CN102483341A - 科氏质量流量测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括至少一个测量管(2，3)的科氏质量流量测量设备，所述测量管中通一介质且在一激励装置(8)的激励下发生振动。两个沿所述至少一个测量管(2，3)的纵向布置在所述激励装置(8)前后的光学振动传感器(9)提供振动信号(10)，一控制与评价设备(11)根据所述振动信号测定所述介质的质量流量和/或密度。为了改善所述光学振动传感器(9)的分辨率，所述振动传感器各具有一对重叠布置且包括周期性结构的光栅(22，23)。所述周期性结构在所述至少一个测量管(2，3)振动时发生相对位移，从而使一受所述光栅(22，23)影响的光通量(26)的强度具有一可变频率，所述频率的平均值为所述至少一个测量管(2，3)的振动频率的数倍。借此可以实现结构紧凑、抗电磁干扰能力良好的科氏质量流量测量设备。

Description

科氏质量流量测量设备

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的科氏质量流量测量设备，包括至少一个通一介质的测量管。这类质量流量测量设备主要用作用于过程仪表的现场设备。

背景技术

过程技术系统使用多种用于过程仪表的现场设备来控制过程。测量变换器用于对介质的温度、压力、料位、质量流量、密度或气体浓度等过程变量进行检测。在测得过程变量的基础上，可由执行元件依据(例如)控制站所规定的策略对流程施加影响。执行元件例如是调节阀、加热器或泵。特别是在工艺技术系统中，测量变换器是测量质量流量的重要传感组件。为了实现最佳系统特性并长久保持高产品质量，需要提供高质量测量变换器，其即使在极端条件下也能提供稳定而错误较少的测量值。

科氏质量流量测量设备通常具有单独一个测量管或者一定数量的(例如一对)测量管，需要测定质量流量的介质(例如流体)从该测量管或这些测量管中流过。关于这些测量管的布置方式和几何结构，现有技术中存在多种不同的已知方案。

举例而言，有些科氏质量流量测量设备仅包括单独一个直测量管，部分科氏质量流量测量设备则具有两个平行布置的弯曲测量管。为了达到质量平衡，后一种成对采用相同设计的测量管在布置在中间区域的激励装置的激励下发生相对振动，亦即，两个测量管的振动相对移相180°。在此过程中，由两个测量管所构成的系统的质心位置大体保持稳定，所产生的作用力基本得到补偿。有利的一点是，这个振动系统对外几乎不产生振动效果。激励装置前后均安装有振动传感器，当有介质流过时，这些振动传感器的输出信号之间会产生相差。这个相差是由介质流动时所存在的科氏力引起，也就是由质量流量引起。介质密度对振动系统的谐振频率有影响。因此除质量流量外，还能测定流动介质的密度。

EP 0 874 975 B1揭示一种将插入式线圈用作振动传感器的科氏质量流量测量设备。为此需要在测量设备的框架上固定线圈，在测量管上固定磁体。测量管振动时，磁体在线圈中的插入深度发生变化，使线圈中感应产生电压形式的测量信号。振动传感器受测量管振动及质量流影响产生两个基本呈正弦形的信号，这两个信号之间有小幅相移。由评价设备测定相差并据此计算出质量流量。特别是在恶劣条件下，电磁干扰场有可能使测量信号失真，从而影响测量结果。叠加在测量信号上的干扰信号加大了精确计算测量值的难度。

另一个问题是如何减小科氏质量流量测量设备的尺寸。振动测量管越短，弯度越小，流过测量管的介质的压力损失就越小。然而，与此同时测量管的振幅也会降低，这就需要使用能提供较高测量值分辨率但测量值标准差又较小的振动传感器。

现有技术中已存在多种作为已知插入式线圈的替代方案的光学振动传感器。举例而言，EP 1 700 086 A2揭示一种用于科氏质量流量测量设备的振动传感器，由光发射器、集光器和所谓的光导管构成。光导管的开口截面以及透射光通量如光阑般随着测量管振动状态的改变而改变。力求在接收到的光通量与测量管位置之间建立线性关联。US 5,020,380揭示一种包括发光器、光纤和集光器的振动传感器。透射光或反射光的强度随测量管振动状态的改变而改变。US 5,038,620揭示另一种包括发光器、光纤和集光器的振动传感器的结构。测量管振动时光纤发生弯曲。在光纤的弯曲半径发生变化的过程中，输出耦合到光纤上的光通量的强度也发生变化，将这个强度作为测量信号加以测定。US 6,722,209 B1揭示一种用法布里-珀罗干涉仪检测测量管振动的科氏质量流量测量设备。US 6,805,013 B2提到了多种关于科氏质量流量测量设备测量振动的物理学原理，但未予详细说明。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动传感器具有更佳分辨率、但其制造成本与难度仍相对较低的科氏质量流量测量设备。

