CN100419390C

CN100419390C - 振动型测量变送器

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Publication number: CN100419390C
Application number: CNB2004800343557A
Authority: CN
Inventors: 阿尔佛雷德·里德; 沃尔夫冈·德哈穆
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: EP1685369A1; EP1685369B1; CN1918456A; WO2005050144A1; DK1685369T3; US7509879B2; US20070277624A1; DE10354373A1

Abstract

本发明涉及一种测量变送器，其包括至少一条具有入口端和出口端并且至少间歇振动的测量管(1)，为了使待测流体能够流经测量管，该测量管经由通入入口端的第一管段(11)和通入出口端的第二管段(12)与相连的管道连通。为了可振荡地支持测量管(1)，测量变送器还包括支架元件(2)，其拥有具有通道开口的第一端件(21)用于固定第一管段(11)以及具有通道开口的第二端件(22)用于固定第二管段(12)。两个管段(11、12)中的每一个都延伸穿过其各自的通道开口，并且两个通道开口中的每一个的内径都大于与其关联的管段的外径，从而在管段和端件之间形成中间空间。测量变速器还包括至少一个特别地是金属的弹簧体(31)，其被推到两个管段之一上。弹簧体(31)至少部分填充在管段和端件之间形成的中间空间，其中弹簧体这样设置在中间空间中，使得它至少分段地接触关联的管段以及关联的端件，从而它至少分段地受到径向作用的变形力。作为由此造成的弹性形变的结果，弹簧体被压向关联管段及关联端件，从而该管段被牢固地锁定在相关联通道开口中。

Description

振动型测量变送器

技术领域

本发明涉及一种振动型测量变送器。特别地，本发明涉及这种振动型测量变送器例如基于科里奥利原理工作的质量流量计的测量管在用于可振荡支持测量管的支架元件中的固定。

背景技术

为了测量或检测管道中流动的介质的过程变量，特别是为了检测流体的流动动态的测量变量，在测量及自动化技术中使用基于多种物理原理工作的内嵌测量仪表。为了检测特定的过程变量，例如流体的质量流量、密度和/或粘度，内嵌的测量仪表具有相应的通常是物理-电子的测量变送器，其插入管道传输的介质中并且用于产生至少一个测量信号，特别是电子测量信号，其尽可能精确地代表最初检测的过程变量。在这种情况中，测量变送器例如通过法兰而与管道相连，严密地防止介质泄漏，特别是压密的并且往往还是持久耐用的。

为了操作测量变送器，特别是为了至少一个测量信号的进一步处理或分析，将该测量变送器附加安装到相应的测量仪表电子装置上。在所述类型的内嵌测量仪表的情况中，测量仪表电子装置通常经由附着的数据传输系统与其它内嵌测量仪表和/或合适的过程控制计算机相连，并经由例如(4mA～20mA)电流回路和/或数字数据总线将测量信号传递至它们。在这种情况中通常用作数据传输系统的特别是串联现场总线系统，例如PROFIBUS-PA、FOUNDATION FIELDBUS以及相应的传输协议。

利用过程控制计算机，传输的测量值信号可以被进一步处理并作为相应的测量结果在例如监视器上可视化并且/或者它们可以被转换为控制信号，用于过程执行机构，例如电磁阀、电动机等。为了容纳测量仪表电子装置，这种内嵌测量仪表还包括电子装置外壳，其例如在WO-A 00/36379中所公开的，可以远离测量变送器设置并与其仅通过软管相连，或者如例如在EP-A 1296128或WO-A 02/099363中所显示的，直接设置在测量变送器上，特别的是为容纳测量变送器的测量变送器外壳。

