瞬时摩擦的内部中间值，和
-该电子测量设备使用该内部中间值确定粘度值。
然而，尽管粘度和密度实际上保持恒定，尤其在实验室条件下，但是利用激励电流确定的粘度值可能表现相当大的误差，其总量有可能多达流体实际粘度的一百倍。
在美国专利4,524,610中，指出了这个问题的一个可能原因，即流体中的气泡可能在流管壁处被吸收。为了避免这个问题，建议安装传感器，使得直的流管处于基本垂直的位置，从而避免气泡的吸收。然而，这是一种非常特别的解决方案，仅在一定的条件下可以实现，尤其在工业过程测量技术中。一方面，传感器要插入的管道必须适配传感器，而不是传感器适配管道，这对于用户可能不可行。另一方面，流管可能也具有弯曲形状，使得修改安装的位置不能解决这个问题。即使使用垂直安装的直的流管，也不能充分减少粘度测量值的上述误差。流动的流体的粘度测量值中的变化也不能以此方式得到预防。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于流体的粘度计，其特别是在流体流动时，提供高精度且高鲁棒的粘度值，基本上一方面与流管的安装位置无关，另一方面与流管的振动尤其是振幅无关。
为达到这个目标，本发明的第一变型提供了用于管道中流动的流体的粘度计，所述粘度计包含-振动传感器--具有至少一个流管，用于引导流体并生成作用于流体中的摩擦力，这至少一个流管与管道相连并在运转中振动，并且--具有一激励部件，用于振动至少一个流管；和-电子测量设备，其发送--对于激励部件的激励电流，以及--代表流体的瞬时粘度的粘度值，-电子测量设备生成
--第一内部中间值，其相应于激励电流并代表作用于流体中的摩擦力，以及--第二内部中间值，其代表流体中的不均匀性，和-电子测量设备使用第一和第二内部中间值确定粘度值。
本发明的第二变型提供了用于管道中流动的流体的粘度计，所述粘度计包含-传感器，特别是弯曲型传感器，--具有至少一个流管，用于引导流体并生成作用于流体中的摩擦力，这至少一个流管与管道相连并在运转中振动，--具有一激励部件，用于振动至少一个流管，以及--具有传感器装置，用于感应流管的振动并至少生成代表所述振动的第一传感器信号；和-电子测量设备，其发送--对于激励部件的激励电流，以及--代表流体的瞬时粘度的粘度值，-电子测量设备--至少从第一传感器信号中得到用于调节激励电流的幅度控制信号，以及--至少利用第一传感器信号和幅度控制信号确定粘度值。
另外，本发明提供了确定管道中流体的粘度的方法，所述方法包含步骤-将激励电流供给与引导流体的流管机械连接的激励部件，用于导致流管的机械振动，特别是弯曲振动；-振动流管，以生成流体中的内部摩擦力；-感应流管的振动，以生成第一内部中间值，代表作用于流体中的摩擦力；-生成第一内部中间值的采样；-使用采样确定第二内部中间值，其代表流体中的非均匀性；和
-利用两个内部中间值，生成粘度测量值。
在本发明的粘度计的第一优选实施例中，电子测量设备利用激励电流确定第二内部中间值。
在本发明的粘度计的第二优选实施例中，用于生成作用于流体的摩擦力的流管至少部分以弯曲方式振动。
在本发明的粘度计的第三优选实施例中，为了生成测量的粘度值，电子测量设备至少利用第一传感器信号确定代表引起流体中的摩擦力的运动的速度值。
在本发明的粘度计的第四优选实施例中，电子测量设备利用幅度控制信号确定第一内部中间值，其相应于激励电流并代表作用于流体的摩擦力。
在本发明的粘度计的第五优选实施例中，为了生成粘度值，电子测量设备将第一内部中间值规则化为速度值。
在本发明的粘度计的第六优选实施例中，电子测量设备包括保存第一内部中间值的采样的易失性数据存储器，并利用该采样生成第二内部中间值。
在本发明的粘度计的第七优选实施例中，第二内部中间值是使用第一内部中间值的标准偏差生成的，该标准偏差是利用采样估算的。
在本发明的方法的第一优选实施例中，生成代表流管的振动的至少一个传感器信号，并且使用这至少一个传感器信号调节激励电流。
在本发明的方法的第二优选实施例中，代表引起作用于流体的摩擦力的运动的速度的速度值是使用传感器信号确定的，并且第一内部中间值被规则化为速度值。