为了达成这一目的，本发明所提供的前述新型科氏质量流量测量设备具有权利要求1特征部分所述的特征。从属权利要求给出的是有利改进方案。

据此，本发明的科氏质量流量测量设备包括：至少一个通一介质的测量管；至少一个激励装置，布置在所述至少一个测量管的中间区域，用于激励所述至少一个测量管发生振动；以及一评价设备，用于对所述至少一个激励装置进行控制以及从所述至少两个振动传感器接收振动信号。亦即，所述至少一个激励装置起执行器作用，用于使所述至少一个测量管发生振动。振动传感器所检测到的振动信号则作为测量信号被传输给评价设备。其中，所述至少两个振动传感器沿所述至少一个测量管的纵向布置在所述至少一个激励装置前后。所述至少两个振动传感器优选对称布置，在所述至少一个测量管的纵向上与激励装置相隔相同距离。所述至少两个光学振动传感器各具有一对重叠布置且可采用相同设计的光栅。由于这两个光栅具有彼此对应的周期性结构，因此当光穿过这些光栅时，光强会发生与位置相关的变化。当所述至少一个测量管发生振动时，穿过光栅的光通量的强度会一再发生变化，从而产生变频振动信号，这些振动信号的频率平均值为测量管机械振动频率的数倍。为此，光栅上的周期性结构的间距仅为所述至少一个测量管的振幅的一小部分。当然，上述频率比例不限于整数倍数。

为了产生光通量并接收受到光栅影响的光通量，当然需要设置光源和光传感器。这两个元件可以布置在相对的两侧，即布置在两光栅的不同侧上，或者布置在同一侧。在后一种情况下，另一侧则设有反射镜，被反射回来的光通量可由布置在光源与光栅之间的光路上的分光器输出。一种简化后的实施方案是通过具有相应结构的反射镜实现上述反射镜及与之相邻的光栅的功能。在前一种情况下，可以通过对光源的发光面进行适当的结构化处理以单独一个组件来实现上述光源及与之相邻的光栅的功能，以及/或者另一光栅的功能由光传感器经相应结构化处理的光入射面承担。

传统的科氏质量流量测量设备以插入式线圈为振动传感器，与之相比，本发明所使用的光学振动传感器的优点是受外界电磁干扰影响的程度远低于传统设备，对测量管偏转的灵敏度却高于传统设备。这是因为光强会随着受瞬时管速影响的可变频率的变化而变化，且该频率的平均值远高于所述至少一个测量管的振动频率，这样就能提高测量管位置的分辨率，进而提高测量管振动的相位分辨率。此外，这种新型科氏质量流量测量设备能够对质量流量变化迅速作出反应，能以更快速度测定当前测量值。这对质量流量变化速度极快的高动态定量过程特别有利。另一优点是，与可以通过管道输入耦合到测量设备中的低频过程振动相比，高频测量信号的使用可以改善信噪比。

本发明涉及的是一种非接触式测量方法，无需在测量管上固定可能会影响测量管振动或者长时间使用后会自测量管脱落的电线或导管。与所述至少一个测量管联接的光栅可以极小的自重加以实现，这就将其对测量管振动特性的影响降至最低。另一优点是，所述光学振动传感器可以采用尺寸较小的结构形式，因而也能应用于壳体较小的科氏质量流量测量设备。特别有利的一点是，测量管上无需安装体积较大的附件。振动传感器的分辨率得到改善后，即使在振幅较小的情况下也能检测相差。如此一来，所述科氏质量流量测量设备就可以较低振幅运行，从而达到减小激励装置输入功率的目的。

