CN101946163B - 带有改进的平衡系统的科里奥利流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流量计(200)，其包括流量计管(210)和平衡系统(211)。平衡系统(211)连接至流量计管(210)。流量计管(210)和平衡系统(211)均具有质量中心。平衡系统(211)的大小和定位设置成使得流量计管(210)和平衡系统(211)的联合质量中心(Ccm)定位成极接近流量计管(210)的旋转轴线。

Description

带有改进的平衡系统的科里奥利流量计

技术领域

本发明涉及流量计，且更具体地涉及带有改进的平衡系统的流量计。

背景技术

振管式传感器，例如科里奥利(Coriolis)质量流量计，通常通过检测包含材料的振动导管的运动来操作。可通过处理来自与导管相关的运动换能器的信号来确定与导管中的材料相关的性能，例如质量流量、密度等，因为振动的充装有材料的系统的振动模式通常会受到导管及其中所含材料的结合的质量、刚度和阻尼性质的影响。

典型的科里奥利质量流量计包括一个或多个导管，其串联连接在管道或其它传输系统内以运送系统中的材料，例如流体、泥浆等。每个导管可被视为具有一套自然振动模式，该自然振动模式包括，例如简单弯曲、扭转、沿半径转动和成对的模式。在典型的科里奥利质量流量计测量应用中，当材料流经导管时以一种或多种振动模式激励导管，在沿着导管间隔开的多个点处测量导管的运动。通常由例如机电装置的致动器，比如音圈型驱动器来提供激励，所述致动器周期性地干扰导管。可通过测量换能器位置处的运动之间的延时或相位差来确定质量流率。

延时的值非常小，通常是以十亿分之一秒来计算。因此，有必要使得换能器的输出非常准确。流量计结构的非线性以及不对称性或者来自外力引起的运动可损害换能器的准确性。例如，具有不平衡构件的科里奥利质量流量计会以流量计的驱动频率来振动其壳体、法兰和管道。这种振动以一定程度干扰延时信号，该程度取决于安装刚性。由于安装刚性通常是未知的且会随时间和温度的变化而变化，不平衡构件的影响不能得到补偿且可严重地影响流量计的性能。通过使用平衡的流量计设计以及通过使用信号处理技术以补偿不想要的构件运动来减少这些不平衡振动和安装振动的影响。

通常的双管科里奥利流量计设计使用歧管将材料流分成两股并将这两股材料送进流量计管内。通常，两个管的形状是对称的且彼此平行安装。通常，两个管以相同的频率但是相反的相位振动。因为管是对称的且彼此相反振动，因此振动通常会在两个管的连接处抵消。这产生了平衡的流量计(即，在歧管处几乎没有或者没有流量计的振动)。流经两个管的材料的密度变化相等地改变两个管的质量，因此两个管在很大范围的材料密度上都保持平衡。

由于压降或堵塞问题，某些应用中不想用双管流量计，在这些情况下单管流量计是理想的。单管科里奥利流量计的问题在于随着流体密度的改变其会变得不平衡。当流体密度改变时，流量计的质量中心也会发生变化。这种不平衡会对流量计的性能和可靠性造成不利的影响。

因此，本领域需要能够在很大范围的材料密度上都保持平衡的单管科里奥利流量计。本发明克服了这个问题以及其它一些问题，在本领域取得了进步。然而，应当理解的是虽然本发明克服了单管设计中尤其普遍存在的问题，本发明同样适用于双管流量计。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种流量计，包括：

流量计管(210)；以及

平衡系统(211)，其连接到流量计管(210)，其中平衡系统(211)的大小和定位设置成使得流量计管(210)和平衡系统(211)的联合质量中心(Ccm)位于极接近流量计管(210)的旋转轴线。

优选地，平衡系统包括平衡杆和一个或多个撑杆。

优选地，平衡系统包括一个或多个配重套管。

优选地，流量计包括科里奥利流量计。

优选地，流量计包括两个或更多流量计管。

根据本发明的一个方面，流量计(400)包括：

流量计管(210)；

驱动器(420)；

一个或多个传感器(421、422)；以及

平衡系统(211)，其连接到流量计管(210)，其中平衡系统(211)的大小和定位设置成使得流量计(400)的联合质量中心(Ccm)位于流量计管(210)的旋转轴线附近。

