CN101080614B - 振动型测量变送器 - Google Patents
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Abstract
测量变送器,包括:变送器外壳(10),其具有多个自然振荡模式;和至少一个第一变送器管(4),其可振荡地支持在变送器外壳(10)中并且至少间歇振动,用于引导待测介质的至少部分体积。另外,测量变送器包括:电机的特别是电动的激励器配置(60),其作用于至少一个变送器管,用于产生和/或维持至少一条变送器管(4)的机械振荡;和传感器配置,其对变送器管(4)的运动特别是弯曲振荡作出反应,用于产生至少一个代表变送器管(4)的振荡的振荡测量信号(svb)。另外,为了改进振荡特性并因而改进测量变送器的测量精度,提供至少三个耦合元件(217),用于在入口测将第一和第二变送器管(4、5)连接在一起;还提供了至少三个耦合元件(218),用于在出口测将第一和第二变送器管(4、5)连接在一起。通过使用至少六个耦合元件,可以制造即使在大于150mm的较大额定直径也具有高测量精度的振动型测量变送器,特别是还同时在很大程度上维持已经建立并证明有效的结构形式。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动型测量变送器,用于测量在管道中引导的可流动介质、特别是气体、液体、粉末或其他的可流动物质。
背景技术
在过程测量和自动化技术中,利用在线的测量装置测量流入管道的介质的物理参数比如质量流量密度、粘性和/或粘度,其包括介质流经其中的振动型测量变送器,和与其连接的测量和工作电路,以在介质中得到反作用力,例如对应于质量流速的科里奥利力,对应于介质密度的惯性力和/或对应于介质粘度的摩擦力等等,以及用于从这些力得到分别代表质量流量、密度和粘度的测量信号。
这样的测量变送器,特别是那些科里奥利质量流量计或科里奥利质量质量/密度计形式的变送器,例如在WO-A 04/099735、WO-A04/038341、WO-A 03/076879、WO-A 03/027616、WO-A 03/021202、WO-A 01/33174、WO-A 00/57141、WO-A 98/07009、US-B 6807866、US-B 6711958、US-B 6666098、US-B 6308580、US-A 6092429、US-A 5796011、US-A 5301557、US-A 4876898、EP-A 553939、EP-A1001254、EP-A 1248084、EP-A 1448956或EP-A 1421349中有详细介绍。为了引导至少间歇地流动的介质,测量变送器包括至少一个变送器管,其适当地固定到通常厚壁的特别是管状的和/或横梁状的支架圆柱或在框式支架中。另外,上述的测量变送器具有第二变送器管,其同样至少有时振动并且与第一变送器管至少经由两个特别是四个耦合元件机械地耦合,该耦合元件也称为节点盘或耦合器,至少第一变送器管构造为与管道互通的第一测量管并且用作传递待测量的介质。为了产生以上反作用力,令两个变送器管振动,由通常电动的激励器配置驱动,两个变送器管通常至少间歇地执行围绕基本上平行于测量变送器纵轴的假想的回摆轴的弯曲振荡。为了检测变送器管的振动,特别是进口和出口端振动,并且为了产生至少一个代表该振动的振荡测量信号,变送器另外包括对运动作出反应并且也对变送器管的机械振荡作出反应的传感器配置。
在工作期间,由至少一个变送器管、至少瞬时在其中传递的介质以及至少部分地由激励器配置和传感器配置形成的测量变送器的上述内部振荡系统被电动机械的激励器配置激励至少间歇地以需要的振荡模式以至少一个主要的需要振荡频率执行机械振荡。这些以所谓的需要振荡模式的振荡通常至少部分地为横向振荡的形式,特别是当测量变送器被用作科里奥利质量流量和/或密度计。通常在此情况下被选用作需要振荡频率的是内部振荡系统的自然瞬时谐振频率,其又取决于变送器管的尺寸形状和材料以及介质的瞬时密度。必要时,振荡频率还可以显著地受介质瞬时粘度的的影响。由于待测介质的波动密度和/或由于工作期间发生的介质变化,测量变送器在工作期间所需的振荡频率自然地至少在校准且因而预先确定的需要频带内部是可变的,该频带相应地具有预先确定的频率上限和频率下限。由至少一个变送器管和激励器以及传感器配置共同形成的测量变送器的内部振荡系统另外通常由具有框式支架或支架圆柱作为整体元件的外壳而容纳,该外壳与管道经由输入端和输出端机械地联接并且同样呈现多种固有振荡模式。例如在WO-A 03/076879、WO-A 03/021202、WO-A 01/65213、WO-A 00/57141、US-B 6776052、US-A 6711958、US-A 6044715、US-A 5301557或EP-A 1001254中描述了用于振动型测量变送器的适当的变送器外壳。
同时,振动型测量变送器领域中的发展达到了这样的高度,即所述类型的测量变送器可以实际上应用于流量测定技术的几乎所有用途并且可以满足这种领域中存在的最高需求。因而,这种测量变送器可以被用于测量仅仅几g/h(克每小时)直到若干t/h(吨每小时)的质量流量以及对于液体最多100bar的压力乃至对于气体高于300bar。在这种应用中取得的测量精度通常大约为实际值的99.9%或甚至更高,也就是说,当保证测量范围的下限很好地位于该测量范围的终值的大约1%时,大约0.1%的测量误差。根据高带宽,取决于应用,所述类型测量变送器可以具有位于1mm和250mm之间乃至更高的在法兰测量的公称直径。