为了测量特别是流动介质的质量流量、密度和/或粘度，早已建立了这样的内嵌测量仪表，其具有插入引导待测流体的管道中的振动型测量变送器。这种内嵌测量仪表或测量变送器的机械结构或者产生相应测量信号的测量及分析过程例如在以下文献中有所记载：EP-A 189230、EP-A 527176、EP-A 1154243、EP-A 1158289、EP-A 1223412、EP-A 1296128、US-A 4524610、US-A 4768384、US-A 4801897、US-A 4823614、US-A 5231884、US-A 5359881、US-A 5602345、US-A 5661232、US-A 5687100、US-A 6006609、US-B 6327915、US-B 6343517、US-B 6354154、US-B 6487917、US-B 6513393、US-B 6634241、US-A 2003/0154804、US-A 2003/0097881、US-A2003/0097884、WO-A 8802476、WO-A 95/16897、WO-A 01/02813、WO-A 01/02816、WO-A 02/099363、WO-A 03/048693。特别地，在US-B6634241、US-B 6487917、US-B 6354154、US-B 6343517、US-B 6327915中，振动型测量变送器，特别是科里奥利质量流量变送器包括：

-至少一个测量管，用于传送待测流体，该测量管具有入口端和出口端并且至少间歇振动；

--其中为了让流体能够流经测量管，测量管通过通入入口端的第一管段和通入出口端的第二管段与相连的管道连通，并且

--其中测量管在操作期间围绕连接两个管段的虚拟振荡轴机械振荡；和

-金属制成的坚固的支架元件，用于可振荡地支持测量管，其拥有

--具有通道开口的第一端件，用于固定第一管段，和

--具有通道开口的第二端件，用于固定第二管段，

-其中两个管段的每一个都延伸穿过其各自的通道开口，并且两个通道开口中的每一个的内径都大于与其关联的管段的外径，从而在管段和端件之间形成中间空间。

另外，所述类型的测量变送器包括激励机构，其与相应的测量仪表电子装置电连接并用于驱动至少一个测量管。激励机构包括机械作用于测量管的振荡激励器，特别是电动或电机振荡激励器。这种测量变送器还包括用于传递振荡测量信号的传感器布置。传感器布置包括至少两个传感器元件，它们彼此间隔，对于测量管的振动起反应。在操作期间，测量仪表电子装置利用相应的激励信号以合适的方式操纵激励机构，使得测量管至少间歇地执行振动，特别是弯曲振荡。

为了完整，应当注意，所述的支架元件通常形成测量变送器外壳，其容纳至少一个测量管以及其上设置的振荡激励器和传感器，还有可能有测量变送器的其它部件。

原理上，这种测量变送器具有两种管几何结构，即，直的测量管和弯曲测量管，其中管形状优选地是U形。特别是在测量质量流量的科里奥利变送器的情况中，由于对称的原因，经常以这样的形式使用这两种管几何结构，即两个测量管在两个平行平面中彼此平行地延伸，并且往往都容纳流经其中的流体。对于具有两个平行直管的变型，可以例如参考US-A 4768384、US-A 4793191和US-A 5610342；对于具有两个平行的特别是形状相同的U形管的变型，可以例如参考US-A 4127028。除了这些以科里奥利原理工作的双测量管布置的质量流量变送器类型，在市场中也早有其它类型的测量变送器，即，具有单个直的或弯曲测量管。这种类型的测量变送器例如在以下文献中有所记载：US-A 4524610、US-A 4823614、US-A 5253533、US-A 6006609或WO-A 02/099363。

对于使用的测量变送器具有单一的直测量管的情况，测量变送器还包括逆振荡器，其固定于测量管并在测量变送器外壳中悬挂，特别是可振荡地悬挂。逆振荡器除了支持振荡激励器和传感器元件之外，还用于将振动的测量管与相连的管道振荡解耦。在这种情况中，这种补偿圆柱体可以例如实现为与测量管同轴设置的管状补偿圆柱体或盒状支持框架。对于前面描述的单个测量变送器还可以增加如下参考特征组合：直的测量管优选地由纯钛、高钛含量的钛合金、纯锆或高锆含量的锆合金制成，因为它与不锈钢测量管相比得到更短的安装长度，而弯曲测量管优选地由不锈钢制成，尽管这里也可以将钛或锆或它们的合金用作测量管的材料。

