CN1028903C - 对密度不敏感的科里奥利质量流速计 - Google Patents

Abstract

带有具备两种振动方式的流管的科里奥利流速计的设计准则，流管在两种振动方式下的谐振频率的比值保持为与通过流管的流体密度变化无关的常数，这一设计准则概括下列要求，即流管的模式质量与模式惯量的比值等于流管上所有附件的质量被流管上所有附件的惯量所除而得到的比值。

Description

本发明涉及具有振动流管的科里奥利质量流速计。在这类科里奥利质量流速计中装有振动流管，这些振动流管能围绕两个以上的轴以谐振频率振动，其中一个轴与振动每一流管的外部作用力有关，其它轴与科里奥利力所引起的每一流管的挠曲有关，这种科里奥利力产生于通过流管时流体的受迫振动和流动的复合。在本发明中，流管被设计成即使当流管的质量由于通过该流管流体的密度改变而发生变化，两个谐振频率的比值也能保持恒定。

在现有技术中，测量流动物质流速的众所周知的方法，是使流体通过一个振动流管，导致科里奥利力作用在该流管上，并且，这种科里奥利力的大小同通过流管的流体的质量流速以及流管振动的角速度有关。

目前，致力于设计和制造各种科里奥利质量流速仪器时主要的技术问题之一是必须精确测量或准确控制振动着的流管的角速度，这样，流过该流管的流体的质量流速可以通过测量科里奥利力所产生 的效应来计算。但是，即使能够精确地确定或控制流管的角速度，准确地测量科里奥利力所产生的效应仍然是另一个棘手的技术问题。这一问题的出现，部分地是由于所产生的科里奥利力非常小，所以由科里奥利力所引起的效应也是十分微小。而且，因为科里奥利力很小，外部振动源所产生的效应，例如，流线上邻近的机械或压力波动引起的固定振动等所产生的效应，会导致错误地确定质量流速。这种错误的作用甚至可以完全淹没由科里奥利力所产生的效应，使流速计失去作用。

一种机械装置和测量技术，它具有下列优点：

（a）不需测量或控制科里奥利质量流速仪器中振动流管的角速度大小，（b）同时具备为测量科里奥利力所产生效应必需的灵敏度和精确度，以及，（c）对外部振动源所产生的错误不敏感，这已经在下列美国专利中作了叙述，即No.Re31，450，题为《流速测量的方法和设备》，发表于1983年11月29日;No.4，422，338，题为《质量流速的测量方法和装置》，发表于1983年12月27日;以及No.4，491，025，题为《平行管科里奥利质量流速计》，发表于1985年1月1日。在这些专利所叙述的机械构造中，包括没有诸如伸缩软管或其它压力变形部件等压力敏感接头或部件的流管，这些流管从入口到出口均以支撑方式固定地安装。例如，流管可以被软焊或硬焊到一个支撑物上，以致能以某种类似于弹簧的方式围绕流管各个固定段附近的轴振动。此外，所安装的流管被设计成围绕各个固定的安装件轴具有谐振频率，这些谐振频率比与科里奥利力的作用有关的座标轴上的谐振频率为低。按上述方式设计流管就出现了这样一种机制，即抵抗科里奥利力的力主要是线性弹性力。实际上被线性的弹性力所抵抗的科里奥利力使产生科里奥利力的流管围绕位于各流管段之间的轴发生挠曲。挠曲的大小是所产生的科里奥利力和反抗上述科里奥利力的线性弹性力的大小的函数。

如上所述的流管除了被科里奥利力挠曲以外，还被强迫振动，因此，科里奥利力所作用的每一流管上某一部分会挠曲，并在流管的移动方向上超前于科里奥利力正作用的该流管的其余部分而移动。由科里奥利力所挠曲的振动流管的第一部分经过流管振动路径上的一个给定点后到第二部分经过一给定点的瞬时所需的时间，是通过该流管的流体质量流速的线性函数，即，所测量的时间和通过流管的流体质量流速之间的关系仅仅取决于由流管的机理和其固定方式导出的常数，除了必须测量和控制的时间以外，这一关系不依赖于任何其它变量，在美国专利No.Re31450中叙述的光学传感器和美国专利No.4422338以及No4491025中叙述的电磁速度传感器已经被用于所需的时间测量，根据这种测量可以确定流体的质量流速。