如果在所述重叠布置的光栅对前面设置用于限制束径的构件，就能在振动过程中实现特别明显的强度变化，进而使穿过光栅的光通量具有良好的信号质量。通过这种方式，光通量就能以较小的束径大体垂直地到达重叠布置的光栅。

一种特别有利的实施方式是通过两个大体平行定向的光学线栅来实现所述重叠布置的光栅。在所述线条垂直于所述至少一个测量管的振动方向延伸的情况下，可以检测到透射光明显的亮度波动。举例而言，如果所述光学线栅的光栅常数差异不大或者所使用的线栅具有相同的光栅常数且有轻微的相对扭转，就会产生莫尔干涉效应形式的亮度调制。因此，即使在这种情况下也能以较高精度测定光栅的相对位移。

一种可以减小光通量束径的特别简单的方法是在所述重叠布置的光栅前面设置光阑。

为了将光导向重叠布置的光栅并检测穿过光栅的透射光通量，可在所述光学振动传感器中使用光纤。这样就能用单独一个光源来运行两个或两个以上的光学振动传感器。另一优点是，这样可以加大光源和光接收器这两个比较灵敏的组件与测量管之间的距离。特别是当所述质量流量测量设备被用来检测高温工艺介质时，这能对振动传感器的耐用性产生有利影响。使用光纤后就不必在重叠布置的光栅前面设置光阑，因为光纤的发光截面已经算比较小的了。

所述重叠布置的光栅当然可以具有不但彼此对应且构造完全相同的周期性结构。如果两光栅发生一定程度的相对位移且该程度与所述结构的周期性相符，在这种情况下穿过光栅的光通量的强度同样也会正好经历一个周期的变化。所述光接收器只需采用普通的光电检测器，其前面可以设置光阑。所述结构的空间周期性比所述至少一个测量管的振幅小数倍。即使在科氏质量流量测量设备采用多个振动测量管的情况下，也最好将所述重叠布置的光栅对中的另一个光栅固定在该科氏质量流量测量设备的框架上。采用这种实施方式时，可为每个测量管单独测定其相对于设备框架的位置的测量值。除真正意义上的测量信号外，通过这种方式还能推导出关于测量设备或被测介质流动状态的其他信息，例如进行诊断所需要的信息。

当使用至少一对大体平行布置的测量管，并且这些测量管以相对偏移180°的相位进行振动以实现质量平衡时，如果将所述重叠布置的光栅对中的另一个光栅固定在所述平行布置的测量管对中的另一个测量管上，就能使所述振动传感器具有特别简单的结构。这样就能简单地用所述新型光学振动传感器取代例如用磁力插入式线圈进行工作的传统振动传感器。这种实施方式特别容易实现。

附图说明

图1为科氏质量流量测量设备的实施例；

图2为光学振动传感器的示范性结构的示意图；以及

图3为测量信号与管位的时间特性曲线。

具体实施方式

下文将借助附图及其所示的实施例对本发明的设计方案和优点进行详细说明。

图1为采用本发明优选实施例的科氏质量流量测量设备1。质量流量测量设备1具有大体平行布置的第一测量管2及第二测量管3。这些测量管通常是一体弯曲成型。测量管2和3的轮廓大体呈U型。流动性介质按箭头4所指方向流入质量流量测量设备1，进而流入测量管2和3位于入口分配器(图1中未示意)后面的两个入口段，再按箭头5所指方向从出口段以及位于该出口段后面的出口分配器(图1中同样未示意)中流出。与入口分配器及出口分配器固定连接的法兰6的作用是将质量流量测量设备1固定在图1未示意的管道中。加固框架7可以使测量管2和3的几何结构基本保持稳定，因此，即使装有质量流量测量设备1的管道系统因温度波动而发生变化，至多也只会引起小幅的零点漂移。图1中所示意的激励装置8例如可由布置在测量管2上的磁线圈和安装在测量管3上且插入该磁线圈的磁体构成，其作用是使两测量管2和3发生相反振动，振动频率与测量管2和3大体呈U型的中间段的固有频率相符。

图1中所示意的光学振动传感器9的作用是检测流动介质的质量所引发的科氏力和/或测量管2和3基于该科氏力的振动。下文还会参照图2对振动传感器9可以采用的结构进行详细说明。如图1所示，振动传感器9所产生的振动信号10由控制与评价设备11评价。为了实现评价功能，控制与评价设备11包括数字信号处理器12。评价结果输出到显示器13上，或者经图1中未示意的输出端(例如现场总线)传输给上级控制站。在图示实施例中，除了评价振动信号10外，控制与评价设备11还承担了控制激励装置8这一任务。