本发明是认识到下面的情况而作出的供给传感器以保持流管振动并由此得到粘度值的激励功率有可能在不成比例的大部分中受到流体中非均匀性(诸如气泡或固体物质的夹带)的影响。本发明还认识到下面的情况激励功率还能够利用电子测量设备内部生成的调节信号或调节值，以非常简单的方式非常精确地确定，并且用于激励功率和实际流入的激励功率的调节信号本身对于鲁棒粘度测量都非常不精确，特别在流管振动的幅度以恒定值调整的情况下。
本发明的一个基本想法是，从激励功率得到内部测量值，尤其是与所涉及流体的类型无关，该内部测量值代表与粘度测量值有关的流体中的非均匀性并且是其对测量的粘度值的影响的量度。
本发明的另一个基本想法是，利用在电子测量设备内部生成的用于激励功率的调节信号或调节值以及利用由实际输入的激励功率保持的流管的振动，确定粘度值。这种对于激励功率的间接确定的优点是，无需为了确定粘度值而额外测量输入的激励功率。
本发明的另一个优点包含在以下事实中它也可以以商业上可行的例如科里奥利质量流量计-密度计实现，并且与各传感器中使用的流管的具体形状和数目充分无关，即在传感器的机械设计中没有任何基本改变。
结合附图阅读下面对于实施例的说明，将清楚地看出本发明及其其它优点，在附图中相似的部分以相似的参考符号标注；如果可以更清楚，则在后面的图中省略已经指派的参考符号。在附图中图1是用于生成粘度值的粘度计的透视图；
图2是适合图1的粘度计的电子测量设备的一个优选实施例的框图；图3是适合图1的粘度计的粘度传感器的一个实施例的部分剖面、第一透视图；图4是图3的传感器的第二透视图；图5显示了适合图3的传感器的机电激励的一个实施例；和图6是表示在用于确定粘度值的电子测量设备中实施的步骤的图表。
具体实施例方式
图1示意性地显示了具有振动传感器10和电子测量设备50的粘度计，其中振动传感器10优选地容纳在传感器箱100内，电子测量设备50容纳在电子设备箱200内，并且如图2所示，与传感器10电连接。粘度计特别地用于感应管道(未显示)中流动的流体的粘度η，并将这个粘度映射为代表该粘度η的粘度测量值Xη。利用由电子测量设备50驱动的传感器10，在其中的流体中生成摩擦力，该摩擦力与粘度η有关并且以可测的方式作用于传感器10，即该摩擦力可以使用传感器技术检测并被转换为有用的输入信号，用于后续的电子评估设备。
在粘度计被设计为连接至现场总线的优选情况中，优选的为可编程的电子测量设备50包括适当的通信接口用于数据通信，例如，用于测量数据传输至较高级存储的程序控制或较高级的过程控制系统。
图3和图4显示了形式为物理到电子的振动传感器部件的传感器10的实施例。这种传感器部件的结构在例如美国专利6,006,609中有所描述。这种传感器已经使用在商业上可行的科里奥利质量流量计-密度计中，例如申请人提供的“PROMASSI”系列。
为了引导要测量的流体，传感器10包括至少一个流管13，该流管13具有可预定的可弹性形变的腔管13A和可预定的额定直径，且具有入口端11和出口端12。这里使用的腔管13A的“弹性形变”意味着为了在流体中生成反作用力，即描述流体的力，即剪切或摩擦力，以及科里奥利力和/或质量惯性力，在实际操作中，在流管13的弹性范围内以可预定的循环(特别是周期性的)方式改变腔管13A的三维形状和/或空间位置；例如参见美国专利4,801,897、美国专利5,648,616、美国专利5,796,011和/或美国专利6,006,609。
关于这一点，应当注意，实际上本领域熟练技术人员所知的用于科里奥利流量计-密度计的任何传感器，特别是具有全部或至少部分以弯曲方式振动的弯曲或直流管的弯曲型传感器，可以代替根据图3和图4的实施例的传感器而用于实现本发明。可以用于传感器10的传感器装置的其它合适的实施方式在例如美国专利5,301,557、5,357,811、5,557,973、5,602,345、5,648,616或5,796,011中进行了说明，这些专利引入此处作为参考。
特别适合流管13(这里基本是直管)的材料是例如钛合金。通常用于这种流管(特别是弯曲管)的其它材料，诸如不锈钢或锆，也可以代替钛合金而使用。
在入口和出口端以通常的方式与引流管相连的流管13在刚性支撑框架14，特别是弯曲扭转的刚性框架，中被夹紧，使得其能够振动运动，支撑框架优选地由传感器箱100封闭。