优选地，平衡系统包括平衡杆和一个或多个撑杆。

优选地，平衡系统包括一个或多个配重套管。

优选地，流量计包括科里奥利流量计。

优选地，流量计包括两个或更多流量计管。

根据本发明的一个方面，用于平衡具有流量计管的流量计的方法，该方法包括如下步骤：

将平衡系统连接至流量计管，所述平衡系统的大小和定位设置成使得流量计管和平衡系统的联合质量中心位于流量计管的旋转轴线附近。

优选地，平衡系统包括平衡杆和一个或多个撑杆。

优选地，平衡系统包括一个或多个配重套管。

优选地，流量计包括科里奥利流量计。

优选地，流量计包括两个或更多流量计管。

根据本发明的一个方面，用于平衡具有流量计管和驱动系统的流量计的方法，该方法包括如下步骤：

将平衡系统连接至流量计管，所述平衡系统的大小和定位设置成使得流量计管、驱动系统和平衡系统的联合质量中心位于流量计管的旋转轴线附近。

优选地，平衡系统包括平衡杆和一个或多个撑杆。

优选地，平衡系统包括一个或多个配重套管。

优选地，流量计包括科里奥利流量计。

优选地，流量计包括两个或更多流量计管。

附图说明

图1示出了流量计100。

图2示出了根据本发明的一个实施方式的流量计200。

图3示出了根据本发明的另一实施方式的流量计200。

图4示出了根据本发明的一个实施方式的流量计400。

图5示出了根据本发明的一个实施方式的流量计500。

具体实施方式

图1至图5以及下面的描述描绘了特定实施例以教导本领域技术人员如何制造和使用本发明的最佳方式。为了教导创造性原理，已经简化或省略了某些常规方面。本领域技术人员应当预见在本发明范围内的这些实施例的各种变化。本领域技术人员应该理解可以用各种形式结合下面所述的特征以便形成本发明的多种变化。结果表明，本发明不局限于下面所述的特定实施例，而仅仅由权利要求及其等价物限定。

图1示出了流量计管100。流量计管100包括入口部101、出口部102、第一弯部103、第二弯部104、第一直部105、第二直部106以及弯曲顶部107。入口部101以及出口部102轴向对齐且各自连接入口歧管108和出口歧管109。入口歧管108和出口歧管109将流量计管100连接至管道(未示出)或者其它运输系统以运送系统中的材料，例如流体及泥浆等。第一弯部103连接至入口部101。第二弯部104连接至出口部102。第一直部105连接至第一弯部103。第二直部106连接至第二弯部104。弯曲顶部107连接至第一直部105和第二直部106。弯部顶部107可采用圆形段的形状或可采用其它弯曲形状。在一实施例中，弯曲顶部107可直接连接至第一弯部103和第二弯部104。

如图1所示，相对于X-Y-Z坐标系示出流量计管100。虽然图形示出了位于Y-Z平面内的流量计管100，应当理解所选的坐标系仅仅是示例性的，且可以使用其它坐标系。流量计管100大致形成在一个平面内(如图1的Y-Z平面所示)。通常，流量计管100也可包括一个或多个驱动器(未示出)、一个或多个传感器(未示出)以及其它测量设备。为了简化已经省略了这些部件，但是应该理解当流量计管100操作时，这些部件通常是存在的。当在操作期间使用驱动器(未示出)振动流量计管100时，流量计管100在X方向振动。其它方向包括沿着管道的Z方向和垂直于X方向和Z方向的Y方向。如图所示，当流量计管100振动时，它大致围绕旋转轴线转动，旋转轴线大致沿着管道或者如图所示，沿着入口部101以及出口部102。如图所示，旋转轴线是Z轴。应当理解选择Z轴是为了描述流量计管的特征，也可以选择其它坐标系。因此，Z轴的使用不应该限制本发明的范围。

