CN101903753A

CN101903753A - 振动流动装置和用于制造振动流动装置的方法

Info

Publication number: CN101903753A
Application number: CN200780102047.7A
Authority: CN
Inventors: C·R·格里芬; M·穆尔; A·W·潘克拉茨
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2010-12-01
Also published as: AU2007362570A1; RU2581428C2; WO2009078880A1; AR069593A1; EP2242999A1; CA2708271A1; RU2012156133A; AU2007362570B2; BRPI0722337A2; US20100263456A1; KR101231117B1; CA2708271C; JP2011508210A; KR20100101146A; US8215185B2

Abstract

本发明涉及一种振动流动装置，其包括至少一个管道、至少一个驱动器、至少一个拾取器以及至少一个壳体。所述至少一个驱动器使所述至少一个管道在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个传感器测量所述至少一个管道的运动。所述至少一个壳体包围所述至少一个管道的至少一部分。所述至少一个壳体的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。

Description

振动流动装置和用于制造振动流动装置的方法

【技术领域】

本发明涉及具有至少一个壳体的振动流动装置，其中所述至少一个壳体的振动模式在超过用于使管道振动的驱动频率的频率出现。

【背景技术】

振动流动装置(例如，诸如密度计和科里奥利流量计)被用于测量流动物质的特性，例如，诸如密度、质量流率、体积流率、总质量流量、温度以及其它信息。振动流动装置包括一个或多个管道，其可具有各种形状，例如，诸如直线、U形或不规则构造。

所述一个或多个管道具有一组固有振动模式，包括，例如简单弯曲、扭转、径向和耦合模式。所述一个或多个管道通过在这些模式(下文称为“驱动模式”)之一下在共振频率(下文称为“驱动频率”)由至少一个驱动器振动，以确定流动物质的特性。一个或多个电子设备将正弦驱动信号传送到所述至少一个驱动器，其通常为与通常被固定到管道上的磁体结合的磁体/线圈、以及被固定到支撑结构或另一管道上的线圈。驱动信号致使驱动器在驱动模式下使所述一个或多个管道在驱动频率振动。例如，驱动信号可为传送到线圈的周期性电流。

至少一个拾取器(pick-off)检测管道的运动，并且生成代表振动管道的运动的正弦拾取器信号。所述拾取器信号被传送到所述一个或多个电子设备；并且根据众所周知的原理，如果需要，拾取器信号可通过所述一个或多个电子设备被用来确定流动物质的特性或调节驱动信号。

振动流动装置还可包括壳体，其通常包围(多个)驱动器、(多个)拾取器和(多个)管道。壳体通常被用于各种原因，例如，包括为了提供稳定的、已知的或受控的操作环境，即没有湿气和有害气体的环境，或者为了保护(多个)管道、(多个)驱动器或(多个)拾取器，即与水分、碎屑隔离，或免于由于与其它物体接触而损坏或在运输期间损坏。

壳体也具有一个或多个固有振动模式，例如，包括简单弯曲、扭转、径向和侧向模式。例如，在图4中，弯曲模式将是关于轴线B的，而侧向模式将是关于轴线A的。如图5中所示，引起振动模式的特定频率将变化。该频率可根据各种因素变化，例如，包括如图5显示的流体密度，或诸如温度的环境条件。由驱动器产生并来自材料处理系统中其它源(诸如泵)的振动力可致使壳体在固有模式之一下振动。在被用于在驱动模式下驱动所述一个或多个管道的频率对应于致使壳体在其固有壳体振动模式之一下振动的频率的情况下，变得难以产生对流动物质特性的精确测量。

本发明针对克服这种在现有技术壳体中固有的缺点。

【发明内容】

本发明的范围仅通过所附权利要求来确定，并且不在任何程度上受此概述内的陈述影响。

在本发明的一个实施例中，振动流动装置包括至少一个管道、至少一个驱动器、至少一个拾取器以及至少一个壳体。所述至少一个驱动器使所述至少一个管道在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器测量所述至少一个管道的运动。所述至少一个壳体包围所述至少一个驱动器、所述至少一个拾取器、以及所述至少一个管道的至少一部分。所述至少一个壳体的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。