支撑框架14通过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，这两块板由流管13的各自相应的延伸部分穿透。支撑框架14具有第一侧板24和第二侧板34，它们以这样的方式固定至入口板213和出口板223与流管13基本平行并保持间隔关系地延伸；参见图3。于是，两块侧板24、34的相对的侧表面也相互平行。
优选地，作为配重以吸收流管13的振动的纵向杆25以与流管13相间隔的关系固定于侧板24、34。如图4所示，纵向杆25与流管13的整个振荡长度基本平行地延伸；然而这不是强制的；当然，如果需要，纵向杆25也可以更短。
于是，具有两个侧板24、34、入口板213、出口板223和可选的纵向板25的支撑框架14具有重力的纵轴，其基本平行于连接入口端11和出口端12的中央流管轴13B。
在图3和图4中，所示的螺钉头表明，上述将侧板24、34到入口板213、到出口端223和纵向杆25的固定可以通过螺钉完成；也有可能使用本领域熟练技术人员所熟悉的其它合适的加固形式。
如果传感器10要暂时与管道相连，则流管13优选具有形成于其上的入口侧第一法兰19和出口侧第二法兰20，参见图1；例如所谓的Triclamp连接可以代替法兰19、20用于提供与管道的暂时连接，如图3所示。
然而，如果需要，流管13也可以与管道直接相连，例如通过焊接或钎接。
为了生成上述摩擦力，在传感器10的操作期间，令由连接至流管13的机电激励部件16激励的流管13以所谓的有效方式以可预定的频率(特别地，以也取决于流体的密度ρ的固有谐振频率)振动，从而流管以可预定的方式发生弹性形变。
在所示的实施例中，振动中的流管13，通常具有这样的弯曲型传感器部件，被从静态平衡位置在空间上特别是横向上偏转；对于围绕连接各自入口和出口端的相应纵向轴执行悬臂振动的一个或多个弯曲流管，或者对于仅围绕纵轴执行平面弯曲振动的一个或多个直流管，也是同样的。在传感器10是径向型传感器部件并且振动中的流管以所述的一般方式对称地变形的情况下，例如在WO-A 95/16897中，流管基本留在静态平衡位置。
激励部件16用于通过转换从电子测量设备50提供的激励功率Pexc，生成作用于流管13的激励力Fexc。激励功率Pexc基本上只用于补偿振动系统中由于机械和流体摩擦而造成的功率成分损失。为了得到尽可能高的效率，激励功率Pexc优选地被精确调节，使得有效方式中的流管13的振动(例如，以最低谐振频率的振动)得到保持。
为了将激励力Fexc传输至流管13，如图5所示，激励部件16具有刚性的、机电和/或电动驱动的杠杆装置15，其具有悬臂154和磁轭163，悬臂154刚性地固定至流管13。磁轭163刚性地固定至悬臂154远离流管13的一端，使得它位于流管13上方并且相对流管13横向延伸。悬臂154可以是例如金属盘，其接收孔中的流管13。对于杠杆装置15的更合适的实施例，参考上面提到的美国专利6,006,609。从图2可以清楚地看到，杠杆装置15(这里是T形装置)优选地在入口端11和出口端12之间近似中间的位置作用于流管13，使得在操作中，流管13将在中间展现其最大横向变形。
为了驱动杠杆装置15，如图5所示，激励部件16包含第一激励线圈26和由永磁材料制成的相关第一电枢27，以及第二激励线圈36和永磁材料制成的相关第二电枢37。两个激励线圈26和36优选地串连连接，在磁轭163下面的流管13的两侧上固定至支撑框架14，特别地是暂时地固定，从而在操作中各自与它们相关的电枢27和37互相作用。当然，如果需要，两个激励线圈26、36可以并联连接。
如图3和5所示，两个电枢27、37以这样的间距固定至磁轭163在传感器10的操作期间，电枢27基本被激励线圈26的磁场穿透，而电枢37基本被激励线圈36的磁场穿透，使得两个电枢可以由相应的电动和/或电磁力的作用而移动。
由激励线圈26、36的磁场生成的电枢27、37的运动由磁轭163和悬臂154传输至流管13。电枢27、37的这些运动使得磁轭163以侧板24的方向和侧板34的方向交替从其平衡位置偏移。杠杆装置15的旋转的相应轴平行于流管13的上述中央轴13B，可以例如经过悬臂154。
特别地，为了支持激励线圈26、36和下面说明的电磁制动器装置217的各个元件，支撑框架14还包含用于机电激励装置16的支架29。支架29与侧板24、34连接，优选地是暂时性的连接。