两个振动传感器9在图示实施例中的作用是检测测量管2和3之间的相对位置，作为替代方案，这些振动传感器也可以分别检测测量管2或3相对于加固框架7的相对位置。但是如果实施例中设置了两个振动测量管，这就需要使用四个光学振动传感器。当然，测量管2和3可以具有不同于图示实施例的其他几何结构，例如直的中间段、V型中间段或Ω型中间段，或者激励装置和光学振动传感器也可以采用其他的数量及布置方式。作为替代方案，该科氏质量流量测量设备所具有的测量管数量可以不同于上述数量，例如具有一个测量管或者两个以上的测量管。

图2为光学振动传感器的实施例，其中在光源27所产生的光通量26的光路中逐个布置着第一光阑21、设有周期性结构的第一光栅22、同样设有周期性结构的第二光栅23、第二光阑24和光电检测器25。第一光栅22固定在第一测量管2上，第二光栅23固定在第二测量管3上。如果两个测量管2和3发生相对振动，即移相180°的振动，这两个重叠布置在光路中的光栅22和23就会发生相对位移。光栅22和23的周期性结构是光学线栅，其线条垂直于绘图平面延伸。在本实施例中，第一光栅22的线条平行于第二光栅23的线条定向。两个光栅22和23中相邻线条的间距同等大小。该间距比两个测量管2和3的振幅小数倍，例如10倍。但是为该间距所选择的大小应当确保，就光源27所发射的光的波长而言，光栅22和23上的光衍射效应对光电检测器25所接收到的光的强度的影响尚可加以忽略不计。光源27可实施为LED或半导体激光器，其所发射的光通量由第一光阑21聚束。因此，到达第一光栅22的光通量的束径比较小。一部分光通量从第一光栅22的透光区穿过第一光栅，从而到达后面的第二光栅23。如果第二光栅23的透光区正好与光栅22的透光区叠合，到达第二光栅23的光通量就能几乎不受任何削弱地穿过第二光栅。在此情况下，最初由光源27发射的光通量中到达光电检测器25的这部分光通量将具有最大强度。但是，如果两个光栅22和23的相对定位方式正好使得光通量在穿过第一光栅22后到达的是第二光栅22的非透光区，则到达光电检测器25的将是最小量的光通量，该光电检测器则将输出最低电平的测量信号。由于光栅22和23上的周期性结构的间距远小于两测量管2和3的振幅，因此光电检测器25所接收到的光通量具有可变频率，该频率的平均值是测量管2和3的振动频率的数倍。下文将借助图3对这种效应进行详细说明。

图3为由图2所示振动传感器中的光电检测器输出的振动信号以时间为横坐标的示范性特性曲线30。横坐标是以毫秒为单位的时间t，左边的纵坐标是以微米为单位的管位x，右边的纵坐标是振动信号以伏特为单位的电压电平U。借助光电检测器所产生的电压信号与到达光电检测器25(图2)的光通量26(图2)的强度相符。当测量管2和3(图2)发生振动时，由于光栅22和23(图2)上设有周期性结构，这个强度与瞬时管位有关。除振动信号的特性曲线30外，图3中还绘示了管位的特性曲线31。为清楚起见，所示特性曲线30和31中去除了信号的直流分量。使用基本结构如图2所示的光学振动传感器时，振动信号的特性曲线30所具有的过零数远大于管位的特性曲线31。因此，振动信号的时域细化度远高于现有技术，这种有利情况是通过上文所述的新型光学振动传感器而达成的。特性曲线31达到最大值时是管位的逆转点，与之对应的是振动信号达到局部最低频率(见特性曲线30)。当特性曲线31过零，即测量管以最快速度运动时，振动信号的频率很明显达到了局部最大值。因此，配备上述新型光学振动传感器的科氏质量流量测量设备除了对振动信号进行时域评价外，还能通过对振动信号进行频域评价来测定介质的质量流量或密度。借助特性曲线30可以很方便地测定特性曲线31的基频，进而测定介质密度，借助特性曲线30和科氏质量流量测量设备的第二光学振动传感器所记录的另一特性曲线同样可以很方便地推断出两测量管的振动相移，进而推断出质量流量。