在本发明的另一实施例中，振动流动装置包括至少一个管道、至少一个驱动器、至少一个拾取器以及至少一个壳体。所述至少一个驱动器使所述至少一个管道在振动弯曲模式下在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器测量所述至少一个管道的运动。所述至少一个壳体包围所述至少一个管道的至少一部分。所述至少一个壳体的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。所述至少一个壳体设有在大致平行于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面长度、以及在大致正交于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面宽度，其中该截面长度的尺寸超过该截面宽度的尺寸。

在本发明的再另一实施例中，一种用于制造振动流动装置的方法，其包括提供至少一个管道、至少一个驱动器、至少一个拾取器以及至少一个壳体的步骤。所述至少一个驱动器被构造成使所述至少一个管道在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器被构造成测量所述至少一个管道的运动。所述至少一个壳体被构造成包围所述至少一个管道的至少一部分。所述至少一个壳体被构造使得所述至少一个壳体的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。

方面

根据本发明的一个方面，一种振动流动装置包括：

至少一个管道、至少一个驱动器和至少一个拾取器，其中所述至少一个驱动器使所述至少一个管道在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器测量所述至少一个管道的运动；以及

至少一个壳体，其包围所述至少一个驱动器、所述至少一个拾取器、以及所述至少一个管道的至少一部分，其中所述至少一个壳体的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。

优选地，所述至少一个驱动器使所述至少一个管道在振动弯曲模式下振动。

优选地，所述至少一个壳体被设置具有大致U形。

优选地，所述一个或多个驱动频率使所述至少一个管道在振动弯曲模式下振动，并且所述至少一个壳体设有在大致平行于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面长度、以及在大致正交于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面宽度，其中该截面长度的尺寸超过该截面宽度的尺寸。

优选地，将加强部件(stiffening member)固定到所述至少一个壳体上，以增加所述至少一个壳体的刚度(stiffness)。

优选地，所述振动流动装置为科里奥利流量计。

优选地，所述振动流动装置为密度计。

根据本发明的另一方面，一种振动流动装置包括：

至少一个管道、至少一个驱动器以及至少一个拾取器，其中所述至少一个驱动器使所述至少一个管道在振动弯曲模式下在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器测量所述至少一个管道的运动；

至少一个壳体，其包围所述至少一个管道的至少一部分，其中所述至少一个壳体的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现；以及

所述至少一个壳体设有在大致平行于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面长度、以及在大致正交于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面宽度，其中该截面长度的尺寸超过该截面宽度的尺寸。

优选地，所述至少一个壳体被设置具有大致U形。

优选地，所述振动流动装置为科里奥利流量计。

优选地，所述振动流动装置为密度计。

根据本发明的另一方面，一种用于制造振动流动装置的方法包括步骤：

提供至少一个管道、至少一个驱动器以及至少一个拾取器，其中所述至少一个驱动器被构造成使所述至少一个管道在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器被构造成测量所述至少一个管道的运动；

提供至少一个壳体，其被构造成包围所述至少一个管道的至少一部分，其中所述至少一个壳体被构造使得所述至少一个壳体的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。

优选地，所述至少一个驱动器被构造成使所述至少一个管道在振动弯曲模式下振动。

优选地，所述至少一个壳体被设置具有大致U形。

优选地，所述至少一个驱动器被构造成使所述至少一个管道在振动弯曲模式下振动，并且所述至少一个壳体设有在大致平行于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面长度、以及在大致正交于弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面宽度，其中该截面长度的尺寸超过该截面宽度的尺寸。