在所述类型的用作科里奥利质量流量计的内嵌测量仪表的情况中，它们的测量仪表电子装置在操作中确定从传感器元件发送的两个振荡测量信号之间的相位差，并在它们的输出端输出由此得到的测量信号，该信号代表与特性相对应的质量流速随时间的测量值。正如在这种内嵌测量仪表中所常见的，如果还要测量介质密度，那么测量仪表电子装置还基于振荡测量信号确定测量管的瞬时振荡频率。另外，例如可以基于激励机构维持测量管振荡所需的功率，特别是相应的激励电流而测量介质的粘度。

除了能够利用一个这种测量仪表同时测量多个这种过程变量，特别是质量流量、密度和/或粘度之外，振动型内嵌测量管变送器还有显著的优点，在于它们具有非常高的测量精度以及相对不易受到干扰。除此之外，这种测量仪表基本上可以用于任何可流动介质以及测量及自动化技术中的任何应用地区。

在这种振动型测量变送器的制造中，正如已经在US-A 5610342、US-A 6047457、US-A 6168069、US-A 6598281、US-B 6634241或WO-A 03/048693中详细介绍的，通过铜焊、软焊和/或挤压将测量管固定在支架元件内部可能具有特殊的问题，特别是考虑到零点稳定性和/或测量变送器的可用性。另外，正如从US-A 6047457、US-B 6168069、US-B 6598281、US-B 6634241或US-B 6523421中可以看出的，当测量管和支架元件由不同材料(例如钛和特种钢)制成时，将测量管固定在支架元件内部可能引起严重的问题。

另外，正如在US-A 5610342、US-A 6047457或WO-A 03/048693中解释的，可以这样实现问题的合适的解决方案：利用力和/或互锁配合将测量管末端附着于支架元件中，其中这个力和/或互锁配合是利用端件和/或管段的冷成型实现的。然而，对于以这种方式制造的测量变送器的研究显示，所支撑的测量管的上述端件和管段的通常不同的膨胀特性可以导致，在温度波动的情况中，特别时在可能的温度震动的情况中，例如在以极热的清洗液进行的常轨清洁操作的情况中，由端件施加在测量管上的夹紧力低于临界值。这将意味着由于与热相关的膨胀，端件和测量管松开，由滚动引起机械接触，并因而使得支架元件可相对于测量管围绕上述振荡轴旋转。在这之后，特别是在测量变送器在操作期间还执行围绕振荡轴的扭转振荡的情况中，支架的滑动当然不成问题，整个测量仪表的替换将是不可避免的。关于这一点，在WO-A 03/048693和US-B 6598281中已经介绍了类似的效果

发明内容

由于上述现有技术中通常在制造所述类型的测量变送器时为了在支架元件中固定测量管所使用的方法中出现的缺点，本发明的目的是改善振动型测量变送器，使得可以在测量管和支架元件之间创建尽可能高的机械强度和高的机械承载能力的机械连接，而不使用铜焊或焊锡连接。

为了实现这个目的，本发明提供一种振动型测量变送器，特别是用于在流动的流体中产生依赖于质量流量的科里奥利力和/或用于产生依赖于粘度的摩擦力。本发明的测量变送器包括：至少一条具有入口端和出口端并且至少间歇振动的测量管，为了使待测流体能够流经测量管，该测量管经由通入入口端的第一管段和通入出口端的第二管段与相连的管道连通。为了可振荡地支持测量管，测量变送器还包括支架元件，其拥有具有通道开口的第一端件用于固定第一管段以及具有通道开口的第二端件用于固定第二管段，其中测量管在操作期间执行围绕连接两管段的虚拟振荡轴的机械振荡，并且两个管段中的每一个都延伸穿过其两个通道开口的每一个，并且两个通道开口中的每一个的内径都大于与其关联的管段的外径，从而在管段和端件之间形成中间空间。本发明的测量变速器还包括至少一个特别地是金属的第一弹簧体，其被推到两个管段之一上。弹簧体至少部分填充在管段和端件之间形成的中间空间，其中弹簧体这样设置在中间空间中，使得它至少分段地接触关联的管段以及关联的端件，从而它至少分段地受到径向作用的变形力。作为由此造成的弹性形变的结果，弹簧体被压向关联管段及关联端件，从而各个管段被牢固地锁定在相关联通道开口中。

