CN100442025C - 科里奥利质量流量传感器 - Google Patents

Abstract

一种科里奥利质量流量传感器包括：流管、光源以及光导管，该光导管有光进口和光出口，该光进口设置成接收来自光源的光，而该光出口用于发射从光源接收的光。光检测器接收来自光导管的光出口的光，驱动装置使得流管振动，使得流管穿过在光导管的光出口和光检测器之间的光路。在某些实施例中，光导管确定了基本上正方形的横截面。具有预定形状的检测孔设置在光导管的光出口和光检测器之间。检测孔使得从光的光出口发射的一部分光通向光检测器，使得进入光检测器的光具有该预定形状。

Description

科里奥利质量流量传感器

相关申请的交叉引用

本申请是美国临时专利申请No.60/481852和No.60/521223(申请日分别是2004年1月2日和2004年3月15日)的正式申请，它们在这里引入作为参考。

技术领域

本发明通常涉及质量流量的测量和控制，特别是涉及基于科里奥利力效应的质量流量测量和控制装置。

背景技术

基于科里奥利力效应的质量流量测量以如下方式实现。科里奥利力导致这样的效应，即，一质量沿既定方向运动，然后被迫改变方向，在改变的方向中具有一个与该既定流动方向垂直的矢量分量。这能够通过以下等式来表示：

F_C＝2M×ω

其中，F_C(科里奥利力矢量)是M(流动质量的动量矢量)和ω(转动坐标系的角速度矢量)的叉积。

在转动系统中，角速度矢量沿着转动轴线。利用“右手准则”，四指确定转动方向，而伸出的拇指确定角速度矢量的方向。在普通的科里奥利力流量传感器中，使得有流体流过的管进行振动。通常，该管为一个或多个环的形状。该环的形状为这样，即，在该环的不同部分，质量流动矢量的方向朝着相反的方向。该管的各个环例如可以为“U”形、矩形、三角形或“Δ(delta)”形或者盘旋形。在直管的特殊情况中同时有两个角速度矢量，当质量流动矢量沿单个方向时，这两个角速度矢量与管的固定点相重合。

因为在振动系统中转动方向改变，因此角速度矢量改变方向。结果是，在给定时刻，当质量流动矢量或角速度矢量方向相反时，科里奥利力沿相反的方向作用。因为角速度矢量由于振动系统而不断变化，因此科里奥利力也不断变化。结果是将动力学扭曲运动加在了的管振荡运动上。对于给定角速度，扭曲量与质量流量成正比。

质量流量的测量通过测量传感器管中由于科里奥利力引起的扭曲而实现，该科里奥利力通过流体流过传感器管而产生。普通的已知装置使用包括磁体和线圈对的拾取传感器，该拾取传感器位于流管上科里奥利力引起最大位移的位置处。线圈和磁体安装在相对的结构上，例如，磁体安装在管上，而线圈安装在固定的封装壁上。线圈穿过磁体的磁场，从而在线圈中感应产生电流。该电流与磁体相对于线圈的速度成正比。

不过，在小流量应用中，管相对较小。这使得很难或不可能将检测硬件安装在管自身上。用于检测管振动的现有方案还很不令人满意。本发明解决了现有技术的相关缺点。

发明内容

根据本发明的方面，一种科里奥利质量流量传感器包括：流管、光源以及光导管，该光导管有光进口和光出口，该光进口设置成接收来自光源的光，而该光出口用于发射从光源接收的光。光检测器接收来自光导管的光出口的光，驱动装置使得流管振动，使得流管遮挡在光导管的光出口和光检测器之间的光路。在某些实施例中，光导管确定了基本上为正方形或其它多边形的横截面，以便扰乱(scramble)或“混合”从光源接收的光，从而在流管处获得更均匀的空间强度分布。

具有预定形状的检测孔设置在光导管的光出口和光检测器之间。检测孔使得从光出口发射的一部分光通向光检测器，使得进入光检测器的光具有该预定形状。在示例实施例中，检测孔的形状为三角形，因此到达光检测器的光为三角形。

各种部件可以设置在一个或多个光学模块本体中，这些光学模块本体中可以确定了容纳这些部件的开口。为了获得所需的封装尺寸，这些开口可以定向成不同方向，反射镜和透镜可以用来根据需要引导光。