因为流量计管100是弯曲的，所以质量中心Cm位于旋转轴线(Z轴)上方的某个位置。因为流量计管100大致围绕X轴和Y轴对称，所以仅讨论相对Z轴的质量中心。偏移的质量中心Cm会引起问题，因为在流量计管100振动的时侯，偏移的质量中心Cm会引起Y方向的振动。有时候，偏移的质量中心Cm也会引起X方向的振动；然而，已经发现Y方向的振动最大，因此，下面的讨论仅限于Y方向的振动。然而，应当理解该讨论同等地适用于X方向的振动。这些振动会产生流量计误差，减少流量计的寿命或者损坏流量计的部件。

此时，重要的是要理解由Y方向和X方向的振动产生的力。Y方向的振动导致在流量计管100的入口部101和出口部102分别产生反作用力Fy_in和Fy_out。在所示的实施方式中，反作用力Fy_in和Fy_out分别作用在法兰108、109上。如上所述，虽然图示仅示出了Y方向上的反作用力Fy_in和Fy_out，但是应该理解的是在X轴方向上也存在反作用力Fx_in和Fx_ont。因为作用在流量计管100上的流动流体产生的科里奥利力，所以在入口部101处的反作用力通常在+Y和+X方向，而在出口部102处的反作用力通常在-Y和-X方向。然而，反之亦然，或可在相同方向上发现反作用力。

为了将反作用力最小化，重要的是要知道它们的特性如何。如上所述，流经流量计管100的流体在+Z方向流动。本领域公知的是在振道中的流体流动将产生角速度ω。此外，本领域公知的是流量计管100在每个平面均具有惯性力矩I。因此，存在I_yz，I_xz和I_xy。根据角速度ω以及惯性力矩I，利用下面的公式可以确定出围绕每个轴线的力矩：

$\mathrm{\Σ}{M}_x=-I_{\mathrm{xz}}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+I_{\mathrm{yz}}{\mathrm{\ω}}^2---\left(1\right)$

$\mathrm{\Σ}{M}_y=-I_{\mathrm{yz}}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+I_{\mathrm{xz}}{\mathrm{\ω}}^2---\left(2\right)$

$\mathrm{\Σ}{M}_z=I_{\mathrm{zz}}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}---\left(3\right)$

其中，M是围绕轴线的力矩；

I是惯性力矩；

ω是角速度；以及

是角加速度。

然而，通过进行基本假设，即角速度ω是恒定的(这意味着角加速度

为零)可以简化公式1至3。在这种情况下，公式1至3如下所示：

$\mathrm{\Σ}{M}_x=I_{\mathrm{yz}}{\mathrm{\ω}}^2---\left(4\right)$

$\mathrm{\Σ}{M}_y=I_{\mathrm{xz}}{\mathrm{\ω}}^2---\left(5\right)$

$\mathrm{\Σ}{M}_z=0---\left(6\right)$

在围绕每个轴线的力矩由惯性力矩I和角速度ω表示情况下，反作用力可以由任意方向上的惯性力矩I和角速度ω表示。这是因为下面的公知的公式：

M＝Fd                             (7)

其中，F是力；

d是距离。

因此，根据公式4和7，Fy_in和Fy_out可以表示为：

$F{y}_{\mathrm{in}}=\frac{I_{\mathrm{yz}}{\mathrm{\ω}}^2}{d}---\left(8\right)$

$F{y}_{\mathrm{out}}=-\frac{I_{\mathrm{yz}}{\mathrm{\ω}}^2}{d}---\left(9\right)$

通过公式8和9，可以看出如果在y-z平面内的惯性力矩被最小化，那么反作用力Fy_in和Fy_out也将被最小化。通过沿着旋转轴线重新定位质量中心Cm可以将惯性力矩I_yz最小化。

图2示出了根据本发明的实施方式的流量计200。根据本发明的一个实施方式，流量计200包括科里奥利质量流量计。然而，流量计200可以包括其它类型的流量计且本发明不应该局限于科里奥利质量流量计。流量计200包括流量计管210和平衡系统211。虽然流量计200显示为带有单个流量计管210，但是应当理解在其它实施方式中，流量计200包括不止一个流量计管210。比如，根据某些实施方式，流量计200包括双流量计管流量计(参见图5)。