在本实施例的传感器10中，振动流管13的横向形变同时引起其腔管13A的弹性形变，其中振动流管13在入口端11和出口端12被牢固夹紧；这个弹性形变实际上在流管13的整个长度上延伸。
另外，由于经由杠杆装置15作用于流管13的转矩，在流管13中与横向形变同时在中央轴13B周围引起扭转，至少在管的部分中引起扭转，使得流管13以混合弯曲且扭转的方式振动，该形式用作有效方式。流管13的扭转可以是这样的悬臂154远离流管13的一端的横向位移的方向与流管13的横向形变的方向或者相同或者相反。换言之，流管13可以以第一弯曲及扭转方式执行扭转振动，对应于前一情况；或者以第二弯曲及扭转方式，对应于后一情况。在根据本实施例的传感器中，第二弯曲及扭转方式的固有谐振频率(例如，900Hz)约为第一弯曲及扭转方式的固有谐振频率的二倍。
在流管13仅以第二弯曲及扭转方式执行振动的优选情况中，激励部件最好基于涡流原理包含电磁制动器装置217，其用于稳定旋转轴的位置。利用电磁制动器装置217，可以保证流管13总是以第二弯曲及扭转方式振动，从而影响流管13的任何外部干扰都不会导致自然变化到另一弯曲及扭转方式，特别是第一弯曲及扭转方式。在例如美国专利6,006,609中具体说明了这种电子制动器装置；另外，从前面所述的“PROMASSI”系列的传感器可以知道这种电磁制动器装置的使用。
在这点上，应当提起，以根据第二弯曲及扭转方式的这种方式偏转的流管13中，中央轴13B被轻微变形，使得在振动期间，这个轴传播轻微弯曲的表面而不是平面。另外，位于这个表面中并且由流管的中央轴的中点画轮廓的路径曲线具有由这个中央轴画轮廓的所有路径曲线的最小曲率。
为了检测流管13的形变，传感器10包含具有至少一个第一传感器17的传感器装置60，其响应于流管13的振动提供第一(优选的是模拟)传感器信号s1。正如这种传感器所常见的，传感器17可以由例如固定至流管13并与支撑框架14支持的传感器线圈相互作用的永磁材料电枢形成。
特别适合传感器17的传感器类型是基于电动原理感应流管的形变速度的传感器。也有可能使用加速度测量电动或位移测量电阻或光学传感器，或者本领域熟练技术人员熟悉的适于检测这种振动的其它传感器。
在本发明的优选实施例中，传感器装置60还包括第二传感器18，特别是与第一传感器17相同的传感器，这个第二传感器18提供代表流管的振动的第二传感器信号s2。在这个实施例中，两个传感器17、18以给定的距离沿流管13放置，特别是距流管13的中间的距离相同，使得传感器装置60检测流管13的入口侧和出口侧振动，并分别提供相应的传感器信号s1和s2。第一传感器信号s1以及，如果存在的话，第二传感器信号s2通常各自都具有对应于流管13的瞬时振动频率的频率，它们被供给电子测量设备50，如图2所示。
为了振动流管13，从电子测量设备50提供激励部件16，其具有类似的振荡的、单极或双极的激励电流iexc，该激励电流iexc具有可调节的幅度和可调节的频率fexc，使得在操作中，激励线圈26、36被该电流往复通过，以生成移动电枢27、37所需的磁场。于是，振动流管13所需的激励力Fexc可以以本领域熟练技术人员所熟悉的方式，例如利用电流和/或电压调节电路监控并调节其幅度，或者利用锁相环监控并调节其频率。电子测量装置50得到的激励电流iexc优选地是正弦电流，但是也可以是例如脉动、三角、或方波交流电流。
通常在所描述的类型的粘度计中，激励电流iexc的频率fexc等于流管13的预定振动频率，并因此优选地被设置为运载流体的流管13的瞬时固有谐振频率。如上所述，本发明建议根据以下实施例的传感器10激励电流iexc应当流经两个激励线圈26、36，其频率fexc应当被选择为使得横向振荡的流管13，如果可能的话，只按照第二弯曲及扭转方式扭曲。
为了生成并调节激励电流iexc，电子测量设备50包含由频率控制信号yFM和幅度控制信号yAM控制的驱动器电路53，频率控制信号yFM代表要调节的激励频率fexc，幅度控制信号yAM代表要调节的激励电流iexc的幅度。驱动器电路可以利用以后面跟随压流转换器的压孔振荡器实现；例如数控数字振荡器可以代替模拟振荡器，用于调节激励电流iexc。