附图说明

通过阅该下面的详细说明并参考附图，将更清楚本发明的其它目标和优点，附图中：

图1和2是示意性地表示本发明科里奥利质量流量控制器和传感器的方框图。

图3是总体表示根据本发明使用光学拾取传感器的部分科里奥利质量流量装置的方框图。

图4A和4B分别是使用光学拾取传感器的科里奥利质量流量控制器的流量检测部分的正剖图和侧剖图。

图5是根据本发明另一方面的科里奥利质量流量传感器的透视图。

图6是根据本发明的其它方面用于科里奥利质量流量传感器的光学模块本体的透视图。

图7是图5中所示的科里奥利质量流量传感器的透视图，其中除去了一个光学模块本体。

图8是图5中所示的一个光学模块的分解图。

图9是图5中所示的一个光学模块的剖视图。

图10示意表示了图5中所示的科里奥利质量流量传感器的检测孔。

图11是表示响应曲线的曲线图，表示了例如流管的线性响应区域。

图12是表示图11中所示曲线的斜率的曲线图。

尽管本发明有各种变化和替换形式，它的特定实施例已经例如在附图中所示和在本文中详细说明。但是应当知道，本文中对特定实施例的说明并不是为了将本发明局限于所述的特殊形式，而是相反，本发明将覆盖落在本发明的精神和范围内的所有变化、等效物和可选替换，本发明的精神和范围由附加权利要求来确定。

具体实施方式

下面介绍本发明的图示实施例。为了清楚起见，在本说明书中并没有介绍实际实施方式的全部特征。当然应当知道，在任意实际实施例的研制中，必须使得各种特定实施方式能够实现开发者的特定目标，例如适应相关系统和相关商业的限制，这些限制将根据不同实施方式而变化。而且应当知道，这些研制工作可能是复杂和费时间的，不过对于从本说明书受益的本领域普通技术人员不过是例行程序而已。

图1表示了根据本发明实施例的科里奥利的质量流量传感器和控制器。它基本包括两个独立的运行系统：科里奥利传感器拾取和驱动系统A以及施加和控制系统B。科里奥利传感器拾取和驱动系统与科里奥利传感器1连接。施加和控制系统B为用户5提供了界面，并向流量控制装置例如阀6提供控制信号。

传感器拾取和驱动系统A的目的是控制和检测科里奥利传感器1的运动，以便测定作为科里奥利力的函数的相关质量流量以及作为谐振频率的函数的相关密度。

示例的传感器拾取和驱动系统A向施加和控制系统B提供三个数据值：

1.ΔT--时间差，该时间差与传感器管一侧相对于另一侧的相位滞后相关，以表示相关质量流量。

2.频率--传感器管的谐振频率，该谐振频率与被测材料的相关密度相关。

3.温度--由电阻式温度检测器(RTD)检测以便确定传感器管的温度。

施加和控制系统B利用ΔT并结合校准常数来向用户5提供所需的质量流量。它还利用该频率并结合校准常数来向用户5提供所需的密度和/或体积流量值。该温度用于补偿质量流量和密度的计算值。施加和控制系统B使用所输出的质量流量值或体积流量值与所输入的用户设定点相比较，以便控制阀6将流量调节成所需的设定值。

图2是示意性地表示这里所述的科里奥利质量流量传感器的各部分的方框图。科里奥利质量流量传感器1包括流量传感器管2，该驱动装置3相对于传感器管2定位成使管2振动。拾取传感器4相对于管2定位成可测量由于科里奥利力而在管2中引起的扭曲。

质量流量的测量通过测量传感器管中由于科里奥利力引起的扭曲而实现，该科里奥利力通过流体流过传感器管而产生。例如，在已知的科里奥利质量流量传感器中，包括磁体和线圈对的拾取传感器通常位于流管上科里奥利力引起最大位移的位置处。线圈和磁体安装在相对的结构上，例如，磁体安装在管上，而线圈安装在固定的封装壁上。线圈进出磁体的磁场，从而在线圈中感应产生电流。该电流与磁体相对于线圈的速度成正比。因为这是速度测量值，因此当流管经过它的平衡点(过零)时，该速度将为最大值(因此信号也将为最大值)。科里奥利力引起的扭曲引起速度信号的相移，该相移通过测量两个速度传感器的过零时间之间的差值来检测。实际上，这使得时间测量电路需要有很高的精确性。这使得该技术限制了质量流量测量的最终灵敏性。