优选地，将加强部件固定到所述至少一个壳体上以增加壳体的刚度。

优选地，所述振动流动装置为科里奥利流量计。

优选地，所述振动流动装置为密度计。

【附图说明】

图1示出根据本发明一个实施例的振动流动装置的透视图。

图2示出根据本发明一个实施例的设有壳体的振动流动装置的透视图，该壳体以截面被显示出。

图3示出根据本发明一个实施例的设有壳体的振动流动装置的透视图。

图4示出根据本发明的一个实施例的壳体和管道沿图3的线C截取的截面图。

图5示出显示了流体密度与引起至少一个管道中振动驱动模式的频率和引起壳体中振动模式的频率之间关系的曲线图。

图6示出现有技术的典型壳体。

图7示出显示了根据本发明的一个实施例的流体密度与引起至少一个管道中驱动振动模式的频率和引起壳体中振动模式的频率之间的关系的曲线图。

图8示出被附接在增加壳体刚度的加强部件上的壳体。

【具体实施方式】

图1图示出形式为科里奥利流量计的振动流动装置5的实例，其包括传感器组件10、以及一个或多个电子设备20。所述一个或多个电子设备20经由导线100被连接到传感器组件10上，以测量流动物质的特性，例如，诸如密度、质量流率、体积流率、总质量流量、温度和通路26上的其它信息。

本例的传感器组件10包括：一对凸缘101和101′；歧管102和102′；驱动器104；拾取器105-105′；以及管道103A和103B。歧管102、102′被固定到管道103A、103B的相对端上。驱动器104以及拾取器105和 105′被连接到管道103A和103B上。驱动器104在驱动器104能够在驱动模式下使管道103A、103B振动的位置被固定到管道103A、103B上。拾取器在相对端被固定到103A、103B上，以检测管道103A、103B的运动。对本领域技术人员而言应当显而易见的是，不论管道数量、驱动器数量、拾取器数量、振动的操作模式或所确定的流动物质的特性如何，使用本文所描述的原理来结合任何类型的振动流动装置(包括例如密度计)都在本发明的范围内。

本例的凸缘101和101′被固定到歧管102和102′上。本例的歧管102和102′被固定到垫圈106的相对端上。在本例中，垫圈106保持歧管102和102′之间的间距，以防止管道103A和103B中不希望有的振动。当传感器组件10被插入运送流动物质的管线系统(未示出)中时，物质通过凸缘101进入传感器10，经过其中引导材料总量进入管道103A和103B的进口歧管102，流经管道103A和103B并且流回到出口歧管102′中，其在这里通过凸缘101′离开传感器组件10。

在本例中，驱动模式可以是例如第一异相弯曲模式，并且可以选择管道103A和103B并且将其恰当地安装到进口歧管102和出口歧管102′上，以便分别具有基本相同的关于弯曲轴线X和X′的质量分布、惯性矩和弹性模量。如所示的，管道以基本上平行的方式从歧管向外延伸。虽然管道103A、103B显示出被设置具有大致U形，但将管道103A、103B设有其它形状，例如，诸如直线或不规则形状，是在本发明的范围内的。此外，利用不同于异相弯曲模式的模式作为驱动模式是在本发明的范围内的。

在本例中，其中驱动模式可以是第一异相弯曲模式，管道103A、103B可以关于它们各自的弯曲轴线X和X′在相反的方向上被驱动器104驱动。驱动器104可包括许多公知装置之一，诸如安装到管道103A上的磁体和安装到管道103B上的反作用线圈(opposing coil)。使交流电通过反作用线圈以使管道103A、103B二者振荡。经由导线110通过一个或多个电子设备20向驱动器104施加合适的驱动信号。虽然在本例中，将驱动模式描述为弯曲模式，但利用其它驱动模式是在本发明的范围内的。