在本发明的测量变送器的第一实施例中，弹簧体被实施为迭片弹簧，其由两个或多个片簧构成，所述片簧相对于振荡轴基本径向地延伸并且至少部分地这样填充在管段和端件之间形成的中间空间，使得片簧不仅接触相关联的管段而且接触相关联的端件。

在本发明的测量变送器的第二实施例中，片簧基本实现为环形盘的形式。

在本发明的测量变送器的第三实施例中，片簧具有基本为星形的和/或弯曲的结构。

在本发明的测量变送器的第四实施例中，片簧具有基本为径向的槽口。

在本发明的测量变送器的第五实施例中，片簧在振荡轴的方向上串联排列。

在本发明的测量变送器的第六实施例中，片簧由金属，特别是弹簧钢制成。

在本发明的测量变送器的第七实施例中，在至少两个片簧之间提供塑料制成的振动衰减层。

在本发明的测量变送器的第八实施例中，为片簧提供夹具，其中夹具特别是可松开地与端件相连并将基本以振荡轴的方向作用的变形力引入迭片弹簧中。

在本发明的第九实施例中，第二弹簧体被推到至少一个管段上，并且在两个弹簧体之间设置间隔衬套。

本发明的基本思想在于，将测量管固定在测量变送器中至少部分是利用摩擦连接实现的，该摩擦连接可以相对简单地装配，特别是以后可以松开，并且在需要时可以容易地基于标准连接元件，例如环形弹簧、Spieth套管、星形垫圈等实现。

本发明的一个显著优点在于，如果需要，可以消除用于将金属体固定在测量管上的焊锡或铜焊过程，因为通过压力作用在测量管和金属体之间提供了非常稳定的机械连接。这很坚固，对于实际应用，即使在测量管围绕振荡轴很长时间的弯曲和/或扭转振荡之后，连接仍然有效。

通过使用在振荡轴方向上延长的弹簧体，例如在由星形垫圈组成的迭片弹簧或Spieth套管的使用中，可以以简单的方式保证，尽管在由迭片弹簧形成的夹紧位置作用相对较高的闭合力，测量管的管段内腔即使在夹紧位置也基本上不被压缩，并且因而测量管内腔的理想圆柱形式基本得到保持。在任何情况下，都可以保证与随弹簧体内径增大而引起的安装的弹簧体的弹性形变相比，由于弹簧体施加的夹紧力而引起的管段外径减小非常微小。换言之，可以令摩擦连接基本上受到弹簧体形状改变的影响，而同时测量管的形状基本保持稳定。结果，可以有效地防止在测量变送器工作期间将会形成的测量管中的沉积物。

附图说明

现在根据附图解释本发明和其它具有优点的实施方式，附图中给出了不同的实施例，其中相同的部件以相同的附图标记表示。附图中：

图1是剖面图，显示了具有至少一个测量管的振动型测量变送器的实施例对于本发明的主要部分；

图2a以部分剖面图示意性显示了图1的测量变送器的部分；

图2b以分解图示意性显示了图2a所示的测量变送器的部分；和

图3a、b显示了适用于在测量变送器内部固定测量管的片簧。

具体实施方式

图1、2和2b显示了本发明的振动型测量变送器，例如科里奥利质量流量变送器的基本部件。为了关注于本发明，没有显示完整功能所需的其余部件；对于这些未显示的零件，参考在背景技术中提到的文献。