在美国专利No.4491025中叙述了一个带有传感器以执行必要的时间测量的双流管实施例。美国专利No.4491025中叙述的这一双流管实施例提供了科里奥利质量流速计的一种结构，它以音叉的方式工作，如美国再颁专利Re31450中叙述的那样。这种音叉作用有助于使外部振动力的影响减到最小，使外部振动力的影响减到最小是十分重要的，因为这些力会在所需的时间测量中产生误差。

通过科里奥利质量流速计的流体密度总是在变化，例如，流体中各种成份的不同混合，或流体温度的变化都能改变流体密度，流体密度的变化使得各个振动流管的质量也发生变化，流管质量的变化随之引起振动流管的谐振频率发生变化。本发明的目的是提供一种科里奥利质量流速计，它的每一振动流管的两个谐振频率之比保持在一个与流体密度变化无关的恒定值。

由材料均匀、壁厚基本相同的管子制成流管，并把它们安装成可以按其固有频率振动，这些流管对所有振动方式具有各种谐振频率，而其中任何两个谐振频率的比值保持恒定，与通过流管的流体密度变化无关。但是，在这些质量不随流体密度变化而改变的流管上附加负载，例如传感元件或用来使流管振动的驱动元件，则会使谐振频率的比值随流体密度变化而改变，除非对附加到流管上的负载的质量位置加以特别的选择，本发明的另一个目的就是确定流管上安装驱动元件和传感元件的特定位置，使流体密度的变化不会改变流管在其本身被驱动而发生振动的相关轴和其本身被科里奥利力所挠曲的相关轴上谐振频率的比值大小。

本发明的各种目的、优点和新的特点将因为下面结合附图进行的详细叙述而容易理解，在附图中，各个图中相同的元件都用同样的标号标出。

图1是本发明所用的科里奥利质量流速计的流管配置的透视图;

图2是振动结构的放大系数同该结构受迫振动频率与对应于该结构的振动方式的谐振频率的比值的特性曲线图;

图3是一根流管的平面前视图，给出流管上附加传感器和驱动元件的位置尺寸的标识，该流管在A-A轴的谐振频率与在B-B轴的谐振频率的比值保持为一个与流体密度变化无关的恒定值。

图1表示一种采用本发明的科里奥利质量流速计，用数字10标出。流速计10包括一对流管12。其它各种结构也可以用在本发明中，例如用单独一根流管和一个弹性臂，或单独一个固定安装在较重的支撑物上的重量较轻的流管。除了流管12以外，流速计10还包括一个驱动器14，例如现有技术中熟知的永久磁铁和线圈的组合，用来振动象音叉的两股似的流管12。流速计10进一步还包括安装在流管12上的传感器16。图1中的传感器16是模拟速度传感器，它提供线性表示流管12在其整个运动路径上的实际运动的信号。当流管12振动，同时流体从中流过时，流管12受到科里奥利力作用关于A-A轴发生挠曲，这些挠曲的效应由传感器16监测。流速计10的机构工作情形在上面提到的美国专利Re31450和4491025中已经进行了详细的叙述。

传感器16是电磁速度传感器，每一传感器16由一个永久磁铁和一个线圈组成，线圈被设计成总是在磁铁基本均匀的磁场内运动。用于单流管和双流管科里奥利质量流速计的传感器16的工作情形已经在前面提到的美国专利4422338和4491025中得到了叙述。

如果驱动器14和传感器16没有安装在流管12上，那末通过流管12流体的密度变化不会改变流管12在各种振动方式下任何谐振频率的比值，这一结果来源于下列事实：不附加驱动器14和传感器16，流管12的所有谐振频率都是充满流体的流管12各个模式的刚性系数Ki和质量Mi的函数，特别是，各个谐振频率可按下式计算：

ωi＝Ki/M^c _i（1）

当流管12中流体的密度变化时，所有模式的质量按同样的百分比改变，所以，任意两个谐振频率的比值保持恒定，与流体密度变化无关。当恒定质量即不随流体密度变化而改变的质量附加到流管12上时，上述一般性结论不成立，因为此时对应于该机构各种振动方式的模式质量必须被写成和的形式。在这一情形下，谐振频率由下列关系式计算：