转让给本申请的受让人的美国专利No.5555190公开了用于确定振动传感器管(例如与这里所公开的科里奥利质量流量检测装置相连的所述管)的频率和相位关系的数字信号处理方法和装置。美国专利No.5555190的整个说明书在这里引入作为参考。

图3表示采用了这里所公开的构思的示例科里奥利质量流量检测装置。所示的科里奥利质量流量检测装置500其中包括流管502，线圈513位于磁体514附近，以便使管502振动。光源510定位在侧部，并靠近流管502的顶部或者在流管502上方(预计在该处的位移将最大)。这样，光电二极管或其它光检测器512能够布置在管502的相对一侧并面对着光源510。光检测器512与传感器电子元件连接，该传感器电子元件处理从光检测器512接收的信号。传感器电子元件可以使用数字信号处理装置，例如在美国专利No.5555190中所公开的信号处理方法，或者在美国专利申请No.09/641698(该文献在这里引入作为参考)中所述的锁相放大器装置。其它实施例可考虑使用模态检测或正弦曲线匹配，其中，接收信号利用例如最小平方相位测定法来与一参考值进行比较。

在一个具体实施例中，光源510和光检测器512是设在光检测印刷电路板(PCB)上的光检测电路的一部分。光源510和光检测器512包括红外LED和光电二极管，以便检测传感器管502的运动。如图3所示，有两组LED510和光电二极管512，一组用于检测传感器管502的一侧。在其它实施例中，可以采用其它类型的光源和检测器，从而实际上使用任意波长的光。

图4A和4B表示了使用光拾取传感器的科里奥利质量流量传感器600。流量检测部分600包括流量传感器管602，磁体604安装在该流量传感器管602上。红外LED606和光电二极管608与光检测PCB 610连接，并位于流量传感器管602两侧部上。流量传感器管602、磁体604、LED606、光电二极管608和PCB 610都位于壳体612内，盖614安装在该壳体612上。1mH的电感器起到线圈616的作用，以便驱动该管。线圈616定位在壳体612外部。

也可选择，传感器管602、驱动装置604、616和拾取传感器606、608都可以装入壳体612内，或者除了线圈616之外的选定部件或代替线圈616的选定部件可以位于壳体612外部。例如，某些实施例可以采用其中确定有窗口的壳体612。这使得光源606和/或光检测器608能够布置在壳体612外部。在叉一实施例中，传感器电子元件例如使用光纤电缆来远离壳体612。这例如在科里奥利质量流量检测装置用于危险环境中时是所希望的。

如上所述，光源606和检测器608可以包括与红外光电二极管匹配的红外LED。光电二极管有效表面的尺寸接近且稍微大于传感器管602的直径。当管602振动时，它穿过LED和光电二极管之间的路径，从而遮挡来自LED的光。管602可以设置成这样，即，当管处于平衡位置时将局部遮断在LED和检测器之间的光路。当管以振动方式在该平衡位置周围运动时，到达检测器的光将交替地处于最小或最大，从而由检测器提供正弦输出。可以测量来自管两侧的相关输出，以便得到由于科里奥利引起的流动效应而产生的相位差。

LED产生具有特定强度分布的光。该分布称为高斯分布，即，当离光源中心的径向距离增加时，光强度减小。换句话说，光源在中心处最亮，并朝着光源的周边变暗。因此，到达光电二极管的光的强度不仅随着振动管穿过该光路而变化，而且基于该管相对于光路的位置而变化。在图3和图4所示的简单LED/光电二极管装置中，管的调节对于精确测量流量传感器管的扭曲很重要，因为在两个传感器之间的峰间电压必须匹配。

因为该响应并不为线性，因此峰间电压的这种匹配很难实现。只有在光路中的特定点处，管的两个腿才产生匹配的峰间电压。对管进行精确调节的需要会降低制造生产率并增加制造时间和成本。不过，当响应为线性时，管的两个腿可以位于线性区域的任意位置，且峰间电压都将匹配。