测量变送器包括至少一条具有入口端和出口端的测量管1。这里仅部分显示测量管1并且其用于在操作期间传送待测流体，例如液体、蒸气或气体。在测量变送器操作期间，测量管插入流体流经的管道中，其中测量管1经由通入入口端的第一直管段11和通入出口端的第二直管段12与相连的管道连通，以允许流体流经。为了将测量管1连接至管道，可以以本领域熟知的方式使用例如法兰14、15或旋接连接等。在测量变送器的操作中，令测量管1至少间歇振动，以产生描绘流体的反作用力，例如与质量流量相关的科里奥利力和/或与粘度相关的摩擦力。测量管1至少部分执行围绕连接两个管段11、12的虚拟振荡轴S的机械振荡。为了检测测量管1的振动以及产生与此对应的振荡测量信号，可以在测量管1附近以本领域熟知的方式放置合适的振荡传感器(未显示)。

用于可振荡地支持测量管的是支架元件2，其至少经由两个管段11、12与测量管1相连并且至少部分包围测量管1。支架元件2可以是例如盒状的，或者如图2a、b所示为管状。

管段11由第一端件21的通道开口21A接受。通道开口12A沿管段11基本与其同轴地延伸。管段12由第二端件22的通道开口22A接受，并且通道开口22A沿管段12基本与其同轴地延伸。如图1所示，利用支架元件2的至少一个其它的例如管状或盘状连接件23，两个端件21、22在外部通过测量管1彼此机械相连。两个通道开口21A、22A各自的内径大于与其关联的管段11、12的外径，从而在管段11、12和端件21、22之间形成中间空间21B、22B。

至少一个第一弹簧体31用于将管段11与相关联的端件21机械相连，该弹簧体被推到管段11上。在这种情况中，弹簧体31以这样的方式设置在中间空间21B中，使得它至少分段地既接触管段11又接触端件21。为此，弹簧体31这样实现并设置在中间空间21B中，使得它至少分段地受到径向作用的变形力并且由于随变形力而引起的弹性形变而被压向相关联的管段11以及相关联的端件21。于是，管段11基本上与端件21锁定。以这种方式，在管段11和弹簧体31之间以及弹簧体31和端件21之间提供了高机械强度且持久的摩擦连接，这非常适用于将在工作中高频振动的测量管1持久且牢固地与支架元件2相连。

为了得到弹簧体31变形所需的夹紧力，还为弹簧体3提供了夹具5，其与端件21连接，特别是可松开地连接，以将基本在振荡轴S的方向上作用的变形力引入弹簧体3。

在本发明的一个实施例中，至少一个弹簧体31实施为迭片弹簧，由两个或多个片簧31A、31B构成，所述片簧基本上相对于振荡轴S径向延伸并且在振荡轴S的方向上串联排列。在这种情况中，迭片弹簧至少部分地填充管段11和端件21之间形成的中间空间21B，从而片簧31A、31B既接触相关联的管段11又接触相关联的端件21。为了进一步增加衰减，从而减少迭片弹簧的机械质量，可以例如在每两个或多个片簧31A、31B之间放置塑料制成的振动衰减层。

在所示的实施例中，片簧31基本上构成为环形盘状并且具有基本径向的槽口，它们优选地这样放置，使得片簧31A、31B具有基本星形或弯曲的结构；参见图2b、3a、3b。这种片簧31A、31B，特别是星形垫圈形式的片簧也可以作为标准件而得到。

在本发明的另一实施例中，弹簧体31是Spieth套管或者环形弹簧夹紧元件。

在本发明的另一实施例中，特别是对于弹簧体31构成为迭片弹簧的情况，还提供第二弹簧体32，其类似地被推到管段11上并被以类似于弹簧体31的方式与端件21锁定。在本发明的这个进一步发展的情况中，如图1、2a、2b所示，在两个弹簧体31、32之间还额外放置了刚性间隔衬套33。与两个弹簧体31、32相比，间隔衬套33不可变形，其基本与管段11同轴地分布在测量变送器中，并且与弹簧体仅是并排放置的情况相比，以非常简单的方式显著增加由两个弹簧体31、32产生的支持力和力矩。