关于具有两个互相平行、弯曲变送器管的振动型测量变送器的调查,例如在US-B 6711958或US-B 6308580中描述的,已经显示,尽管关于在变送器管的两个弯曲中心管段之间延伸的变送器的假想中心面基本上对称构造,在以所需的振荡频率的节奏的重要测量中可以产生交变的不平衡并且因此相关的干扰振荡可以耦合到所连通管线。在这点上,证明对于要求的高测量精度特别有害的是那些干扰振荡,它们在测量变送器的惯量主轴(下面指定为垂直轴)的方向上作用,该轴位于前述的测量变送器的假想中心轴并且基本上垂直于振荡轴延伸。为减少这种干扰振荡,特别是那些横切回摆轴的干扰振荡,在EP-A1248084和WO-A 04/099735建议,向两个变送器管中每一的弯曲的中心中间管段施加悬臂元件。这种平衡元件的效果基本上在于它们的产生与由振动的变送器管产生的加速力相反且垂直于回摆轴的加速力,因此这些力部分地彼此抵销。此外,进一步的调查已经显示,在所述类型测量变送器的情况中,特别是那些具有V形的或梯形的弯曲变送器管和/或具有管径达80mm或更多的变送器管的测量变送器,此外这种主要来自移动质量加速度的力以及夹持力还可以导致在测量变送器中值得注意的不平衡,例如依赖于来自变送器管的瞬时偏转的变送器外壳的不平衡的变形。
图1和2是两个示意图,用于解释在所述类型的具有两个弯曲、互相平行的变送器管的测量变送器的情况中的振荡运动,这两个变送器管在进口和出口端经由两个耦合元件机械地连接在一起。这里以简化形式大略地显示变送器管而且显示在末端截断变送器管,从而没有否则保持它们的变送器外壳,因此它们可以事实上在它们的末端振动。作为已经提到的,两个变送器管在工作期间相对于彼此振动而且实际上因此它们事实上在它们的全部的长度上横向地(X方向)偏斜。这些偏转的振幅可以彼此不同。振荡和关联的力的主要部分垂直于测量变送器的回摆轴(Z方向)以及提到的垂直轴(Y方向),其中至少对于两者变送器管同时由介质流过的情况,一个变送器管的分量基本上抵销另一个变送器管的对应分量。由振荡所引起的力的较小分量也作用于垂直轴的方向(Y方向)。尽管有耦合元件,变送器管的振荡运动被传输直到这里自由的末端,该耦合元件也略微变形(图2)。在此情况下,耦合元件的中间在垂直轴的方向上移动,而变送器管的″自由″端反向地这垂直轴的方向上移动。变送器管末端的这个运动导致在安装和固定状态相反地力进入固定的变送器外壳,例如可能的连接的分配件和因而变送器外壳的变形。
一种用于减少在安装中的这种不期望的力的可能例如对应于通过增加变送器外壳的壁厚而增加它抵抗变送器外壳的前述形变的刚度,其中所述不期望的力例如可以改变测量变送器的经过标定的零点。然而,与这种措施相关联的特殊问题是,在较大额定直径的测量变送器的情况中,安装质量已经非常高。对于额定直径远超过150mm的测量变送器,包括可能附着于它的法兰,安装质量能够轻易地大约为500kg。于是,在较大额定直径的测量变送器的情况中,通过增加材料厚度来充分强化变送器外壳的可能性非常具有局限性,至少对于应用经证实的材料特别是不锈钢的情况尤其具有局限性。
发明内容
于是,从上述现有技术出发,本发明的目的是提供一种振动型测量变送器,其特别是在基本维持已经建立并证实有效的结构形式的同时,在具有超过150mm的较大的额定直径时,也能具有尽可能高的测量精度,即,测量精度为99.8%或更高,从而测量误差小于0.02%。
为了实现这个目的,本发明提供了一种振动型测量变送器,用于测量管道中引导的可流动介质的物理参数,该测量变送器包括:
变送器外壳(10),经由入口侧末端和出口侧末端与管道机械联接;
可振荡地保持在变送器外壳(10)中并且至少间歇振动的第一变送器管(4)和与第一变送器管(4)机械联接并同样至少间歇振动的第二变送器管(5),其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)在工作期间至少间歇执行弯曲振荡,该弯曲振荡围绕平行于测量变送器纵轴(L)的虚拟振荡轴,并且至少第一变送器管(4)实施为用于引导待测介质且与管道相通的第一测量管;
电机的激励器装置(60),作用于至少一条变送器管(4,5),用于产生和/或维持所述至少一条变送器管(4,5)的机械振荡;
传感器装置,对至少第一变送器管(4)的运动作出反应,用于产生至少一个代表第一变送器管(4)的振荡的振荡测量信号(svb);以及
至少三个将第一和第二变送器管(4,5)在入口侧彼此连接的入口侧耦合元件(217a,217b,217c);和至少三个将第一和第二变送器管(4,5)在出口侧彼此连接的出口侧耦合元件(218a,218b,218c)。
另外,在本发明中,上述测量变送器用于测量管道中引导的可流动介质的,该管道的口径大于150mm,特别是为250mm,并且/或者用于测量管道中流经的介质的质量流量,该质量流量至少间歇地达到大于900t/h,特别是至少间歇地大于1200t/h。
根据本发明的测量变送器的第一实施例,两条变送器管在工作期间彼此基本反相振荡。
根据本发明的测量变送器的第二实施例,两条变送器管的每一条具有至少分段弯曲的特别是基本U形、V形或梯形的中央中间管段。
根据本发明的测量变送器的第三实施例,入口侧耦合元件和出口侧耦合元件这样设置并固定在两条变送器管上,使得由振动的变送器管在变送器外壳内部产生的夹钳力被最小化,这些夹钳力主要在测量变送器的惯性主轴方向上作用,该主轴基本垂直于纵轴并且基本位于在变送器管的两个弯曲中间管段之间延伸的测量变送器虚拟中间平面。
根据本发明的测量变送器的第四实施例,两条变送器管的每一条在入口侧具有直的入口管段,其基本平行于虚拟振荡轴延伸。入口管段各自经由入口侧弯曲居间管段通入居间管段。两条变送器管的每一条在出口侧具有直的出口管段,其基本平行于虚拟振荡轴延伸。出口管段各自经由出口侧弯曲居间管段通入居间管段。
根据本发明的测量变送器的第五实施例,将两条变送器管在入口侧彼此连接的耦合元件中的至少一个第一耦合元件和至少一个第二耦合元件各自固定至第一和第二变送器管的入口侧居间管段;并且将两条变送器管在出口侧彼此连接的耦合元件中的至少一个第一耦合元件和至少一个第二耦合元件各自固定至第一和第二变送器管的出口侧居间管段。