在本例中，所述一个或多个电子设备20产生驱动信号并且经由导线110将其传送到驱动器104，该驱动信号致使驱动器104来使管道103A和103B振荡。然而，为多个驱动器产生多个驱动信号是在本发明的范围内的。一个或多个电子设备20处理来自拾取器105、105′的左、右速率信号，以计算流动物质的特性，例如，诸如质量流率。通路26提供输入和输出设备，其允许一个或多个电子设备20与操作员交互。无需一个或多个电子设备20的电路说明来理解本发明，并且将其略去以使本说明书简短。对图1的描述仅被提供作为一个可行的振动流动装置的操作实例，而并非旨在限制本发明的教导。

图2和图3图示出根据本发明的实施例的壳体200。根据本实施例的一个方面，壳体200包围管道103A、103B、驱动器104以及拾取器105、105′。本领域技术人员将会理解的是，壳体的壁210可以限定一个或多个开口(未示出)，以例如，诸如经由可以是RTD电线的导线100、110、111、111′将至少一个拾取器(诸如拾取器105-105′)以及至少一个驱动器(诸如驱动器104)连接到一个或多个电子设备20上。

如所示的，壳体200设有第一端201和第二端202。在示例性的实施例中，第一端201被固定到板303上，板303在振动流动装置5的进口侧上被固定到歧管102上，并且第二端202被固定到板304上，该板304被固定到歧管102′上。本领域技术人员将会认识到，虽然描述了用于壳体200的一个可行的特别设计，但是能采用各种方法来封闭管道103A、103B。例如，本领域技术人员将会认识到，对于将被固定到在振动流动装置上不同与板303、304或除其之外的位置上的壳体200是在本发明的范围内的。此外，虽然在所示实施例中板303和板304是被整体设置在歧管102和102′上，但是也可以通过焊接或其它方法将板303、304固定到歧管102和102′上。此外，虽然壳体200被显示出具有大致U形，但将壳体设成其它构造(例如，诸如直线或不规则构造)是在本发明的范围内的。

现在转到图4，振动流动装置(诸如振动流动装置5)的壳体(诸如壳体200)具有多个振动模式，例如，包括但不局限于关于轴线A的振动侧向模式和关于轴线B的振动弯曲模式。在所示示例性的实施例中，轴线B大致平行于管道103A和103B关于其振荡的轴线X和X′(在图1中显示出)，并且轴线A大致正交于轴线X、X′和B。

壳体200的每个振动模式通过一定范围的频率产生。引起任何具体模式的具体频率受诸多因素影响，例如，诸如流体密度，环境因素如温度，或可以位于壳体200周围的绝热缠绕物。图5显示了在前述壳体中，特定壳体振动模式在一定条件下在基本上等于引起管道103A、103B中的驱动模式的驱动频率的频率出现。如图5还显示出，壳体通常设有一个或多个其它模式，其在比引起驱动模式的驱动频率大的频率出现。在引起壳体中振动模式的频率基本上等于引起驱动模式的驱动频率的情况下，难以产生对流动物质的特性的精确测量。

根据本发明的一个方面，本实施例的壳体200被构造使得在引起壳体200中振动模式的频率与引起管道103A、103B中驱动振动模式的驱动频率之间存在频率区间。根据本实施例的另一方面，壳体200被构造使得引起壳体200中振动模式的频率与引起管道103A、103B中驱动振动模式的驱动频率在相应操作条件下不相同并且不交叉。根据本实施例的再另一方面，壳体200被构造使得引起壳体200中振动模式的频率超过引起管道103A、103B中驱动振动模式的驱动频率。

现在转向图6，典型壳体(诸如壳体300)具有大致环形的截面形状；并且，在驱动模式为弯曲模式的情形中，壳体在弯曲模式的运动方向(即大致正交于诸如轴线B的轴线的方向)上具有相对低的惯性矩。