本发明的一个主要优点在于，除了保持在US-A 5610342中已经描述的测量变送器制造方法的优点，即，固定测量管1而无需铜焊或焊锡连接并因而没有热应力，保护支架元件2，优点还在于可以以非常简单的方式显著增加强度并且实现测量管1和支架元件2之间的机械连接的持久性。而且，还可以保证测量管尽管通过较高的锁定力支撑在支架元件2中其自身也几乎没有任何变形，并且因而即使在安装之后也可以在测量管的整个长度上保持基本均匀的横截面。

Claims

1. 振动型测量变送器，包括：

-至少一条具有入口端和出口端并且至少间歇振动的测量管(1)，用于引导流体；

--其中测量管(1)为了使待测流体能够流经而经由通入入口端的第一管段(11)和通入出口端的第二管段(12)与相连的管道连通，并且

--其中测量管(1)在操作中围绕连接两个管段(11，12)的虚拟振荡轴(S)机械振荡，和

-支架元件(2)，用于可振荡地支持测量管(1)，其包括

--第一端件(21)，其具有通道开口(21A)，用于固定第一管段(11)，以及

--第二端件(22)，其具有通道开口(22A)，用于固定第二管段(12)，

-其中两个管段(11、12)中的每一个都延伸穿过两个通道开口(22A)中的每一个，并且两个通道开口(22A)中的每一个的内径都大于各自关联的管段(21、22)的外径，从而在管段(21、22)和端件(11、12)之间形成中间空间(21B、22B)，

其特征在于，

-至少一个第一弹簧体(31)，其被推到两个管段(11、12)之一上，

-其中所述第一弹簧体(31)设置在中间空间(21B、22B)中，使得它至少分段地接触关联的管段(11、12)以及关联的端件(21、22)，从而它至少分段地受到径向作用的变形力，并且作为由此造成的弹性形变的结果，弹簧体被压向关联的管段(11、12)及关联的端件(21、22)。

2. 根据权利要求1所述的测量变送器，其用于在流动的流体中产生依赖于质量流量的科里奥利力和/或依赖于粘度的摩擦力。

3. 根据权利要求1所述的测量变送器，其中所述第一弹簧体是金属的。

4. 根据权利要求1所述的测量变送器，其中第一弹簧体(31)构造为迭片弹簧，

-其由两个或多个片簧(31A、31B)构成，所述片簧相对于振荡轴(S)基本径向地延伸，并且

-其至少部分地填充在管段(11、12)和端件(21、22)之间形成的中间空间，使得片簧不仅接触相关联的管段(11、12)而且接触相关联的端件(21、22)。

5. 根据权利要求4所述的测量变送器，其中片簧(31A、31B)基本构成为环形盘形状。

6. 根据权利要求4或5所述的测量变送器，其中片簧(31A、31B)具有基本为星形的和/或弯曲的结构。

7. 根据权利要求4或5所述的测量变送器，其中片簧(31A、31B)具有基本为径向的槽口。

8. 根据权利要求4或5所述的测量变送器，其中片簧(31A、31B)在振荡轴(S)的方向上串联排列。

9. 根据权利要求4或5所述的测量变送器，其中至少两个片簧(31A、31B)之间提供由衰减振动的塑料制成的层。

10. 根据权利要求1所述的测量变送器，其中第一弹簧体(31)构成为环形弹簧夹紧元件。

11. 根据权利要求1-5之一所述的测量变送器，其中为第一弹簧体(31)提供夹具(5)，其与至少一个端件(21、22)相连并将基本以振荡轴(S)的方向作用的变形力引入第一弹簧体(31)中。

12. 根据权利要求11所述的测量变送器，其中所述夹具(5)与所述至少一个端件(21、22)可松开地相连。

13. 根据权利要求1-5之一所述的测量变送器，其中第二弹簧体(32)被推到至少一个管段(11、12)上，并且在两个弹簧体(31、32)之间设置间隔衬套(33)。