根据本发明的测量变送器的第六实施例,将两条变送器管在入口侧彼此连接的耦合元件中的至少一个第三耦合元件固定至第一和第二变送器管的入口管段;并且将两条变送器管在出口侧彼此连接的耦合元件中的至少一个第三耦合元件固定至第一和第二变送器管的出口管段。
根据本发明的测量变送器的第七实施例,第一变送器管基本平行于第二变送器管延伸。
根据本发明的测量变送器的第八实施例,第一变送器管基本与第二变送器管等同构造。
根据本发明的测量变送器的第九实施例,测量变送器还包括将第一和第二变送器管在入口侧连接在一起的第一分配件以及将第一和第二变送器管在出口侧连接在一起的第二分配件,其中第二变送器管构造为测量变送器的同样用于引导待测介质并同样与管道相通的第二测量管。根据本发明的这个实施例的进一步发展,两个分配件的每一个的质量大于10kg,特别是大于20kg。
根据本发明的测量变送器的第十实施例,变送器外壳包括特别是钢制的支架元件,至少一条变送器管在入口侧及出口侧与其机械连接。在本发明的这个实施例的进一步发展中,支架元件构造为侧向至少部分敞开的特别是管状支架圆柱的形式。支架元件与至少一条变送器管相连,使得其至少一个弯曲管段侧向突出支架圆柱。根据本发明的这个进一步发展的另一实施例,支架元件的质量至少为70kg,特别是大于140kg,并且/或者长度至少为1000mm,特别是大于1200mm。
根据本发明的测量变送器的第十一实施例,每一变送器管以及变送器外壳至少部分由钢,特别是不锈钢制成。
根据本发明的测量变送器的第十二实施例,每一变送器管的质量至少为10kg,特别是大于25kg。
根据本发明的测量变送器的第十三实施例,每一变送器管的内径为至少80mm,特别是大于100mm。
根据本发明的测量变送器的第十四实施例,每一变送器管的横截面的惯性面积矩大于2x104mm3,特别是大于4x106mm4。
根据本发明的测量变送器的第十五实施例,每一变送器管的横截面的抗弯截面系数大于106mm4,特别是大于2x 106mm4。
根据本发明的测量变送器的第十六实施例,每一变送器管的伸直长度至少为1000mm,特别是大于1500mm。
根据本发明的测量变送器的第十七实施例,两条变送器管的每一中间管段基本为V形,并且两条变送器管的每一中间管段的顶峰的夹角小于150,特别是小于120。
根据本发明的测量变送器的第十八实施例,测量变送器的内振荡系统由两条变送器管、至少瞬时在其中引导的介质以及至少部分由激励器配置和传感器配置形成,并且激励器配置驱动内振荡系统在测量变送器工作期间至少间歇地执行机械振荡,特别是横向振荡形式的机械振荡,其具有至少一个有效振荡频率,该频率依赖于变送器管的尺寸、形状和材料以及介质的瞬时密度,并且该频率在测量变送器的操作期间在预定的具有频率上限和频率下限的有效频带内可变。在本发明的这个实施例的进一步发展中,内振荡系统的总质量达到至少70kg,并且特别是在工作期间至少间歇地大于90kg。
根据本发明的测量变送器的第十九实施例,测量变送器的外振荡系统由变送器外壳以及至少部分由分配件形成,而测量变送器的内振荡系统由两条变送器管、至少瞬时在其中引导的介质以及至少部分由激励器配置和传感器配置形成,并且激励器配置驱动内振荡系统在测量变送器工作期间至少间歇地执行机械振荡,特别是横向振荡形式的机械振荡,其具有至少一个有效振荡频率,该频率依赖于变送器管的尺寸、形状和材料以及介质的瞬时密度,并且该频率在测量变送器的操作期间在预定的具有频率上限和频率下限的有效频带内可变。在本发明的这个实施例的进一步发展中,外振荡系统的总质量达到至少200kg,并且特别是大于300kg。在本发明的这个实施例的另一进一步发展中,在工作期间,外振荡系统的总质量与内振荡系统的总质量的质量比至少间歇地,但特别是持续地小于3,特别是小于2.5。
根据本发明的测量变送器的第二十实施例,整个测量变送器的安装质量与测量变送器的额定直径的安装质量-额定直径之比达到至少1.5,特别是大于2。其中额定直径对应于其中要插入测量变送器的管道的口径。
根据本发明的测量变送器的第二十一实施例,整个测量变送器的安装质量大于200kg,特别是大于400kg。
本发明的基本思想是利用在振动的变送器管的末端区域中,特别是在居间管段的区域中可能的至少六个耦合元件,抑制产生的干扰振荡,特别是在测量变送器的垂直轴的方向上作用的干扰振荡。这里,本发明基于以下令人惊异的发现:通过使用至少2×3个耦合元件以及它们在居间管段区域中的配置,相比现有的具有2×2耦合元件的测量变送器,在变送器外壳中特别是基于振荡的形变的作用方向或者在分配件中产生的夹钳力的作用方向至少转入对于测量损害较小的方向,并且同时可以至少显著减小否则将在垂直轴方向作用的干扰振荡。于是,从实际观点出发,在入口侧安装在变送器管上的至少三个耦合元件以及在出口侧安装在变送器管上的至少三个耦合元件用作机械极化滤波器,其这样构造,使得至少在测量变送器的垂直轴方向上作用的干扰振荡被抑制或者甚至被消除。
本发明的一个优点在于,与具有四个耦合元件的现有测量变送器相比,通过使用两个附加的耦合元件,并且因而与现有的测量变送器相比没有很大的额外付出,很大程度上并且在最好的情况中甚至几乎完全地实现了抵消主要是干扰的且特别是在测量变送器的垂直轴方向上作用的夹钳力。于是,本发明的另一优点在于,能够实现具有大于150mm的较大额定直径,特别是大于200mm的额定直径的振动型测量变送器,它们成本低廉并且具有可手持的安装质量。同时,本发明的另一优点在于,能够在很大程度上维持特别是变送器管的已经建立并被证实的结构形式。
于是,本发明的测量变送器还适用于测量在口径大于150mm特别是250mm的管道中引导的可流动介质的物理参数。另外,测量变送器还适用于测量至少间歇地大于900t/h特别是至少间歇地大于1200t/h的质量流量,这可以例如在测量油、天然气或其它石化材料的应用情况中发生。