幅度控制信号yAM可以由电子测量设备50中包含的幅度控制电路51生成，该幅度控制电路51分别基于瞬时幅度和恒定或可变幅度参考值W1更新两个传感器信号s1、s2中至少一个以及幅度控制信号yAM；另外，激励电流iexc的瞬时幅度可以用于生成幅度控制信号yAM。这种幅度控制电路对于本领域熟练技术人员是熟悉的。作为这种幅度控制单元的一个例子，再次参考“PROMASSI”系列的科里奥利质量流量计。它们的幅度控制电路优选地被设计为流管13的横向振动保持为恒定幅度，即也不取决于密度ρ的幅度。
频率控制信号yFM可以由合适的频率控制电路52提供，该频率控制电路52基于例如至少传感器信号s1和代表要调节的频率的DC电压而更新频率控制信号yFM并用作频率参考值W2。
优选地，频率控制电路52和驱动器电路53互相连接，以形成锁相环，锁相环以本领域熟练技术人员所熟悉的方式，基于相位差使用，以保持频率控制信号yFM与流管13的瞬时谐振频率同相，其中相位差是在传感器信号s1、s2中至少一个和要调节的激励电流或测量的激励电流iexc之间测量的。这种以机械谐振频率之一驱动流管的锁相环的结构和使用在例如美国专利4,801,897中有详细说明。当然，也有可能使用本领域熟练技术人员所熟悉的其它频率控制环路，例如美国专利4,524,610或4,801,897中所说明的。另外，考虑到用于所述类型的传感器的这种频率控制环路的使用，参考前面提到的“PROMASSI”系列。
在本发明的另一优选实施例中，幅度控制电路51和频率控制电路52是利用数字信号处理器DSP和其中运行的程序代码实现的。程序代码可以例如存储在控制和/或监控信号处理器DSP的微计算机55的非易失性存储器EEPROM中，并且在信号处理器DSP启动时载入电子测量设备50的易失性数据存储器RAM，该RAM包含在例如信号处理器DSP中。适于这种应用的信号处理器是例如由TexasInstruments Inc销售的TMS320VC33类型。
毋庸置言，对于信号处理器DSP中的处理，传感器信号s1和，如果存在的话，传感器信号s2必须被利用合适的模拟数字传感器A/D转换为相应的数字信号；特别参见EP-A 866 319。如果必要，由信号处理器提供的控制信号，例如幅度控制信号yAM或频率控制信号yFM，必须以相应的方式从数字形式转换为模拟形式。
正如重复指出的，由于这种振动传感器部件除了引起流体摩擦力之外，还引起取决于质量流速的科里奥利力和取决于流体密度的质量惯性力，例如，根据本发明的优选发展，粘度计用作确定流体的粘度η和密度ρ以及质量流速m，特别是同时的，粘度计还用作提供相应的密度测量值Xρ和质量流速测量值Xm。这可以使用现有的科里奥利质量流量计-密度计中用于测量质量流速和/或密度的方法完成，特别是在前面提到的“PROMASSI”系列中的方法，这些方法对于本领域熟练技术人员是熟悉的，比较美国专利4,187,721、4,876,879、5,648,616、5,687,100、5,796,011或6,073,495。
为了生成粘度测量值Xn，电子测量设备50从供给激励部件16的激励功率Pexc中得到第一中间值X1，特别地为一数字值，其代表流体中振动阻尼摩擦力，其中激励功率Pexc特别用于以上述方式补偿流体中产生的内部摩擦；除实际注入的激励功率Pexc之外或者代替实际注入的激励功率Pexc，由电子测量设备50预确定并由例如驱动器电路50提供的幅度控制信号yAM和/或频率控制信号yFM代表的激励功率可以用作确定粘度值Xη和实际的中间值X1。
在本发明的一个优选实施例中，中间值X1是利用由电子测量设备50预定的激励电流和/或利用实际注入、测量的激励电流iexc确定的，特别是利用这种激励电流的幅度或移动平均数。在这种情况中，激励电流iexc用作抵消预振动的流管13的形变运动的整个阻尼力的一种量度标准。然而，当使用激励电流iexc用于确定中间值X1时，必须考虑以下事实前面提到的阻尼力一方面取决于流体内部由粘度决定的摩擦，另一方面取决于在例如激励部件16和振动的流管中的机械摩擦。
为了将有关流体粘度的信息与激励电流iexc分离，在电子测量设备50中将后者减少基本上与流体摩擦无关的无载电流的值，这个无载电流是在流管13清空或者至少没有充满液体的情况下测量的。通常长期静止的无载电流可以例如在粘度计的标定期间提前方便地确定，并以数字值的形式存储在电子测量设备50中，例如存储在非易失性存储器EEPROM中。