平衡系统211连接至流量计管210。如图所示，流量计管210仍然具有与图1所示的位置大致相同的质量中心Cm₁。然而，平衡系统211还具有质量中心Cm₂。因此，当平衡系统211连接至流量计管210时，流量计200具有联合质量中心Ccm。在所示的实施方式中，平衡系统211的大小和位置设置成使得联合质量中心Ccm近似位于旋转轴线(如图2中所示的Z轴)。应当理解虽然有益的是将联合质量中心Ccm刚好定位在旋转轴线上，但是设计局限可限制这种可行性。然而，联合质量中心Ccm距离旋转轴线越近，惯性力矩I_yz越小，因此，反作用力Fy_in和Fy_out越小。因此，当联合质量中心Ccm重新定位成更加靠近旋转轴线时，反作用力Fy_in、Fx_in和Fy_out、Fx_out最小。

此外，通过将联合质量中心Ccm定位极接近旋转轴线使得流体密度变化对流量计200的影响减小。这是因为流体密度仅仅稍微地改变流量计200的质量中心。流量计200的联合质量中心Ccm位于极接近旋转轴线时，惯性力矩为最小值且因此流体密度变化对流量计几乎没有影响。

虽然讨论仅涉及相对于旋转轴线重新定位联合质量中心Ccm而没有提及如上面所述的关于流量计管100，相对于X轴或Y轴的联合质量中心Ccm的定位，但是因为流量计200大致相对于这两条轴线对称，所以几乎不需要重新定位质量中心。然而，在缺乏这种对称的流量计中，平衡系统211的大小和定位可设置成使得流量计200也相对那些轴线是平衡的。

根据本发明的实施方式，平衡系统211包括平衡杆212和一个或多个撑杆213。在图2所示的实施方式中，平衡系统211包括两个撑杆213，在流量计管的每一端都有一个撑杆。然而，应当理解在其它实施方中，使用两个以上撑杆213且撑杆的数量不应该对本发明的范围构成限制。根据本发明的实施方式，撑杆213可以连接至平衡杆212和流量计管210。使用任何公知的技术，例如，诸如粘合、结合、钎焊、焊接以及摩擦配合等可将撑杆213连接至流量计管210。将撑杆213连接至流量计管210的确切方法不应该对本发明的范围构成限制。如图所示，撑杆213连接至入口部201和出口部202附近的流量计管210。可将撑杆213在沿着流量计管210的其它部分连接至流量计管210，撑杆213的位置不应该对本发明的范围构成限制。

根据本发明的实施方式，撑杆213也连接至平衡杆212。因此，撑杆213用于将平衡杆212连接至流量计管210。而且，用于将撑杆213连接至平衡杆212的特定技术对于本发明目的来说是不重要的，因此，不应该对本发明的范围构成限制。平衡系统211的重要方面在于它将联合质量中心Ccm重新定位成极接近旋转轴线。这样，惯性力矩I_yz被最小化或者在某些情况下达到零，这样从而最小化Fy_in、Fx_in和Fy_out、Fx_out。

图3示出了根据本发明的另一实施方式的流量计200。除了平衡系统211，图3的流量计200与图2的流量计200大体上相同。在图3所示的实施方式中，平衡系统211包括两个配重套管315。虽然只示出了两个配重套管315，应当理解在其它实施方式中可使用两个以上或者可选地，少于两个的配重套管315。可使用本领域公知的任何方法将配重套管315连接至流量计管210。此外，虽然使用术语“套管”，但是应当理解配重部件不必完全包围流量计管210，而是在某些实施方式中可简单地附接至流量计管210的一侧。

配重套管315连接至入口部201和出口部202附近的流量计管210。在入口部201附近的配重套管315具有质量中心Cm₂，在出口部202附近的配重套管315具有质量中心Cm₃。如所示，质量中心Cm₂和质量中心Cm₃都位于旋转轴线的下方。因此，当连接至具有质量中心Cm₁的流量计管210时，流量计200的联合质量中心Ccm定位于极接近旋转轴线。流量计200的联合质量中心Ccm包括流量计管210的质量中心Cm₁以及每个配重套管315的质量中心Cm₂和Cm₃。因此，与使用平衡杆212和撑杆213的平衡系统211相比，使用配重套管315的平衡系统211对联合质量中心Ccm具有大致相同的影响。