附图说明
现在根据实施例和附图详细解释本发明。各附图中功能相同的部件具有相同的附图标记,仅当有用时才在后面的图中重复显示。
图1、2是用于解释现有测量变送器的振荡运动的示意性不同侧视简图;
图3a、b显示了在线测量仪表的不同侧视图,该仪表例如用作科里奥利质量流量/密度和/或粘度测量仪表;和
图4至6以不同的部分剖面侧视图显示了适用于图3a、b中显示的在线测量仪表适用的振动型测量变送器的细节。
具体实施方式
图3a、b显示了在线测量仪表1,特别是科里奥利质量流量和/或密度测量仪表,其例如用于检测(未显示的)管道中流动的介质的质量流量m并用于将其映射为瞬时代表这个质量流量的质量流量测量值Xm。介质实际上可以是任何可流动物质,例如粉末、液体、气体、蒸汽等。作为替代或者补充,如果需要,在线测量仪表1也可以用于测量介质的密度ρ和/或粘度η。特别地,测量变送器用于测量例如油、天然气或其它石化材料这样的介质,该介质在口径大于150mm特别是口径为250mm的管道中流动,并且/或者至少间歇地具有大于900t/h特别是大于1200t/h的质量流量。
为了测量介质,在线测量仪表1包括:振动型测量变送器10,介质在工作期间流经该变送器;和测量仪表电子器件20(这里仅以方框示意性显示),其与测量变送器10电连接。具有优点地,测量仪表电子器件20能够在在线测量仪表1工作期间经由数据传输系统与上位的测量值处理单元交换测量数据和/或其它操作数据,该测量值处理单元例如是可编程逻辑控制器(SPS)、个人电脑和/或工作站,数据传输系统例如是现场总线系统。另外,测量仪表电子器件能够由外部电源例如通过上述现场总线系统供电。对于在线测量仪表联接至现场总线或其它通信系统的情况,特别是可编程的测量仪表电子器件20还具有相应的通信接口用于数据通信,例如用于将测量数据发送至上述可编程逻辑控制器或上位过程控制系统。
图3a、b和4至6显示了特别是用作科里奥利质量流量、密度和/或粘度变送器的测量变送器1的实施例的不同视图。正如已经提到的,测量变送器1用于在流经的介质中产生机械反作用力,特别是依赖于质量流量的科里奥利力、依赖于介质密度的惯性力和/或依赖于介质粘度的摩擦力,这些力可测量地即可由传感器检测地反作用于测量变送器。从这些描述介质的反作用力,利用以现有技术熟知的方式相应实施在测量仪表电子器件中的分析方法,可以测量介质的例如质量流量、密度和/或粘度。在工作中,测量变送器1经由法兰2、3插入由待测介质流经的管道(未显示),待测介质特别是粉末、液体、气体或蒸汽。代替法兰,测量变送器1还可以通过其它已知装置,例如三通或螺旋连接,连接至所述管道。
为了引导待测介质的至少部分体积,测量变送器包括至少一条第一变送器管4,其用作测量管并可振荡地支持在变送器外壳10中。在使用中,第一变送器管4与管道相通,并且由电机激励器配置60驱动至少间歇地以至少一个适于确定物理测量变量的振荡模式振动。除了特别是一体构成的变送器管4之外,如图5和6所示,还在测量变送器中提供了第二变送器管5,其与第一变送器管4基本等同,特别是同样与管道相通并用作测量变送器的第二测量管。在工作期间,第二变送器管5同样执行机械振荡。至少第一变送器管的振荡由对其运动特别是其弯曲振荡作出反应的传感器配置检测并被转换为代表该振荡的振荡测量信号svb。于是,实际上,由两条变送器管4、5、至少瞬时在其中引导的介质以及至少部分由激励器和传感器配置60、70形成的测量变送器1的整个内振荡系统在测量变送器1工作期间至少间歇执行具有至少一个有效振荡频率Fn的机械振荡,该机械振荡至少间歇地和/或至少部分地是横向振荡,特别是弯曲振荡。同时,以本领域技术人员熟知的方式,有效振荡频率Fn依赖于两条变送器管4、5的尺寸、形状和材料以及特别是依赖于介质的瞬时密度,并且因而在测量变送器工作期间在预定的具有频率上限和下限的有效频带ΔFn中可变。在测量变送器的工作期间,内振荡系统的瞬时有效振荡频率Fn优选地被控制和调整,使得它基本对应于内振荡系统的瞬时自然谐振频率。
正如图5和6以及例如US-B 6711958、US-A 5796011、US-A 5301557中所示,两条特别是至少分段地彼此平行的变送器管可以利用相应的分配件11、12分别在入口侧和出口侧彼此连接成为在工作期间被并行流经的流动路径;然而,它们也可以如US-A 6044715中所示,基于顺序排列的流动路径而串联连接在一起。然而,也可以例如在US-B6666098或US-A 5549009中所建议的,仅使用两条变送器管中的一条作为用于引导介质的测量管,而另一条作为盲管,不引导待测介质而是用于减少测量变送器中的固有不平衡。根据本发明的优选实施例,两条变送器管4、5中的每一条具有至少一个中央中间管段41、51,其至少分段地在至少一个平面中弯曲。关于这一点,变送器管4、5可以如US-B 6776052所示,具有清楚的U形形式,或者例如在US-B 6802224或US-B 6711958中建议的以及图4-6中显示的,基本为V形。另外,变送器管可以仅略微弯曲,正如例如在US-A 5796011中描述的;或者是矩形或梯形的,正如例如在WO-A 01/65213、US-B 6308580、US-A 6092429、US-A 6044715中显示的。适用于变送器管的材料特别是钢,特别是不锈钢、钛、锆或钽。然而,除此之外,用于变送器管的材料实际上可以是通常使用的或至少适用的任何材料。