然而，在这种设计中，如图5中所示，引起壳体弯曲模式的频率可在特定条件下与引起弯曲驱动模式的驱动频率交叉。

在壳体中产生振动模式的频率与壳体的惯性矩相关。更具体地，可基于以下方程或以下等式的变型对振动模式在其出现的频率进行建模。

f_{i} = \frac{{λ_{i}}^{2}}{2 π} \sqrt{\frac{EI}{ρA}}

其中：

f_i＝产生该模式的固有频率

I＝在该模式方向上的惯性矩

E＝弹性模量

ρ＝材料密度

A＝横梁截面积

I＝模式数量

λ_i＝特征值

虽然前面的等式对用于悬壁横梁的固有频率进行建模，但是它对于显示惯性矩与产生振动具体模式的固有频率之间的关系是有用的。更具体地，前述等式教导：随着惯性矩增加，引起任何具体振动模式的频率增加。因此，根据本发明的一个方面，可以利用该原理使得壳体200的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。例如，且并非进行限制，在本实施例中，其中弯曲模式为驱动模式且壳体弯曲模式的频率在特定条件下与驱动频率交叉，壳体200可被设置具有大致为椭圆形的截面形状。更具体地，如图4中所示，在弯曲模式为驱动模式的情况下，壳体200可被设置具有大致为椭圆形的截面形状，并且设有宽度W以及尺寸大于宽度W的长度L，其中长度L在弯曲模式的运动方向上延伸，并且宽度W大致正交于弯曲模式的方向。通过遵循这种方法，增加了壳体200的惯性矩，并且如图7中所示，引起壳体中振动模式的频率超过引起驱动模式的频率。

虽然在前例中，振动的弯曲壳体模式趋于发生问题，但是具体模式或趋于与驱动模式交叉的振动模式将取决于许多因素，例如，诸如管道的形状、壳体的形状、具体驱动模式、流体密度以及温度。因此，可被用来避免频率交叉的具体壳体构造将在本发明的范围内进行变化。例如，虽然本实施例示出设有椭圆形状的壳体200，但是利用防止频率交叉的其它设置是在本发明的范围内的。作为实例，可以选择壁210的厚度或截面形状使得在壳体200中产生任何具体模式的频率超过在相应操作条件下产生驱动模式的频率。作为再另一个实例，特别是在扭转模式为驱动模式且引起壳体中扭转模式的频率与驱动频率可趋于交叉的情况下，如图8中所示，可以诸如通过焊接将加强部件400固定到壳体300上。加强部件400可以设有加强壳体300的任何形状，例如，包括但不局限于图8中所示的椭圆环形。

本说明书描述了具体实例以教导本领域技术人员如何制造和使用本发明的最佳模式。为了教导发明原理，一些常规的方面已被简化或省略。本领域技术人员将会理解来自这些实例的变型落入本发明的范围内。

以上实施例的详细描述并不是发明人所认为处于本发明的范围内的所有实施例的穷举描述。实际上，本领域技术人员将会认识到可以将上述实施例的特定元件富于变化地进行结合或削减以形成另外的实施例，并且此类另外的实施例落入本发明的范围和教导内。对于本领域的普通技术人员而言还将显而易见的是，可以将上述实施例进行整体和部分合并，以形成在本发明的范围和教导内附加的实施例。

因此，虽然本文基于说明的目的描述了本发明的特定实施例及实例，但是如相关领域技术人员将会认识到的，各种等同改型是可处于本发明的范围内的。可以将本文提供的教导应用于与以上所述和在附图中所显示的实施例不同的其他实施例。因此，从以下的权利要求确定本发明的范围。

Claims

1.一种振动流动装置(5)，其包括：

至少一个管道(103A，103B)、至少一个驱动器(104)、以及至少一个拾取器(105，105′)，其中所述至少一个驱动器(104)使所述至少一个管道(103A，103B)在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器(105，105′)测量所述至少一个管道的运动；以及

至少一个壳体(200)，其包围所述至少一个驱动器(104)、所述至少一个拾取器(105，105′)、以及所述至少一个管道(103A，103B)的至少一部分，其中所述至少一个壳体(200)的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。