使用光检测的其它实施例将使系统优化成获得线性光响应。其中，由LED发射的光被调节成产生平均功率分布。阻挡一些由LED发出的光的流管图像(阴影)经过一系列透镜和孔。图5表示了具有这种光拾取传感器的示例性科里奥利质量流量传感器700。质量流量传感器700包括基座部件720，流管702安装在该基座部件720上。驱动装置(图5中未示出)例如是图4A和4B中所示的线圈和磁体结构，其用于使管702振动。光拾取传感器布置在第一和第二光学模块本体730中。在图6所示的可选实施例中，两个光学本体730组合成单个光学本体731。图7表示了流量传感器700，其中一个光学模块730除去，以便更好地表示某些部件，例如流管702。

图8中表示了一个光学模块730的分解图，而图9是模块730的剖视图，表示了模块730内部的部件。光源例如LED706布置在模块730中的第一开口732内。光导管734位于开口732内，以便接收来自LED 706的光。朝向大致与开口732垂直的第二开口740中布置有透镜738。反射镜742定位在第二开口740和第三开口744之间，该第三开口744大致平行于第一开口732。第三开口744确定了圆形阻挡孔746，并具有透镜748、管750和盘752，该盘752确定了位于其中的检测孔754。光检测器例如光电二极管708也装入第三开口744中。

光导管734或集成的杆具有接收来自LED706的光的光进口734a和发射出该光的光出口734b。光导管734确定了大致正方形的横截面，它用于通过使光反射离开光导管734的内表面而扰乱或“混合”光。这使得LED 706的输出光的亮度变均匀，从而将高斯光输出转变成平均功率分布。LED706的输出有在中间的亮点，并朝着外边缘变暗，而正方形光导管734的输出是具有均匀亮度的正方形。在其它实施例中，光导管734可以确定有不同于正方形的其它截面形状。几乎任何多边形(三角形、正方形、五边形等)都将产生比圆形光导管均匀得多的分布。其它方法(例如散射器)也可以用于产生均匀的光分布。

在所示实施例中，检测孔754为三角形形状。因此，进入光电二极管的光为三角形形状。反射镜和透镜设置成可形成管的图像，且该三角形检测孔754位于管边缘的图像处。阻挡孔746为圆形，以便提供远心分布的光线来照射检测孔754和检测器708

管702设置成这样，即，当它振动时，它穿过由从光导管734发出的光形成的光路，管702产生在三角形图像中的阴影770，这样，在检测器708处的光图案是光源的遮挡图像，大致如图10中所示。检测孔754的三角形形状使得能够简单计算进入光电二极管708的功率。通过率(T)是没被管706遮挡的功率与进入光电二极管708的总功率的比率，它简化成没被管阻挡的检测孔面积(A_nb)与三角形总面积(A_tot)的比率：

T＝A_nb/A_tot

当管702沿一个方向运动时，通过率增加，而当它沿相反方向运动时，通过率降低。该运动产生具有峰间电压的正弦波，它必须与管的各腿匹配。该峰间电压直接与T的斜率相关，该T在图11中作为y的函数。因为这按照定义是线性的，因此斜率恒定。因此，只有管的两腿设置成使得y值的范围是从管直径至三角形高度，峰间电压就能够匹配。

图11表示了两个响应曲线：曲线801是对于外径为0.3mm的100克每小时的管，而曲线802是对于外径为0.8mm的3000克每小时的管，其中三角形孔754的高度为1.5mm。图12表示了响应曲线801、802的斜率。如图11和12所示，曲线801、802的斜率在曲线的线性响应区域811、812内恒定。因此，管的两腿并不必须恰好定位在峰间电压匹配的y值处。管的两腿只需要定位在上述线性响应区域内。对于100克每小时的管(曲线801)，管的一个腿定位在允许区域内，相对的另一腿能够定位在光路内从管直径(0.3mm)至三角形高度(1.5mm)的任意位置处。因此，允许的制造范围为1.5-0.3＝1.2mm。