在所示实施例中,两条变送器管4、5的至少中间管段41、51至少部分在工作期间被至少部分固定于其的电机激励器配置60激励执行悬臂式振动,其中它们横向偏离上述平面并且基本彼此反相地振荡。第一变送器管和第二变送器管在工作期间至少间歇地执行围绕基本平行于测量变送器纵轴L的虚拟振荡轴的弯曲振荡。换言之,至少中间管段41、51以在一端被夹钳的悬臂或音叉的叉齿的形式,以弯曲振荡模式振荡。在本发明的进一步发展中,两个中央中间管段的每一个都基本V形或甚至梯形弯曲。在本发明的这个实施例的进一步发展中,两条变送器管4、5的每一条还在入口侧包括直的入口管段,其基本平行于虚拟振荡轴延伸并且各自通过弯曲的入口侧居间管段通入各中间管段。而且,两条变送器管4、5的每一条还在出口侧包括直的出口管段,其基本平行于虚拟振荡轴延伸并且通过弯曲的出口侧居间管段通入各中间管段。在本发明的这个实施例的另一发展中,每一中间管段的顶峰的夹角小于150,特别是小于120。
正如已经提到的,测量变送器1特别地用于测量较大口径的管道中的较高质量流量。因此,测量变送器1的另一实施例中,至少用作测量管的变送器管4具有至少80mm的内径。特别地,至少变送器管4这样构造,使得其内径大于100mm,特别是甚至大于110mm。在本发明的另一实施例中,变送器管4的横截面的惯性面积矩大于2x104mm3,特别是大于4x106mm4,并且/或者其抗弯截面系数大于106mm4,特别是大于2x106mm4。另外,在本发明的另一实施例中,用作测量管的变送器管4的伸直长度至少为1000mm,特别是大于1500mm。相应地,至少对于变送器管4由钢制成的情况,这个例子至少对于略大于1mm的壁厚导致至少10kg的质量。在本发明的另一实施例中,至少变送器管4的尺寸这样确定,使得由于大约5mm的相对较大的壁厚和/或大约2000mm的相对较大的伸直长度,质量大于25kg。这里应当注意,至少对于第二变送器管5同样用作测量管的情况,第二变送器管5基本平行于第一变送器管4设置并且基本与其等同构造,并且因而具有相同的物理特性和相同的几何特性。考虑到作为特殊尺寸的结果,每一条变送器管4、5都远比10kg重并且因而正如从上面的测量数据中清楚地看到的,能够具有101或更多的容量,所以包括两条变送器管4、5在内的内振荡系统至少在流经较高密度的介质时能够达到远高于50kg的总质量。特别是在使用具有相对较大内径、壁厚和伸直长度的变送器管的情况中,内振荡系统的质量能够轻易地大于70kg,或者至少当介质流经其中时大于90kg。
除了变送器外壳10和其中支持的变送器管4、5,测量变送器1还包括电机的特别是电动的激励器配置60,其作用于至少一条变送器管4,用于产生和/或维持机械振荡。另外,测量变送器包括传感器配置70,其对变送器管4的机械振荡,例如弯曲振荡作出反应,用于产生至少一个代表变送器管4的振荡的振荡测量信号Svb。于是,至少两条变送器管4、5以及附加固定于其上的部件(诸如激励器配置69的零件和传感器配置70的零件)构成测量变送器的内振荡系统。
为了产生和/或维持至少一条变送器管的机械振荡,所述实施例的激励器配置60具有在两条变送器管4、5顶峰区域中,特别是大约在中间设置的至少一个振荡激励器。振荡激励器可以例如是电动类型的,于是,利用固定至变送器管5的励磁线圈62和相应固定至另一变送器管4并插入线圈62的电枢61,实现振荡激励器。
为了检测至少一个变送器管4的振动,并且为了产生至少一个代表变送器管4的振荡的振荡测量信号Svb,正如已经提到的,提供传感器配置,利用它能够以这种测量变送器常见的方式将管段41特别是在入口及出口侧的振动用信号表示并馈送以供进一步的电子处理。为此,在所示实施例中,传感器配置包括在入口侧位于变送器管4、5上的第一振荡传感器以及在出口侧位于变送器管4、5上的第二振荡传感器。特别地,第二振荡传感器基本与第一振荡传感器基本等同构造。振荡传感器可以同样是电动类型的,也就是各自由固定至变送器管5的励磁线圈72、82以及插入其中并相应固定在另一变送器管4上的电枢71、81实现的振荡传感器。除此之外,也可以使用本领域技术人员熟知的其它振荡传感器,例如光电振荡传感器。为了基于至少一个振荡测量信号Svb确定至少一个物理测量变量,正如在这种测量变送器中通常的那样,激励器配置60和传感器配置70还以合适的方式,例如流电地和/或光电地联接至在测量仪表电子器件20中相应提供的测量及工作电路。测量及工作电路一方面产生相应驱动激励器配置60,例如控制激励电流和/或激励电压的激励信号sxc。另一方面,测量及工作电路接收传感器配置70的至少一个振荡测量信号svb,并由此生成期望的测量值,其例如代表被测介质的质量流量、密度和/或粘度,并且如果需要,该测量值可以显示或者在更高的级别被进一步处理。包括测量及工作电路在内的测量仪表电子器件20能够例如容纳在独立的电子器件外壳9中,该外壳远离测量变送器设置或者可以例如从外部直接固定至测量变送器1,在这种情况中形成单独的紧凑仪器。在这里所示实施例的情况中,颈状过渡件8另外安装在变送器外壳上,用于支持电子器件外壳9。在图4至6中,省略了过渡件8和电子器件外壳9;只有图6显示了用于过渡件8的安装表面63,其在变送器外壳10的壁中凹入。电缆64设置在安装表面63中,利用它可以实现到激励器配置60和传感器配置70以及可能的其它电子元件(诸如在测量变送器1内可能提供的压力和/或温度传感器)的电子连接。
测量变送器的变送器管4、5以及其上安装的激励器及传感器配置实际上完全被变送器外壳10封闭,这从图3a、b和5中可以清楚地看到,并且实际上对于这种类型的测量变送器是常见的。于是,变送器外壳10不仅用作变送器管4、5的支架,而且还用于保护位于测量变送器1内部的元件,诸如激励器和传感器配置以及其它位于变送器外壳内部的测量变送器元件,令它们不受外界环境诸如灰尘或水气的影响。除此之外,变送器外壳10还可以这样实施并定尺寸,使得在例如由于形成裂缝或爆裂而可能的对于变送器管4的损害的情况中,逃逸的介质尽可能完全保持在变送器外壳内部,直到所需的最大过压。对于变送器外壳,特别是外壳盖7,可以选择的材料包括钢,诸如结构钢或不锈钢,或者其它合适的高强度材料。在测量变送器的另一实施例中,特别是至少分段弯曲的变送器管4以及变送器外壳由相同的材料制成,特别是由钢或不锈钢;或者至少由彼此相似的材料制成,特别是不同类型的钢。另外,将法兰构造为变送器外壳的整体部件,正如图3a、b所示且对于这种测量变送器是非常普遍的,以获得尽可能短的安装长度以及尽可能高的测量变送器稳定性;同样,可能存在的分配件11、12也可以直接集成在变送器外壳中。