2.根据权利要求1所述的振动流动装置(5)，其中，所述至少一个驱动器(104)使所述至少一个管道(103A，103B)在振动弯曲模式下振动。

3.根据权利要求1所述的振动流动装置(5)，其中，所述至少一个壳体(200)被设置具有大致U形。

4.根据权利要求1所述的振动流动装置(5)，其中：

所述一个或多个驱动频率使所述至少一个管道(103A，103B)在振动弯曲模式下振动，并且所述至少一个壳体(200)设有在大致平行于所述弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面长度(L)、以及在大致正交于所述弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面宽度(W)，其中所述截面长度(L)的尺寸超过所述截面宽度(W)的尺寸。

5.根据权利要求1所述的振动流动装置(5)，其中，加强部件(400)被固定到所述至少一个壳体(200)上以增加所述壳体(200)的刚度。

6.根据权利要求1所述的振动流动装置(5)，其中，所述振动流动装置(5)为科里奥利流量计。

7.根据权利要求1所述的振动流动装置(5)，其中，所述振动流动装置(5)为密度计。

8.一种振动流动装置(5)，其包括：

至少一个管道(103A，103B)、至少一个驱动器(104)、以及至少一个拾取器(105，105′)，其中所述至少一个驱动器(104)使所述至少一个管道(103A，103B)在振动弯曲模式下在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器(105，105′)测量所述至少一个管道(103A，103B)的运动；

至少一个壳体(200)，其包围所述至少一个管道(103A，103B)的至少一部分，其中所述至少一个壳体(200)的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现；以及

所述至少一个壳体(200)设有在大致平行于所述弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面长度(L)、以及在大致正交于所述弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面宽度(W)，其中所述截面长度(L)的尺寸超过所述截面宽度(W)的尺寸。

9.根据权利要求8所述的振动流动装置(5)，其中，所述至少一个壳体(200)被设置具有大致U形。

10.根据权利要求8所述的振动流动装置(5)，其中，所述振动流动装置(5)为科里奥利流量计。

11.根据权利要求8所述的振动流动装置(5)，其中，所述振动流动装置(5)为密度计。

12.一种用于制造振动流量装置(5)的方法，其包括步骤：

提供至少一个管道(103A，103B)、至少一个驱动器(104)、以及至少一个拾取器(105，105′)，其中所述至少一个驱动器(104)被构造成使所述至少一个管道(103A，103B)在一个或多个驱动频率振动，并且所述至少一个拾取器(105，105′)被构造成测量所述至少一个管道(103A，103B)的运动；

提供至少一个壳体(200)，其被构造成包围所述至少一个管道(103A，103B)的至少一部分，其中所述壳体(200)被构造使得所述至少一个壳体(200)的振动模式在超过所述一个或多个驱动频率的频率出现。

13.根据权利要求12所述的用于制造振动流动装置(5)的方法，其中，所述至少一个驱动器(104)被构造成使所述至少一个管道(103A，103B)在振动弯曲模式下振动。

14.根据权利要求12所述的用于制造振动流动装置(5)的方法，其中，所述至少一个壳体(200)被设置具有大致U形。

15.根据权利要求12所述的用于制造振动流动装置(5)的方法，其中：

所述至少一个驱动器(104)被构造成使所述至少一个管道(103A，103B)在振动弯曲模式下振动，并且所述至少一个壳体(200)设有在大致平行于所述弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面长度(L)、以及在大致正交于所述弯曲模式的运动方向的方向上延伸的截面宽度(W)，其中所述截面长度(L)的尺寸超过所述截面宽度(W)的尺寸。

16.根据权利要求12所述的用于制造振动流动装置(5)的方法，其中，加强部件(400)被固定到所述至少一个壳体(200)上以增加所述至少一个壳体(200)的刚度。

17.根据权利要求12所述的用于制造振动流动装置(5)的方法，其中，所述振动流动装置(5)为科里奥利流量计。

18.根据权利要求12所述的用于制造振动流动装置(5)的方法，其中，所述振动流动装置(5)为密度计。