专利名称：密度计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种计量仪器，具体地说，是涉及一种密度计。
背景技术：
振动管式密度计是一种常用的密度计，主要应用于地面常温常压环境中，其基本 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流体样品，则其振动频率或振幅的变化便反映该流体样品的质量，而 样品的质量与其平均密度成正比，据此可以获得流体样品的密度。振动管式密度计以其结构简单、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计，主要受到温度、压力、材质以及工作模式等的制约，在高 温高压环境下应用受到较大限制，对于石油测井地层测试作业以及其他石油石化作业，难 以提取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。有鉴于此，有必要提出一种密度计，以在高温高压环境下进行流体密度的测量。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题，在于需要提供一种密度计，克服现有的密度计 难以在石油石化作业中完成流体密度测量的技术缺陷。为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种密度计，该密度计包括第一测量 管、第二测量管、驱动装置及判断电路，其中该第一测量管，包含第一端口和第二端口，容纳流体；该第二测量管，包含第一端口和第二端口，容纳流体；该驱动装置，驱动该第一测量管及第二测量管进行振动；在接收到该判断电路发 送的一谐振信号时计算该第一测量管和第二测量管的谐振频率，并根据该谐振频率计算流 体的密度；该判断电路，与该第一测量管、第二测量管及该驱动装置相连，在该第一测量管及 第二测量管达到谐振状态时向该驱动装置发送该谐振信号；其中，该第一测量管的第二端口与该第二测量管的第一端口联通，该第一测量管 的第一端口作为流体的入口，该第二测量管的第二端口作为流体的出口。其中，该密度计进一步包括安装座，固定安装该第一测量管和第二测量管；连接块，与该第一测量管和第二测量管固定连接，为该第一测量管和第二测量管 提供振动支点。其中，该第一测量管和第二测量管通过紧固螺母以锥度密封方式固定安装在该安 装座上。其中，该第一测量管的第一端口和第二端口，通过紧固螺母以锥度密封方式固定 安装在该安装座上；[0017]该第二测量管的第一端口和第二端口，通过紧固螺母以锥度密封方式固定安装在 该安装座上。其中，该第一测量管与第二测量管为悬臂梁式U型管，二者在发生振动时振幅相 等，振动方向相反。其中，该第一测量管与第二测量管为小频率温度系数合金材料制成。其中，该驱动装置包括第一励磁线圈、第二励磁线圈以及计算电路，其中该第一励磁线圈，为该第一测量管及第二测量管提供振动能量；该第二励磁线圈，检测该第一测量管及第二测量管的振动状态，两端的电势为正 弦波状态；计算电路，接收该谐振信号，测量该第二励磁线圈两端的正弦波频率，通过该正弦 波频率计算流体的密度。与现有技术相比，本实用新型可方便安装于电缆测井仪器上，可以用于石油石化 作业中进行流体密度的测量，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ο

图1为本实用新型密度计实施例的正面结构示意图；图2为本实用新型密度计实施例的侧面结构示意图；图3为图1及图2所示密度计实施例中驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型 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为本实用新型密度计实施例的正面结构示意图，图2为本实用新型密度计实 施例的侧面结构示意图。请同时参阅图1和图2，本实用新型密度计实施例主要包括第一测 量管10、第二测量管20、驱动装置30以及判断电路40，其中该第一测量管10，包含第一端口 11和第二端口 12，容纳有流体15 ；该第二测量管20，包含第一端口 21和第二端口 22，容纳有流体15 ；该驱动装置30，安装在该第一测量管10及第二测量管20的中间，驱动该第一测量 管10及第二测量管20进行振动，在接收到该判断电路40发送的谐振信号时计算该第一测 量管10和第二测量管20的谐振频率，根据谐振频率计算流体15的密度；该判断电路40，与该第一测量管10、第二测量管20及驱动装置30相连，判断该第 一测量管10及第二测量管20是否达到谐振状态，当判断出该第一测量管10及第二测量管 20达到谐振状态时向该驱动装置30发送该谐振信号；其中，该第一测量管10的第二端口 12与该第二测量管20的第一端口 21联通，该 第一测量管10的第一端口 11作为流体15的入口，该第二测量管20的第二端口 22作为流 体15的出口。当然，在实际应用中，该出口和入口也可以根据需要对调。该驱动装置30中包含第一励磁线圈、第二励磁线圈以及一计算电路，其中第一励磁线圈为第一测量管10及第二测量管20提供振动能量；[0037]第二励磁线圈检测第一测量管10及第二测量管20的振动状态，该第二励磁线圈 两端的电势为正弦波状态；计算电路，当该第一测量管10及第二测量管20到达谐振状态时，可以接收到判断 电路40发送的该谐振信号，此时，该第二励磁线圈两端的正弦波频率与谐振频率相等，通 过测量该正弦波频率即可计算出第一测量管10及第二测量管20内流体的密度。图1所示的密度计还可以包括一安装座50和一连接块60，其中安装座50，固定安装该第一测量管10和第二测量管20 ；连接块60，与该第一测量管10和第二测量管20固定连接，为该第一测量管10和 第二测量管20提供振动支点，使第一测量管10和第二测量管20不受外部安装应力影响。第一测量管10和第二测量管20，为两只悬臂梁式U型管，固定在该安装座50上， 两只U型管的四个端口(第一测量管10的第一端口 11和第二端口 12，以及第二测量管20 的第一端口 21和第二端口 22)通过紧固螺母80以锥度密封方式固定在安装座50上。第一 测量管10与第二测量管20为小频率温度系数合金材料制成，二者在发生振动时振幅相等， 振动方向相反，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
