专利名称：一种流体密度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，具体地说，是涉及一种流体密度传感器。
背景技术：
在石油测井地层测试作业以及其他石油石化作业中，需要在高温高压环境下测量所抽取流体(油、气、水三相，及泥浆滤液)的密度。振动管式密度传感器是一种常用的密度传感器，但是直到目前为止，振动管式密 度传感器仅应用于地面常温常压环境中，尚无应用于高温高压工作环境的先例。振动管式密度传感器的基本工作原理，是物体受激而发生振动时，其振动频率或 振幅与物体本身的质量有关。如果在物体内充以一定体积的液体样品，则其振动频率或振 幅的变化便反映该液体样品的质量，而样品的质量与其平均密度成正比。振动管式密度传 感器以其结构简单、测量精度高、可测量密度范围广等优点得到广泛应用。但是典型的振动 管式密度传感器，主要受到温度、压力、材质、工作模式等的制约，在高温高压环境下应用受 到较大限制。有鉴于此，有必要提出一种流体密度传感器，以在高温高压环境下进行流体密度 的测量。

发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于需要提供一种流体密度传感器，以在高温高压 环境下进行流体密度的测量。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种流体密度传感器，用于测量高温高压 环境下的流体密度，该密度传感器包括基座；第一 U型管及第二 U型管，固定在所述基座上，各包含两个端口，各通过一个端口 在所述基座中联通，各自的另一端口分别作为所述流体的出口和入口 ；支撑块，为所述第一 U型管及第二 U型管提供振动支点； 激振装置，安装在所述第一 U型管及第二 U型管的中间，用于驱动所述第一 U型管 及第二 U型管振动；密度测量电路，与所述激振装置相连，所述第一 U型管及第二 U型管达到谐振状 态，根据所述激振装置测量谐振频率，根据所述谐振频率获得所述流体的密度。优选地，所述第一 U型管与所述第二 U型管，为悬臂梁式U型管。所述第一 U型管 与所述第二 U型管，在发生自激振动时振幅相等，振动方向相反，其振动频率不受外界振动 干扰。优选地，所述第一 U型管与所述第二 U型管，为小频率温度系数合金材料制成。优选地，所述第一 U型管及第二 U型管，通过紧固螺母以锥度密封方式固定在所述
基座上。
优选地，所述激振装置，位于所述第一 U型管及第二 U型管的U型部分及所述支撑 块之间。优选地，所述激振装置，包含有用于为所述第一 U型管及第二 U型管提供振动的激 振线圈，以及用于检测所述第一 U型管及第二 U型管振动状态的检测线圈；所述密度测量电路，与所述激振线圈的两个引出端及检测线圈的两个引出端相连；所述第一 U型管及第二 U型管达到谐振状态时，所述检测线圈两端的电势为正弦 波，所述正弦波的频率等于所述谐振频率。优选地，所述流体，包括石油、天然气、水以及泥浆滤液中的至少一种或几种的组
I=I O与现有技术相比，本发明可方便安装于地层测试仪等电缆测井仪器上，适用于石 油井下等高温高压恶劣环境，具有测量精度高，测量范围广，结构简单，安装、更换方便等优 点，可应用于地层测试作业中。


图1为本发明U型管振动式密度传感器实施例的正面结构示意图；图2为本发明U型管振动式密度传感器实施例的侧面结构示意图；图3为图1及图2所示传感器实施例中激振装置的结构示意图。
具体实施例方式以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。图1为本发明U型管振动式密度传感器实施例的正面结构示意图，图2为本发明 U型管振动式密度传感器实施例的侧面结构示意图。请同时参阅图1和图2，本发明密度传 感器实施例主要包括基座(图中未示出)、第一 U型管11、第二 U型管12、紧固螺母25、支 撑块28、激振装置30以及密度测量电路(图中未示出)，其中第一 U型管11和第二 U型管12，为两只悬臂梁式U型管，固定在该基座上，两只U 型管的四个端口(C端)通过紧固螺母25以锥度密封方式固定在基座上，两只U型管各通 过一个端口在基座中相互联通，另外两个端口分别作为流体的出口和入口 ；其中的流体，可 以是石油、天然气、水以及泥浆滤液中的至少一种或几种的组合；支撑块28，为该第一 U型管11及第二 U型管12提供振动支点，使两只U型管不受 外部安装应力影响；激振装置30，包含有两个励磁线圈，安装在该第一 U型管11及第二 U型管12的中 间，位于两只U型管U型部分与支撑块28提供的振动支点之间，用于驱动该第一 U型管11 及第二 U型管12振动；密度测量电路，通过导线与该激振装置30中两个励磁线圈的共四个引出端相连 (每个励磁线圈各有两个引出端)；激振装置30中的两个励磁线圈，其中一个为用于为第一 U型管11及第二 U型管 12提供振动的激振线圈，另一个为用于检测第一 U型管11及第二 U型管12振动状态的检测线圈，当第一 U型管11及第二 U型管12达到谐振状态时，该检测线圈两端的电势为正弦 波状态，且该正弦波的频率与谐振频率相等，通过测量该正弦波频率即可计算出U型管内 流体的密度。