在这里显示的实施例情况中,变送器外壳10包括支架元件6(这里显示为侧向至少部分敞开的支架圆柱),正如图4至6所示,其与至少一条变送器管在入口侧及出口侧机械连接,从而至少一个弯曲管段41侧向向外延伸。另外,变送器外壳包括与变送器管4、5的弯曲中间管段相距设置并且特别是持久地和/或介质密封地固定至支架元件6的外壳盖7。在这里所示实施例的情况中,至少变送器管4在入口及出口侧保持在这里为管状的支架元件6中,使得可振荡的中间管段41延伸穿过支架元件6的两个切块61、62,侧向向外突出并且进入同样固定在支架元件6上的外壳盖7。应当注意,代替这里基本管状的支架元件6,还可以使用具有其它合适横截面的实心支架柱体,例如束状的支架元件。
依赖于对于变送器外壳4、5实际上选择了什么形状和伸直长度,这里基本为圆柱体的支架元件的长度基本等于或者略短于变送器管4、5的伸直长度。相应地并且考虑彼此基本等同的变送器管4、5的上述尺寸,这个测量变送器实施例的支架元件同样具有至少约1000mm的长度。优选地,圆柱体支架元件的长度大于1200mm。另外,特别是在支架元件由钢制成的情况中,支架元件的质量为至少70kg。根据测量变送器的另一实施例,支架元件这样构造并定尺寸,使得其质量大于140kg。相应地,本发明的测量变送器这样构造并定尺寸,使得由变送器外壳和可能存在的分配件构成的外振荡系统的总质量与内振荡系统的总质量的质量比能够小于3,特别是小于2。
如图3a、b示意性显示的,用于容纳管段41的外壳盖7包括沟道状盖片段10c,以及基本平面的第一侧向外壳片段10a和与其基本镜像对称的第二侧向外壳片段10b。正如结合图3a和3b清楚地看到的,盖片段10c的形状基本对应于螺旋管外罩的形状。相应地,盖片段10c具有基本圆弧状的优选半圆形的具有可预定半径r的横截面,并且至少虚拟地,具有基本圆弧状的第一片段边缘10c’以及第二片段边缘10c”,其中第一片段边缘的半径R显著大于半径r,第二片段边缘与第一片段边缘基本等同地形成。如果需要,横截面和片段边缘都可以成型为不是理想的圆形,而是略微椭圆形。正如结合图3a、b和4清楚地看到的,侧向的外壳片段10a、10b各自经由圆弧状第一片段边缘10a’或10b’与盖片段10c的第一或第二片段边缘10c’、10c”连接,并且侧向外壳片段10a、10b各自在盖片段10c的切平面中并因而基本朝向可以在所属片段边缘10ca或10cb上的切线对齐。换言之,在盖片段10c和外壳片段10a之间以及在盖片段10c和外壳片段10b之间,存在在很大程度上连续的也就是尽可能平滑的过渡,从而在允许的内部过压的情况中,几乎不产生弯曲应力或者仅产生非常小的弯曲应力。另外,外壳盖7经由盖片段10c的第三片段边缘10c+和第四片段边缘10c#以及各自经由第一和第二侧向外壳片段10a、10b的第二片段边缘10a”、10b”固定至支架元件6,并且使得盖片段或外壳片段10c、10a、10b在工作期间保持与至少一个振动的管段41相距。为了制造外壳盖7,片段10c、10a、10b各自独立预制并随后接合在一起,特别是焊接在一起。具有优点地,在制造外壳盖7中,例如可以使用在已经提到的WO-A 03/021202中介绍的制造可用作外壳盖7的金属盖的方法,其中通过焊接基本同等形状的两个半盖而形成外壳盖,该两个半盖特别是由盘状半成品切割的且具有边缘焊缝,特别是四分之一环形状的焊缝。另外,外壳盖7还可以例如从合适厚度的金属板伸拉。
在测量变送器的一个实施例中,这样定外壳盖7的尺寸,使得特别是在钢作为外壳材料的情况中,它的质量为至少10kg,特别是大于20kg。考虑到支架元件可以轻易地具有70kg或更多的质量,因而对于变送器外壳得到至少为80kg特别是大于160kg的质量。然而,对于上述情况对于外振荡系统的总质量在测量变送器中提供法兰和/或分配件并且它们属于外振荡系统,也估计相应更高的质量并且在将外振荡系统与内振荡系统匹配时相应考虑它。至少对于这种情况,整个外振荡系统的质量可以轻易地达到200kg或显著高于它。特别是在应用内径大于100mm的变送器管的情况中,外振荡系统的质量能够远高于300kg。在这里所示测量变送器1的实施例情况中,在支架元件的入口及出口侧各自提供传递耳柄,正如图4和6示意性显示的,它们用作对于可能的安装辅助工具(例如提拉工具的合适的缆线或皮带)的确定的附着点,以更好防止例如由于不合适地运输或不合适地选择附着点而对可能超过500kg重的测量变送器的损伤。为了将在外振荡系统上特别是在变送器外壳的上获得的干扰振荡最小化,合适的支撑元件可以固定至变送器外壳,例如在未公开的德国专利申请DE102004053883.2中记载的。
为了调整内振荡系统的机械谐振频率,以及为了将由振动的管在变送器外壳入口侧或出口侧引起的机械应力和/或振动最小化,两条变送器管4、5在入口侧利用至少三个耦合元件217a、217b、217c机械连接在一起,并且在出口侧利用至少三个耦合元件218a、218b、218c机械连接在一起。
在本方面的一个实施例中,入口侧的特别是盘状的耦合元件217a、217b、217c,以及出口侧的特别是盘状的耦合元件218a、218b、218c设置并固定在两条变送器管上,使得至少那些由振动的变送器管4、5在变送器外壳内部产生的夹钳力被最小化,它们主要在测量变送器的惯性主轴H的方向上作用,其中该惯性主轴基本垂直于振荡轴延伸并且基本位于在变送器管4、5的两个弯曲中间管段41、51之间的测量变送器虚拟中间平面E中,从而在开始所述的测量变送器的垂直轴的方向上。在这种情况中,正如从图4中清楚地看到并且对于所述类型的测量变送器常见的,六个耦合元件217a、217b、217c、218a、218b、218c这样设置并定向,使得维持测量变送器相对于垂直轴H以及相对于所属中间平面的对称。