上文参照图2所说明的光学振动传感器可以很方便地取代设有磁力插入式线圈的传统磁力振动传感器。为了提高耐用性，优选将光源和光电检测器固定在科氏质量流量测量设备的框架上。这样就不必在测量管上安装输电线。多个光学振动传感器可以共用一个光源，其实现方式例如为用光纤将光传输到各个成对重叠布置的光栅上。采用这种设计方案时，可以加大灵敏的光源和光电检测器与温度有可能较高的测量管之间的距离。这样能进一步改善测量设备的耐用性。图2所示的方案是测量两个测量管的间距，作为替代方案，可以检测测量管相对于测量设备框架的位置变化。这种方案只需将其中一个光栅与相应的测量管予以机械联接，另一个光栅固定到框架上。这样虽然会加大光学振动传感器的实现难度，但能从传感器的振动信号中推导出关于测量设备的附加信息，例如进行诊断所需要的信息，或者关于介质状态的信息，例如检测多相流所需要的信息。

在上文参照图2所描述的实施例中，振动传感器采用的是构造相同的光栅。作为替代方案，这些光栅例如可以在线条间距或线条倾斜度方面存在细微差别，这样就能在第二光栅后面在光通量中形成莫尔干涉纹。虽然这种情况下也可以将光电检测器用作光接收器，但用图像传感器检测莫尔干涉纹比较合适，因为从条纹图像中也能很精确地测定光栅之间的相对位置。

作为将第一光栅直接固定在至少一个测量管上这一方案的替代方案，可以通过杠杆机构或传动机构建立机械联接，将测量管的运动转化为光栅的平移运动或旋转运动。

Claims (7)

1.一种科氏质量流量测量设备，包括：至少一个通一介质的测量管(2，3)；至少一个激励装置(8)，布置在所述至少一个测量管(2，3)的中间区域，用于激励所述至少一个测量管发生振动；至少两个光学振动传感器(9)，沿所述至少一个测量管(2，3)的纵向布置在所述至少一个激励装置(8)前后；以及一控制与评价设备(11)，用于对所述至少一个激励装置(8)进行控制，从所述至少两个振动传感器(9)接收振动信号(10)，以及根据所述振动信号测定所述介质的质量流量和/或密度，

其特征在于，

所述至少两个光学振动传感器(9)各具有一对重叠布置且包括彼此相对应的周期性结构的光栅(22，23)，所述光栅中的至少一个光栅与所述至少一个测量管(2，3)机械联接，以便在振动时使所述周期性结构发生相对位移，从而使一受所述光栅(22，23)影响的光通量(26)的强度具有一可变频率，所述频率的平均值为所述至少一个测量管(2，3)的振动频率的数倍。

2.根据权利要求1所述的科氏质量流量测量设备，其特征在于，

设有用于产生一光通量的构件(21，27)，所述光通量以较小束径大体垂直地到达所述重叠布置的光栅(22，23)。

3.根据权利要求1或2所述的科氏质量流量测量设备，其特征在于，

所述重叠布置的光栅(22，23)是大体平行定向的光学线栅。

4.根据权利要求2或3所述的科氏质量流量测量设备，其特征在于，

所述用于产生所述光通量的构件(21，27)包括一光源(27)和一光阑(21)，所述光阑布置在所述重叠布置的光栅(22，23)前面。

5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的科氏质量流量测量设备，其特征在于，

设有用于将所述光通量导向所述重叠布置的光栅和/或用于检测穿过所述光栅的透射光通量的光纤。

6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的科氏质量流量测量设备，其特征在于，

所述重叠布置的光栅对中的另一个光栅固定在所述科氏质量流量测量设备的一框架上。

7.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的科氏质量流量测量设备，其特征在于，

设有至少一对大体平行布置的测量管(2，3)，所述重叠布置的光栅对(22，23)中的至少一个光栅(22)固定在所述平行布置的测量管对(2，3)的其中一个测量管(2)上，所述重叠布置的光栅对(22，23)中的另一个光栅(23)固定在所述平行布置的测量管对(2，3)中的另一个测量管(3)上。

Images