在该激振装置30的驱动下，该第一 U型管11及第二 U型管12以相反方向作扰曲 振动，当该振动达到谐振态时，通过密度测量电路测量谐振频率，即可获得U型管内流体的
也/又。该第一 U型管11与该第二 U型管12在发生自激振动时振幅相等，振动方向相反， 其振动频率不受外界振动干扰。本发明的密度传感器，采用自激谐振式测量方法，将振动管(即第一 U型管11和 第二 U型管12)作为振子，依靠反馈环路维持振动管的谐振态，测量振动管的谐振频率获得 振动管内介质的密度。若忽略单U型振动管顶端弯曲影响，可以将U型管近似为直管。依据弹性力学理 论，当直管的形状和材料固定时，在直管在振动时的固有振动周期与系统质量存在式(1) 所述的关系<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
其中Tn是物体振动的η阶固有周期；K是仪器常数，与振动管的形状和材料有关；Mt是振动管的质量；Pf是管内流体的密度；Vf是管内流体的体积，P fVf即是管内流体质量。由式(1)整理可得<formula>formula see original document page 5</formula>其中ρ i为流经振动管内流体的密度。在振动力学理论中，物体振动的自由衰减振动周期与固有振动周期近似相等，因 此式(2)可以这样理解，在振动管形状和材料一定情况下，流经振动管内流体的密度P i和 振动管自由衰减振动周期只成二次函数关系。实际应用过程中，一般采用式(3)计算振动 管内流体密度ρ i = K2T2+KJ+K0(3)其中KQ，K1及K2,为刻度系数；T，为谐振周期。在本发明的密度传感器中，U型管的振动依靠激振装置实现，激振装置是一种典型 的将电信号转换为机械力的装置。图3为图1及图2所示传感器实施例中激振装置30的结构示意图。如图3所示， 激振装置30包括反向安装的第一电磁线圈31和第二电磁线圈32，与第一电磁线圈31耦合的第一永磁体磁芯35，与第二电磁线圈32耦合的第二永磁体磁芯36，驱动第一电磁线圈31和第二电磁线圈32的驱动电路39，以及前述的激振线圈ULl和检测线圈UL2。需要注意的是，U型管机械振动的幅度不可超过U型管安全允许范围，否则U型管 易损坏。因此，放大器的放大倍数及驱动能力应根据实际使用而有所限制。当然，第一电磁线圈31和第二电磁线圈32的匝数，线圈所用漆包线的直径和温度 性能，永磁体磁芯材料及参数，以及它们之间的几何尺寸对于U型管的正常起振都是至关 重要的。驱动电路39为适合高温高压环境使用，所选器件均为高温器件，可工作于175°C环 境之中。本发明的密度传感器，由于需要适应井下等高温高压的苛刻环境，因此其组成部 分应该适应井下等特殊的应用条件，其中的第一 U型管11和第二 U型管12选用小频率温 度系数合金材料制成。该合金材料具有较小的温度弹性系数，较高的机械品质因素，良好的 波速一致性，较高的强度和弹性模量，较小的弹性后效和滞后性能，线膨胀系数低，加工性 能较好以及耐腐蚀等优良性能。以下就U型管的温度弹性系数(ThermoElastic Coefficient, TEC)、耐压以及抗 腐蚀性能做更进一步的说明，以苛刻的井下应用环境为例(1)在温度变化剧烈的条件下，U型管的弹性基本保持恒定。由于井温在零下到 177°C之间变化，而本发明密度传感器的谐振频率与U型管的弹性模量的1/2成正比关系， U型管的TEC值近似为零，保证了本发明密度传感器的测量准确度和精度。(2)井下液体压力一般都很高，在极端情况下，井下压力可能高达140Mpa，本发明 密度传感器中的U型管材料，具有良好的机械力学性能和尺寸规格，保证了在高压环境下 的工作性能。(3)井下的钻井液、地层流体等都是腐蚀性很强的液体，本发明的密度传感器即是 对这些流体进行测量，本发明密度传感器中的U型管材料，保证了本发明密度传感器的抗 腐蚀能力。