也可考虑其它的检测结构。例如，可以采用正方形检测孔。两个光检测器可以并排使用，其中，到达各检测器的光将随着管的运动而变化。

反射镜和透镜使得部件能装配至合适的封装尺寸内。图9大致表示了通过模块本体730的光路。来自LED706的光进入光导管734的光进口734a。如上所述，光导管734的侧面使光混合，以便获得正方形、均匀强度的图案。在所示实施例中，光出口734b成角并抛光，使其用作反射镜来改变光的方向。例如如图7所示，转动反射镜772布置在第一和第二开口732、740之间，以便将光引入第二开口740。管702位于光出口734b和转动反射镜772之间，使得管702穿过由光导管734发出的光形成的光路。在图6所示的实施例中，转动反射镜772集成于模块本体731中。

转动反射镜772将光引入位于第二开口740中的透镜738内。反射镜742将光从第二开口引入第三开口744。阻挡孔746阻挡杂散光，以便保持为正方形和均匀强度。光经过透镜748和检测孔754，并由光电二极管708接收。透镜738、748和阻挡孔746用于使放大率保持为1∶1。

LED706和光电二极管708可与模块本体730外的电子元件连接，从而使电子元件能够位于距离光学装置一定距离处。这有利于在可能对电子元件有害的环境中使用。在其它实施例中，LED 706和光电二极管708也布置成远离模块本体730，并用光纤将它们与位于模块本体730中的无源光学部件连接起来。这例如能够用于高温应用中。

上面所述的特定实施例只是示意性的，因为本发明可以以不同但等效的方式来变化和实施，受益于这里的教导的本领域技术人员将清楚这些不同但等效的方式。而且，本发明并不局限于这里所述的详细结构或设计，除非在后面的权利要求中说明。因此，上面所述的特定实施例可以变化和改变，且所有这些变化都将在本发明的范围和精神内。因此，保护范围由下面的权利要求设定。

Claims (14)

1.一种科里奥利质量流量传感器，包括：

流管；

管位置传感器，包括

光源；

光学模块本体，该光学模块本体限定了第一开口和第二开口，该第二开口的轴线方向横向于第一开口的轴线；

光导管，该光导管装在该光学模块本体内的第一开口内，该光导管有光进口和光出口，该光进口设置成接收来自光源的光，而该光出口用于发射从光源接收的光；

位于该光学模块本体的第二开口内的透镜，该透镜用于接收来自光导管的光出口的光；

光检测器，用于接收来自光导管的光出口的光；

驱动装置，用于使流管振动，使得流管穿过在光导管的光出口和光检测器之间的光路。

2.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量传感器，其中：光导管确定了多边形横截面。

3.根据权利要求2所述的科里奥利质量流量传感器，其中：光导管确定了正方形的横截面。

4.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量传感器，还包括具有预定形状的检测孔，该检测孔设置在光导管的光出口和光检测器之间，检测孔使得从光出口发射的一部分光通向光检测器，这样，进入光检测器的光具有所述预定形状。

5.根据权利要求4所述的科里奥利质量流量传感器，其中：所述预定形状优化成提高所述位置传感器的线性。

6.根据权利要求4所述的科里奥利质量流量传感器，其中：所述预定形状是三角形。

7.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量传感器，其中：所述光出口成角，以便将从光出口发射的光引导至所需的方向。

8.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量传感器，其中：所述光学模块本体确定了第三开口，该第三开口的轴线方向平行于第一开口的轴线，第三开口内具有光检测器和检测孔。

9.根据权利要求8所述的科里奥利质量流量传感器，还包括靠近第二和第三开口的反射镜，以便将光从第二开口引入第三开口中。

10.根据权利要求8所述的科里奥利质量流量传感器，还包括设置在第三开口内的阻挡孔，该阻挡孔阻挡从光导管的光出口发射的一部分光。

11.根据权利要求10所述的科里奥利质量流量传感器，还包括设置在第三开口内的透镜。

12.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量传感器，还包括靠近第一和第二开口的反射镜，以便将光从光导管的光出口引入第二开口中。

13.根据权利要求12所述的科里奥利质量流量传感器，其中：光导管的光出口和该反射镜处于流管的相对两侧。

14.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量传感器，还包括：

第二光源；

第二光导管，该第二光导管有光进口和光出口，该光进口设置成接收来自第二光源的光，而该光出口用于发射从第二光源接收的光；

第二光检测器，用于接收来自第二光导管的光出口的光。

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