I=I O在该驱动装置30的驱动下，该第一测量管10及第二测量管20以相反方向作扰曲 振动，当该振动达到谐振态时，通过驱动装置30测量谐振频率，即可获得U型管内流体的密度。图1所示的该第一测量管10与第二测量管20为小频率温度系数合金材料制成， 该第一测量管10与该第二测量管20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。本实用新型的密度计，采用自激谐振式测量方法，将振动管(即第一测量管10和 第二测量管20)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，适用于石油石化作业(如石油测井地层测试作业等)等高温高压 环境下测量流体(油、气、水三相，及泥浆滤液)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 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 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Pi* 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K。，K1及K2,为刻度系数；T，为谐振周期。在本实用新型的密度计中，U型管的振动依靠驱动装置30实现，驱动装置30可以 选用典型的将电信号转换为机械力的装置。图3为图1及图2所示密度计实施例中驱动装置30的结构示意图。如图3所示， 驱动装置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，以及前述的第一励磁线圈33和第二励磁线圈34。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。本实用新型的密度计，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，其中的第一测量管10和第二测量管20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，而本实用新型密度计的谐振频率与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，保证了本实用新型密度计的测量准确度和精度。(2)井下流体压力一般都很高，在极端情况下，井下压力可能高达140Mpa，本实用 新型密度计中的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流体，本实用新型的密度计即是 对这些流体进行测量，本实用新型密度计中的U型管材料，保证了本实用新型密度计的抗 腐蚀能力。本实用新型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密度计，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密度计，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。本实用新型振动管式密度计与现有的密度计相比，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。虽然本实用新型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实用 新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技 术人员，在不脱离本实用新型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，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定 的范围为准。
权利要求一种密度计，其特征在于，包括第一测量管、第二测量管、驱动装置及判断电路，其中该第一测量管，包含第一端口和第二端口，容纳流体；该第二测量管，包含第一端口和第二端口，容纳流体；该驱动装置，驱动该第一测量管及第二测量管进行振动；在接收到该判断电路发送的一谐振信号时计算该第一测量管和第二测量管的谐振频率，并根据该谐振频率计算流体的密度；该判断电路，与该第一测量管、第二测量管及该驱动装置相连，在该第一测量管及第二测量管达到谐振状态时向该驱动装置发送该谐振信号；其中，该第一测量管的第二端口与该第二测量管的第一端口联通，该第一测量管的第一端口作为流体的入口，该第二测量管的第二端口作为流体的出口。
2.根据权利要求1所述的密度计，其特征在于，该密度计进一步包括 安装座，固定安装该第一测量管和第二测量管；连接块，与该第一测量管和第二测量管固定连接，为该第一测量管和第二测量管提供 振动支点。
3.如权利要求2所述的密度计，其特征在于该第一测量管和第二测量管通过紧固螺母以锥度密封方式固定安装在该安装座上。
4.如权利要求3所述的密度计，其特征在于该第一测量管的第一端口和第二端口，通过紧固螺母以锥度密封方式固定安装在该安 装座上；该第二测量管的第一端口和第二端口，通过紧固螺母以锥度密封方式固定安装在该安 装座上。
5.如权利要求1所述的密度计，其特征在于该第一测量管与第二测量管为悬臂梁式U型管，二者在发生振动时振幅相等，振动方 向相反。
6.如权利要求5所述的密度计，其特征在于该第一测量管与第二测量管为小频率温度系数合金材料制成。
7.如权利要求1所述的密度计，其特征在于，该驱动装置包括第一励磁线圈、第二励磁 线圈以及计算电路，其中该第一励磁线圈，为该第一测量管及第二测量管提供振动能量； 该第二励磁线圈，检测该第一测量管及第二测量管的振动状态，两端的电势为正弦波 状态；计算电路，接收该谐振信号，测量该第二励磁线圈两端的正弦波频率，通过该正弦波频 率计算流体的密度。
专利摘要本实用新型公开了一种密度计，克服现有的密度计难以在石油石化作业中完成流体密度测量的技术缺陷。密度计包括第一测量管，包含第一端口和第二端口，容纳流体；第二测量管，包含第一端口和第二端口，容纳流体；驱动装置，驱动第一测量管及第二测量管进行振动；在接收到判断电路发送的一谐振信号时计算第一测量管和第二测量管的谐振频率，并根据谐振频率计算流体的密度；判断电路，与第一测量管、第二测量管及驱动装置相连，在第一测量管及第二测量管达到谐振状态时向驱动装置发送谐振信号。本实用新型可用于石油石化作业中进行流体密度的测量，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。
文档编号G01N9/00GK201673102SQ201020190130
公开日2010年12月15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