优选地，中间值X1也是通过简单地确定在一个或多个数字激励电流值之间的数值差而形成的，其中数字激励电流值代表例如激励电流iexc的瞬时幅度或瞬时平均值以及数字无载电流值。如果激励电流值代表激励电流iexc的幅度或平均值，则无载电流的幅度或相应平均值当然必须从中减去，以得到中间值X1。激励电流值可以例如通过在驱动器电路53的输出的简单电流测量而获得。然而，优选地，激励电流值以及中间值X1是使用幅度控制电路51提供的幅度控制信号yAM间接确定的，如图2示意性地示出的。这样的优点是无需额外测量电流，尤其无需额外测量电流所需的测量电路。
考虑以下关系η~iexc---(1)]]>这个关系在美国专利4,524,610中说明并且，按照该关系，至少处于恒定密度ρ的激励电流iexc与密度η的平方根非常好地一致，为了确定粘度值Xη，首先在电子测量设备50中形成从激励功率iexc中得来的中间值X1的平方。
结果，如果粘度值Xη仅是利用中间值X1确定的，则对于许多工业应用，尽管粘度和密度保持基本静止，它还是太不精确了。
在实验室条件下对于现象的研究已经显示，中间值X1不仅对吸收的气泡敏感，而且对于移动流体中的非均匀性最敏感。这种非均匀性可以是引入流体的气泡或者流体中夹带的固体物质的颗粒。即使移动流体中均匀性的轻微扰动都将导致粘度测量值Xη中可观的误差，这些误差大约多达流体的实际粘度η的一百倍。
通过评估在以预定方式分布的不同液体中执行测量期间记录的激励电流iexc的许多波形，发明者惊奇地发现，一方面激励电流iexc可以与基本不变的条件无关地随时间明显改变，例如在具有恒定密度和粘度并且具有基本恒定含量的夹带气泡的稳定流动的液体的情况。然而，另一方面，可以确认，以基本不可预定的方式变化(特别是其幅度，以及中间值X1)的激励电流iexc表现了与非均匀性的程度非常相关的经验性的标准偏差siexc或经验性的方差。
根据本发明，电子测量设备50从此得到第二内部中间值X2，其用作评估流体中非均匀性的影响，该影响在中间值X1的形成中没有被考虑，第二内部中间值X2用于确定为中间值X1加权的粘度值Xη。
中间值X2的使用是基于对以下情况的认识的一方面，仅当流体大部分为均匀的时，仅需中间值X1就可以提供足够精确的有关流体粘度η的信息，另一方面，如上所述，流体中的瞬时非均匀性可以基于注入的激励电流iexc的波形而基本与流体无关地非常精确地估算。
在本发明的另一优选实施例中，为了得到粘度值Xη，通过简单的数值除法，将中间值X1规则化为中间值X2，使得粘度值Xη为Xη=K1Xρ(X1X2)2---(2)]]>其中K1＝设备常数，特别取决于流管13的几何形状。
等式(2)的分母中的密度值Xρ仅考虑了以下事实实际上电流的平方提供了有关密度和粘度的乘积的信息，比较美国专利4,524,610。
另外，发明人惊奇地发现，在根据等式(2)确定粘度值时，内部中间值X2可以根据线性关系容易地确定
X2＝K2siexc+K3(3)其中，K2、K3＝由标定确定的常数，容易看出，它们分别对应直线的简单等式的斜率和截距，比较图6。
为了确定两个常数K2、K3，在对已知的两种标定流体以及，如果可能，不同但是保持不变的不均匀性恒定粘度的标定期间，对于各个激励电流都估算瞬时标准偏差，特别是对于其幅度，并形成各个粘度测量值与相应瞬时粘度的比值Xη/η。第一标定流体(下标I)可以是例如其中引入了气泡的流动水，对于第二标定流体(下标II)，可以使用尽可能均匀的水。
对于根据等式(2)确定粘度的上述情况，可以如下计算两个常数K2、K3K2=Xη,IηI-Xη,IIηIIsiexc,I-siexc,II---(4)]]>K3=Xη,IηI-K2siexc,I]]>各个经验标准偏差siexc优选地根据如下已知的函数，利用例如以数字形式存储在非易失性数据存储器RAM中的中间值X1的采样AF计算siexc=(1m-1Σj=1m(X1,j-1mΣj=1mX1,j)2)---(5)]]>如果必要，用于确定标准偏差的采样AF也可以是激励电流iexc的幅度特性的相应存储的采样序列，即，激励电流iexc的一段数字化的包络。