图4示出了根据本发明的另一实施方式的流量计400。如同流量计200一样，流量计400可包括科里奥利流量计。然而，流量计400可包括其它类型的流量计且不应该局限于科里奥利流量计。虽然流量计400包括与图2和图3中所示的类似的流量计管210，但是流量计400还包括驱动器420和传感器421、422。驱动器420和传感器421、422通过导线423、424和425与流量计电子设备450连接。流量计电子设备450可以提供密度、质量流率、温度以及其它测量。虽然驱动器420和传感器421、422有对应物，但是这些部件的另一半没有附接至流量计管210，因此为了清楚起见已经被省略了。

根据本领域公知的方法将驱动器420和传感器421、422连接至流量计管210。因为这些部件被连接至流量计管210，所以它们会增加流量计400的质量。例如，驱动器420具有质量中心Cm_D，传感器421具有质量中心Cmp₁，传感器422具有质量中心Cmp₂。此外，流量计管210还具有质量中心Cm₁。因此，根据本发明的一个实施方式，平衡系统211的大小和定位设置成补偿流量计管的质量中心Cm₁，驱动器的质量中心Cm_D和传感器的质量中心Cmp₁和Cmp₂。因此，图4中的平衡系统211必须具有较大的质量，或者可选地，与图2中的平衡系统211相比从流量计管210偏移更远的距离，以便将流量计400的联合质量中心Ccm重新定位成极接近旋转轴线。应当理解，虽然示出的流量计400具有包括平衡杆212和撑杆213的平衡系统211，但是可选地，流量计400可以包括配重套管315。

图5示出了根据本发明的实施方式的流量计500。根据本发明的实施方式，流量计500包括科里奥利流量计。然而，流量计500可以包括其它类型的流量计且本发明不局限于科里奥利流量计。流量计500与图1至图4中所示的流量计类似，除了流量计500包括双管流量计而不是单管流量计。因此，除了前面的流量计的部件之外，流量计500还包括入口歧管560和出口歧管561。入口歧管560将进入流量计500的流体分开并将流体转移进分别表示通向第一流量计管210A和第二流量计管210B的入口的第一入口部分201A和第二入口部分201B。提供出口歧管561是为了在流体流出流量计500之前将流体重新合并。

除了第一流量计管210A和第二流量计管210B之外，流量计500还包括平衡系统511。另外，图5示出了驱动器520和传感器521、522。用与图4所讨论的相似的方法将驱动器520和传感器521、522连接至流量计电子设备550。用本领域公知的方法将驱动器520和传感器521、522连接至流量计管210A 和210B。因为这些部件被连接至流量计管210A、210B，所以它们会增加流量计500的质量。例如，驱动器520具有质量中心C_MD，传感器521具有质量中心Cmp₁，传感器522具有质量中心Cmp₂。此外，每个流量计管210A和210B具有独立于驱动器520和传感器521、522的质量中心(未示出)。流量计管210A、210B、驱动器520和传感器521、522的质量中心由C_M1表示。

根据所示的实施方式，示出的C_M1的中心位于流量计管210A和210B之间，但是在系统的旋转轴线的上方。因此，流量计500包括平衡系统511。平衡系统511包括质量中心C_M2，所述质量中心C_M2位于两个流量计管210A和210B之间，但是在旋转轴线的下方。根据本发明的实施方式，平衡系统511的大小和定位设置成使得流量计500的联合质量中心Ccm位于极接近旋转轴线。应当理解的是提供平衡系统511是为了与平衡系统211大致相同的目的，除了平衡系统511的大小和在流量计500上的定位用于容纳双流量计管流量计。类似地，虽然所示的流量计500带有驱动器520和传感器521、522，但是在其它实施方式中，平衡系统511的大小和定位设置成不用考虑驱动器520和传感器521、522的质量而重新定位流量计500的质量中心Ccm。

在所示实施方式中，平衡系统包括平衡杆512和在每个流量计端部的一个或多个撑杆513。然而，在其它实施方式中平衡系统511包括类似于图3中的配重套管315的一个或多个配重套管。