已经惊奇地发现,在这种情况中,在两个变送器管4、5的尺寸和/或定位方面,内振荡系统的有效振荡频率Fn可以仍然主要由最靠近变送器管中点的耦合元件217a、218a影响,而最远离变送器管中点的耦合元件217c、218c可以用于优化主要垂直于垂直轴H(X方向)作用的夹钳力,并且在入口侧三个耦合元件和出口侧三个耦合元件中各自的中间耦合元件(这里是耦合元件217b、218b)可以用于优化主要在垂直轴方向(Y方向)作用的夹钳力。于是,对于具体的测量变送器,一旦给出了内振荡系统的期望有效频带ΔFn,就可以找到至少六个耦合元件217a、217b、217c、218a、218b、218c的最优位置,而只需要非常少的试验工作和/或利用计算机辅助计算特别是仿真。
也是作为这种调查的结果,在本方面的另一实施例中,将两条变送器管4、5在入口侧彼此连接的耦合元件217a、217b、217c中的至少一个第一耦合元件和至少一个第二耦合元件217a、217b各自在入口侧固定至第一和第二变送器管4、5的居间管段43、53。同样在本发明的这个实施例情况中,将两条变送器管4、5在出口侧彼此连接的耦合元件218a、218b、218c中的至少一个第一耦合元件和至少一个第二耦合元件218a、218b各自在出口侧固定至第一和第二变送器管4、5的居间管段45、55。在本发明的另一实施例中,将两条变送器管4、5在入口侧彼此连接的耦合元件217a、217b、217c中的至少一个第三耦合元件217c固定至第一和第二变送器管4、5的入口管段42、52,并且将两条变送器管4、5在出口侧彼此连接的耦合元件218a、218b、218c中的至少一个第三耦合元件218c固定至第一和第二变送器管4、5的出口管段44、54。
Claims (31)
1.振动型测量变送器,用于测量管道中引导的可流动介质的质量流量、密度和粘度,该测量变送器包括:
变送器外壳(10),经由入口侧末端和出口侧末端与管道机械联接;
可振荡地保持在变送器外壳(10)中并且至少间歇振动的第一变送器管(4)和与第一变送器管(4)机械联接并同样至少间歇振动的第二变送器管(5),其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)在工作期间至少间歇执行弯曲振荡,该弯曲振荡围绕平行于测量变送器纵轴的虚拟振荡轴,并且至少第一变送器管(4)实施为用于引导待测介质且与管道相通的第一测量管;
电机的激励器装置(60),作用于至少一条变送器管(4,5),用于产生和/或维持所述至少一条变送器管(4,5)的机械振荡;
传感器装置,对至少第一变送器管(4)的运动作出反应,用于产生至少一个代表第一变送器管(4)的振荡的振荡测量信号;以及
至少三个将第一和第二变送器管(4,5)在入口侧彼此连接的入口侧耦合元件(217a,217b,217c);和至少三个将第一和第二变送器管(4,5)在出口侧彼此连接的出口侧耦合元件(218a,218b,218c)。
2.根据权利要求1所述的测量变送器,其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)在工作期间彼此反相振荡。
3.根据权利要求2所述的测量变送器,其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)的每一条具有至少分段弯曲的中央中间管段(41,51)。
4.根据权利要求3所述的测量变送器,其中入口侧耦合元件(217a,217b,217c)和出口侧耦合元件(218a,218b,218c)这样设置并固定在第一变送器管(4)和第二变送器管(5)上,使得由振动的变送器管(4,5)在变送器外壳内部产生的夹钳力被最小化,这些夹钳力主要在测量变送器的惯性主轴方向上作用,该惯性主轴垂直于纵轴分布并且位于在第一变送器管(4)和第二变送器管(5)的中央中间管段(41,51)之间分布的测量变送器虚拟中间平面。
5.根据权利要求4所述的测量变送器,其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)的每一条各自在入口侧具有直的入口管段(42,52),其平行于虚拟振荡轴分布,该入口管段各自经由入口侧弯曲居间管段(43,53)通入中央中间管段(41,51);并且其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)的每一条各自在出口侧具有直的出口管段(44,54),其平行于虚拟振荡轴分布,该出口管段各自经由出口侧弯曲居间管段(45,55)通入中央中间管段(41,51)。
6.根据权利要求5所述的测量变送器,其中将第一变送器管(4)和第二变送器管(5)在入口侧彼此连接的入口侧耦合元件(217a,217b,217c)中的至少一个第一和至少一个第二耦合元件(217a,217b)各自固定至第一和第二变送器管(4,5)的入口侧弯曲居间管段(43,53);并且其中将第一变送器管(4)和第二变送器管(5)在出口侧彼此连接的出口侧耦合元件(218a,218b,218c)中的至少一个第一和至少一个第二耦合元件(218a,218b)各自固定至第一和第二变送器管(4,5)的出口侧弯曲居间管段(45,55)。
7.根据权利要求6所述的测量变送器,其中将第一变送器管(4)和第二变送器管(5)在入口侧彼此连接的入口侧耦合元件(217a,217b,217c)中的至少一个第三耦合元件(217c)固定至第一和第二变送器管(4,5)的入口管段(42,52);并且其中将第一变送器管(4)和第二变送器管(5)在出口侧彼此连接的出口侧耦合元件(218a,218b,218c)中的至少一个第三耦合元件(218c)固定至第一和第二变送器管(4,5)的出口管段(44,54)。