研究显示，为了足够精确地估算标准偏差siexc，需要相对小尺寸的采样m(例如，约为100至1000倍中间值X1)，同时各个中间值X1必须仅在大约1至2秒的非常狭窄的窗口中被采样。因此，大约几千赫兹的相对较低的采样频率就足够了，例如大约1至5kHz。
中间值X2可以用于发信号通知流体非均匀性的程度，或者由此得到的测量值，诸如流体中所含空气的百分比或者流体中夹带的固体物质颗粒的体积或质量容量，发信号的方式可以例如是在线的或者以可视方式在遥控室中进行。
根据等式(2)确定的粘度值Xη代表对于流体的动态粘度的良好估算，众所周知，其还可以作为流体的运动粘度和密度ρ的乘积而得到。如果粘度值Xη用作运动粘度的估算，则必须在密度值Xρ输出之前执行对它的适当规则化，例如通过简单的数值除法。为此，等式(2)可以修改为如下形式Xη=K1(X1XρX2)2---(6)]]>还发现，对于具有这种弯曲型传感器的粘度计，特别是如果振幅保持为恒定值，则激励电流iexc与运动的速度θ的比值iexc/θ是抵消流管13的形变的上述阻尼的更精确估算，其中所述的运动引起内部摩擦并引起流体中的摩擦力，它的速度是可以直接测量的。于是，为了进一步增加粘度值Xη的精确度，特别是减少其对于流管13的变化振幅的敏感，在本发明的另一优选实施例中，中间值X1首先被规则化为速度值Xθ。另一方面，被规则化的中间值X1*是根据下面的规则形成的X1*=X1Xθ---(7)]]>特别是如果弯曲型传感器部件用于传感器10，则引起流体中的内部摩擦的运动与利用传感器17或者利用传感器17和18的检测到的振动的流管13的运动紧密相关，基于以上认识，速度值Xθ优选地可以利用电子测量设备50，例如利用内部幅度测量电路55，从至少一个传感器信号s1得到，其中如果需要，s1已经被数字化。至少一个传感器信号s1的使用不仅具有如上所述的优点，即实际上在现有的科里奥利质量流量计的传感器部件的机械设计中不需要基本的变化，而且还具有可能使用基本没有改变的传感器部件的各个传感器配置的优点。
使用经过规则化的中间值X1*，可以由等式(8)确定粘度值Xη=K1KfXρ(X1*X2)2---(8)]]>引入等式(8)的相关因子Kf用于以振动的流管13的瞬时振动频率对密度值Xρ加权。
在这点上，应当再次指出，传感器信号s1优选地与振动的流管13的偏转运动，特别是横向上，的速度成比例；传感器信号s1也可以与作用于振动的流管13的加速度或者振动的流管13的位移成比例。如果传感器信号s1与上面感应的速度成比例，则相关因子Kf将对应于振动的流管13的振动频率，而在传感器信号s1与位移成比例的情况中，相关因子Kf将等于振动频率的立方。
上面提到的用于生成由等式(1)至(8)代表的粘度值Xη的函数至少部分在电子测量设备50的评估阶段54中实现，该评估阶段54优选地通过信号处理器DSP实现，如图所示，或者例如利用微处理器55实现。
对应于上述功能或者对幅度控制电路51或频率控制电路52的操作以及将它们翻译为这种信号处理器中可执行的程序代码进行仿真的合适的算法的创建和实施为本领域熟练技术人员所熟悉，因此无需详细解释。当然，前面提到的等式也可以利用电子测量设备50中合适的模拟和/或数字离散计算电路而整体或部分代表。
根据本发明的粘度计还具有这样的优点由于其提供的粘度值Xη对于流体中的非均匀性不敏感，所以它也表现出对于质量流速或密度的变化的较低的交叉敏感性。
权利要求
1.一种用于管道中流动的流体的粘度计，所述粘度计包含-振动传感器(10)--具有至少一个流管(13)，用于引导流体并生成作用于流体中的摩擦力，所述至少一个流管(13)与管道相连并在运转中振动，并且--具有一激励部件(16)，用于振动所述至少一个流管(13)；和-电子测量设备(50)，其发送--对于激励部件(16)的激励电流(iexc)，以及--代表流体的瞬时粘度的粘度值(Xη)，-电子测量设备(50)生成--第一内部中间值(X1)，其相应于激励电流(iexc)并代表作用于流体中的摩擦力，以及--第二内部中间值(X2)，其代表流体中的不均匀性，和-电子测量设备(50)使用第一和第二内部中间值(X1，X2)确定粘度值。