上面的描述为流量计提供了平衡系统211和511，所述流量计能够重新定位流量计的质量中心以便其位于极接近旋转轴线。这样做，可以将反作用力Fy_in、Fx_in和Fy_out、Fx_out最小化。此外，不想要的Y方向和X方向的振动也被最小化了。这不但提供更准确的流量计测量而且延长了流量计组件的寿命。另外，因为流体密度的改变而导致的流量计性能的变化也被最小化了。应当理解平衡系统211和511的特定构造仅是作为实施例，能够重新定位流量计的质量中心以便其定位成极接近旋转轴线其它构造是公知的。其它的构造也在权利要求的范围之内，因此本发明不应该仅限于所示出的示例性实施方式。另外，虽然上述讨论是关于振动流量计，例如科里奥利流量计，平衡系统211和511同等适用与其它流量计。

上述实施方式的详细描述并不是发明人构思的在本发明范围之内的所有实施方式的详尽描述。事实上，本领域技术人员将认识到上述实施方式的特定元件可以各种方式被结合或去除以便产生进一步的实施方式，这种进一步的实施方式也落入本发明的范围和教导内。对本领域普通技术人员还显而易见的是上述实施方式可被全部地或部分地结合以便产生在本发明范围和教导内的另外的实施方式。

因此，虽然处于示例性目的在此描述了本发明的特定实施方式和实施例，但是如相关技术领域人员所意识到的，各种相等的修改可能落入本发明的范围。此处所提供的教导可以适用于其它流量计，而不仅仅是附图中示出的上述实施方式。因此，本发明的范围应该由下面的权利要求来确定。

Claims (20)

1.流量计(200)，包括：

流量计管(210)；以及

平衡系统(211)，其连接至所述流量计管(210)，其中所述平衡系统(211)的大小和定位设置成使得所述流量计管(210)和所述平衡系统(211)的联合质量中心(Ccm)定位成极接近所述流量计管(210)的旋转轴线。

2.根据权利要求1所述的流量计(200)，其中所述平衡系统(211)包括平衡杆(212)和一个或多个撑杆(213)。

3.根据权利要求1所述的流量计(200)，其中所述平衡系统(211)包括一个或多个配重套管(315)。

4.根据权利要求1所述的流量计(200)，其中所述流量计(200)包括科里奥利流量计(200)。

5.根据权利要求1所述的流量计(200)，其中所述流量计(200)包括两个或更多流量计管(210A、210B)。

6.流量计(400)，包括：

流量计管(210)；

驱动器(420)；

一个或多个传感器(421、 422)；以及

平衡系统(211)，其连接至所述流量计管(210)，其中所述平衡系统(211)的大小和定位设置成使得所述流量计(400)的联合质量中心(Ccm)定位成极接近所述流量计管(210)的旋转轴线。

7.根据权利要求6所述的流量计(400)，其中所述平衡系统(211)包括平衡杆(212)和一个或多个撑杆(213)。

8.根据权利要求6所述的流量计(400)，其中所述平衡系统(211)包括一个或多个配重套管(315)。

9.根据权利要求6所述的流量计(400)，其中所述流量计(400)包括科里奥利流量计(400)。

10.根据权利要求6所述的流量计(400)，其中所述流量计(400)包括两个或更多流量计管(210A、210B)。

11.用于平衡具有流量计管的流量计的方法，所述方法包括如下步骤：

将平衡系统连接至所述流量计管，所述平衡系统的大小和定位设置成使得所述流量计管和所述平衡系统的联合质量中心定位成极接近所述流量计管的旋转轴线。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述平衡系统包括平衡杆和一个或多个撑杆。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述平衡系统包括一个或多个配重套管。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述流量计包括科里奥利流量计。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述流量计包括两个或更多流量计管。

16.用于平衡具有流量计管和驱动系统的流量计的方法，所述方法包括如下步骤：

将平衡系统连接至所述流量计管，所述平衡系统的大小和定位设置成使得所述流量计管、所述驱动系统和所述平衡系统的联合质量中心定位成极接近所述流量计管的旋转轴线。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述平衡系统包括平衡杆和一个或多个撑杆。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述平衡系统包括一个或多个配重套管。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述流量计包括科里奥利质量流量计。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述流量计包括两个或更多流量计管。

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