8.根据前述任一权利要求1-7所述的测量变送器,其中第一变送器管(4)平行于第二变送器管(5)分布。
9.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中第一变送器管(4)与第二变送器管(5)等同构造。
10.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,还包括将第一和第二变送器管(4,5)在入口侧彼此连接的第一分配件(11)以及将第一和第二变送器管(4,5)在出口侧彼此连接的第二分配件(12),其中第二变送器管(5)构造为测量变送器的同样用于引导待测介质并同样与管道相通的第二测量管。
11.根据权利要求10所述的测量变送器,其中两个分配件(11,12)的每一个的质量大于10kg。
12.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中变送器外壳(10)包括钢制的支架元件(6),第一变送器管(4)在入口侧及出口侧与其机械连接。
13.根据权利要求12所述的测量变送器,其中支架元件(6)构造为侧向至少部分敞开的支架圆柱,该支架圆柱与第一变送器管(4)相连,使得至少一个弯曲的中央中间管段(41)侧向突出支架圆柱。
14.根据权利要求13所述的测量变送器,其中支架元件(6)的质量至少为70kg,并且/或者长度至少为1000mm。
15.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中第一变送器管(4)、第二变送器管(5)以及变送器外壳(10)的每一个至少部分由钢制成。
16.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中每一变送器管(4,5)的质量至少为10kg。
17.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中每一变送器管(4,5)的内径为至少80mm。
18.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中每一变送器管(4,5)的横截面的惯性面积矩大于2x104mm3。
19.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中每一变送器管(4,5)的横截面的抗弯截面系数大于106mm4。
20.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中每一变送器管(4,5)的伸直长度至少为1000mm。
21.根据权利要求3或4所述的测量变送器,其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)的每一中央中间管段为V形,并且其中第一变送器管(4)和第二变送器管(5)的每一中央中间管段的顶峰的夹角小于150°。
22.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中由第一变送器管(4)和第二变送器管(5)、至少瞬时在其中引导的介质以及激励器装置和传感器装置(60,70)形成测量变送器的内振荡系统,并且其中激励器装置(60)驱动内振荡系统在测量变送器工作期间至少间歇地执行机械振荡,该机械振荡具有至少一个有效振荡频率,该频率依赖于第一变送器管(4)和第二变送器管(5)的尺寸、形状和材料以及介质的瞬时密度,并且该频率在测量变送器工作期间在预定的具有频率上限和频率下限的有效频带内可变。
23.根据权利要求22所述的测量变送器,其中内振荡系统的总质量为至少70kg,或是在工作期间至少间歇地大于90kg。
24.根据权利要求10所述的测量变送器,其中由变送器外壳以及至少由分配件形成测量变送器的外振荡系统,而由第一变送器管(4)和第二变送器管(5)、至少瞬时在其中引导的介质以及激励器装置和传感器装置(60,70)形成测量变送器的内振荡系统,并且其中激励器装置(60)驱动内振荡系统在测量变送器工作期间至少间歇地执行机械振荡,该机械振荡具有至少一个有效振荡频率,该频率依赖于第一变送器管(4)的尺寸、形状和材料以及介质的瞬时密度,并且该频率在测量变送器工作期间在预定的具有频率上限和频率下限的有效频带内可变。
25.根据权利要求24所述的测量变送器,其中外振荡系统的总质量为至少200kg。
26.根据权利要求24或25所述的测量变送器,其中外振荡系统的总质量与内振荡系统的总质量的质量比在工作期间至少间歇地小于3。
27.根据权利要求26所述的测量变送器,其中外振荡系统的总质量与内振荡系统的总质量的质量比在工作期间持久地小于3。
28.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中整个测量变送器的安装质量与测量变送器的额定直径的安装质量-额定直径之比为至少1.5,其中所述额定直径对应于其中要插入测量变送器的管道的口径。
29.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器,其中整个测量变送器的安装质量大于200kg。
30.根据前述任一权利要求1-4所述的测量变送器的应用,用于测量在管道中引导的可流动介质的质量流量、密度和粘度,该管道的口径大于150mm;以及/或者用于测量流经管道的介质的质量流量,该质量流量至少间歇地大于900t/h。
31.根据权利要求30所述的测量变送器的应用,该管道的口径是250mm。
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