2.如权利要求1所述的粘度计，其中传感器(10)包括一传感器装置(60)，用于感应流管(13)的振动并用于至少生成代表所述振动的第一传感器信号(s1)。
3.如权利要求2所述的粘度计，其中电子测量设备(50)利用至少第一传感器信号(s1)调节激励电流(iexc)。
4.如权利要求2或3所述的粘度计，其中电子测量设备(50)利用用于调节激励电流(iexc)的幅度控制信号(yAM)确定第一内部中间值(X1)。
5.一种用于管道中流动的流体的粘度计，所述粘度计包含-传感器(10)，特别是弯曲型传感器，--具有至少一个流管(13)，用于引导流体并生成作用于流体中的摩擦力，所述至少一个流管(13)与管道相连并在运转中振动，--具有一激励部件(16)，用于振动所述至少一个流管(13)，以及--具有传感器装置(60)，用于感应流管(13)的振动并生成代表所述振动的至少第一传感器信号(s1)；和-电子测量设备(50)，其发送--对于激励部件(16)的激励电流(iexc)，以及--代表流体的瞬时粘度的粘度值(Xη)，-电子测量设备(50)--至少从第一传感器信号(s1)中得到用于调节激励电流(iexc)的振幅控制信号(yAM)，以及--至少利用第一传感器信号(s1)和幅度控制信号(yAM)确定粘度值(Xη)。
6.如权利要求2至5中任一条所述的粘度计，其中，为了生成粘度值(Xη)，电子测量设备(50)利用至少第一传感器信号(s1)确定代表引起流体中的摩擦力的速度值(Xθ)。
7.如权利要求5或6所述的粘度计，其中，为了生成粘度值(Xη)，电子测量设备(50)利用幅度控制信号(yAM)确定对应于激励电流(iexc)并代表引起流体中的摩擦力的第一内部中间值(X1)。
8.如权利要求6或7所述的粘度计，其中，为了生成粘度值(Xη)，电子测量设备(50)将第一内部中间值(X1)规则化为速度值(Xθ)。
9.如权利要求7或8所述的粘度计，其中电子测量设备(50)-生成代表流体中的非均匀性的第二内部中间值(X2)，和-使用第一和第二内部中间值(X1，X2)确定粘度值(Xη)。
10.如权利要求1至9中任一条所述的粘度计，其中，为了生成作用于流体中的摩擦力，流管(13)至少部分以弯曲方式振动。
11.如权利要求1至4或8至10中任一条所述的粘度计，其中电子测量设备(50)利用激励电流(iexc)确定第二内部中间值(X2)。
12.如权利要求1至4或8至10中任一条所述的粘度计-其中电子测量设备(50)包括易失性数据存储器(RAM)，其保持第一内部中间值(X1)的采样(AF)，和-其中电子测量设备(50)利用采样(AF)生成第二内部中间值(X2)。
13.如权利要求12所述的粘度计，其中第二内部中间值(X2)是使用利用采样(AF)估算的第一内部中间值(X1)的标准偏差(siexc)生成的。
14.一种确定管道中流动的流体的粘度的方法，所述方法包含步骤-将激励电流(iexc)供给与引导流体的流管(13)机械连接的激励部件，用于引起流管(13)的机械振动，特别是弯曲振动；-振动流管(13)，以生成流体中的内部摩擦力；-感应流管(13)的振动，以生成第一内部中间值，其代表作用于流体中的摩擦力；-生成第一内部中间值(X1)的采样(AF)；-使用采样(AF)确定第二内部中间值(X2)，其代表流体中的非均匀性；和-利用两个内部中间值(X1，X2)，生成代表流体粘度的粘度测量值(Xη)。
15.如权利要求14所述的方法，还包括步骤-生成代表流管(13)的振动的至少一个传感器信号(s1)，以及-使用至少一个传感器信号(s1)调节激励电流(iexc)。
16.如权利要求15所述的方法，还包括步骤-使用传感器信号(s1)确定代表引起作用于流体中的摩擦力的运动的速度的速度值(Xθ)，-将第一内部中间值(X1)规则化为速度值(Xθ)。
全文摘要
粘度计提供代表在与其相连的管道中流动的流体的粘度的粘度值(X
文档编号G01N11/14GK1547663SQ02816604
公开日2004年11月17日 申请日期2002年8月17日 优先权日2001年8月24日
发明者沃尔夫冈·德拉姆, 阿尔弗雷德·里德, 沃尔夫冈 德拉姆, 雷德 里德 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司