本发明提出的一种可在高温高压环境中测量地层流体密度的振动管式传感器，可 方便安装于地层测试仪等电缆测井仪器上，通过驱动及测量电路完成石油井下高温高压恶 劣环境中流体密度的高精度测量。目前高温高压环境中常用的流体密度传感器，主要有压差密度计和放射性密度计 两种，前者测量精度受流体速度等的影响，后者测量精度主要受统计起伏误差的影响，并且 在施工中要操作放射源，对人体和环境易造成伤害。本发明振动管式密度传感器与现有的流体密度传感器相比，测量精度更高，测量 范围更广，结构也更加简单，安装、更换等更加方便。从大量合金材料中筛选出的振动管材 料，具有小的温度弹性系数、高的机械品质因素、良好的波速一致性、较高的强度和弹性模 量、较小的弹性后效和滞后、线膨胀系数低、加工性能好、较好的耐腐蚀性等。适用于高温高 压环境下的高温驱动系统，将电能转换为机械能驱动双U型管以谐振频率产生振动，并在 一定密度范围的流体流经振动管内部时仍维持管的振动。另外，驱动电路产生自激振荡并 与振动管驱动系统构成负反馈的驱动及测量电路，使驱动系统能够维持在谐振状态，通过 测量谐振周期计算流体密度。虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化， 但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
一种流体密度传感器，用于测量高温高压环境下的流体密度，其特征在于，包括基座；第一U型管及第二U型管，固定在所述基座上，各包含两个端口，各通过一个端口在所述基座中联通，各自的另一端口分别作为所述流体的出口和入口；支撑块，为所述第一U型管及第二U型管提供振动支点；激振装置，安装在所述第一U型管及第二U型管的中间，用于驱动所述第一U型管及第二U型管振动；密度测量电路，与所述激振装置相连，所述第一U型管及第二U型管达到谐振状态，根据所述激振装置测量谐振频率，根据所述谐振频率获得所述流体的密度。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述第一 U型管与所述第二 U型管，为悬臂梁式U型管，二者在发生自激振动时振幅相 等，振动方向相反。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述第一 U型管与所述第二 U型管，为小频率温度系数合金材料制成。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述第一 U型管及第二 U型管，通过紧固螺母以锥度密封方式固定在所述基座上。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述激振装置，位于所述第一 U型管及第二 U型管的U型部分及所述支撑块之间。
6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述激振装置，包含有用于为所述第一 U型管及第二U型管提供振动的激振线圈，以及 用于检测所述第一 U型管及第二 U型管振动状态的检测线圈；所述密度测量电路，与所述激振线圈的两个引出端及检测线圈的两个引出端相连；所述第一 U型管及第二 U型管达到谐振状态时，所述检测线圈两端的电势为正弦波，所 述正弦波的频率等于所述谐振频率。
7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述流体，包括石油、天然气、水以及泥浆滤液中的至少一种或几种的组合。
全文摘要
本发明公开了一种流体密度传感器，在于需要提供一种流体密度传感器，以在高温高压环境下进行流体密度的测量。该密度传感器包括基座；第一U型管及第二U型管，固定在基座上，各包含两个端口，各通过一个端口在基座中联通，各自的另一端口分别作为流体的出口和入口；支撑块，为第一U型管及第二U型管提供振动支点；激振装置，安装在第一U型管及第二U型管的中间，用于驱动第一U型管及第二U型管振动；密度测量电路，与激振装置相连，第一U型管及第二U型管达到谐振状态，根据激振装置测量谐振频率，根据谐振频率获得流体的密度。与现有技术相比，本发明可方便安装于地层测试仪等电缆测井仪器上，可应用于地层测试作业中。
文档编号G01N9/00GK101825549SQ20101017395
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者余强, 孙洪义, 尤国平, 庞希顺 申请人:中国海洋石油总公司;中海油田服务股份有限公司