$\mathrm{\omega \; i\; =}\sqrt{\mathrm{Ki\; /\; M}{}^0{}_1\mathrm{+\; M}{}^A{}_1}\mathrm{(2)}$

其中，Mi是流管12上附加件的质量，它不随流体密度变化而改变。

由式（2）可知，如果通过流管12的流体密度发生变化，各个谐振频率ωi均以不同的比例发生变化，因为分母包括了与密度有关的模式质量和与密度无关的质量之和，所以，任意两个谐振频率的比值将随着流体密度的变化而变化。

在流速计10的一个最佳实施例中，流管12由驱动器14所驱动，以谐振频率ω_o围绕轴B-B的振动方式振动，当流体通过振动流管12时，科里奥利力使流管12以驱动器14迫使流管12围绕轴B-B振动的同一频率围绕轴A-A挠曲。

由通常对于机械振动的分析可知，对一个机械结构的每一种振动方式都可以写出一个描述振动运动的函数，并且，由这些函数可以作出放大系数与某个比值的特性曲线图，该比值由机械结构受迫振动的频率被该结构选定的振动方式的谐振频率所除而得到。在格林伍德（Greenwood D，T）所著的《动力学原理》（Proncipes of Dynamics）（Preufice Hall出版）第97-104页中给出了关于机械振动分析的一种典型讨论。图2画出了这种函数的一条曲线，在强迫频率ω₀与振动频率ω₁的比值为1时，放大系数取得最大值。这一情形对具有较小阻尼力的结构来说是正确的，这也是流速计10的流管12的情形。但是，通过流管12的流体会增加流管12的阻尼力，由此将减小放大系数。在大多数实际应用中，流体对放大系数所产生的阻尼效应被认为是微不足道的，不会对科里奥利质量流速计的工作带来不利的影响。既然放大系数同结构的挠曲程度有关，大的放大系数便意味着如果振动结构在谐振频率上受迫振动，将会出现大的挠曲。由于图2中曲线在放大系数的最大值两旁是非常陡峭的，强迫频率与谐振频率比值的任何变化都会引起放大系数的较大改变。把这些事实用于流速10，同时使用图2，就可以了解流管12对科里奥利力的反应。由图2可以看到，对应于A-A轴的挠曲，会出现最大的放大系数，此时，流管12是在对应于A-A轴振动谐振频率上受迫振动。在最佳实施例中，流管12被强迫在B-B轴上谐振，其频 率比在A-A轴的谐振频率为低。对最佳实施例来说，频率上的这一差别使得流管12在近似为1.2的放大系数下工作，正如图2中标记C的线段所示，其ω₀/ω₁的值约为0.4。可接受的放大系数的范围可以是从大于1.0到5.0。

保持一个大致恒定的放大系数是较为有利的，因为流管12对于A-A轴的方向的挠曲量取决于科里奥利力和放大系数的大小。如果放大系数不保持在一个基本恒定的值，在确定通过挠曲的流管12的流体的质量流速时将会出现误差。显然，流速计放大系数的控制是通过把流管12的强迫频率与谐振频率的比值控制在放大系数基本为1、即在图2的线段C左侧的那些数值上来实现的。按上述方法设计流管12及其附件，结果产生这样的情况，即强迫频率与谐振频率比值的变化所发生的问题相对较小，因为此时放大系数几乎恒定。可是，如果期望有较高的灵敏度，放大系数必须大于1，现有的设计方法就不再适用。

如图2所示，必须使流管12受迫振动的频率与关于A-A轴谐振频率的比值，即ω₀/ω₁基本上保持恒定，才能具有大于1的基本恒定的放大系数。

对于安装有驱动器14和传感器16的流管12来说，本发明已经发现，将强迫频率与谐振频率的比值保持为与流体密度变化无关的常数是可能的。

流管12可以被分析为一个具有6个自由度的机械结构，具有下列运动方程：

Mi i+K^xi Xi＝0

Ji

i+K^θi θi＝0

其中Mi是该结构的模式质量;

Xi是模式质量沿3个正交的直线轴的直线位移;

Ji是该结构的模式惯量;

θi是模式质量对于3个正交旋转轴的角位移;

K^x _i是该结构沿3个直线轴的平动刚性系数;

K^θ _i是该结构对于3个转轴的转动模式刚性系数。

上述一般方程对流管12在所有方向上的所有振动方式有解，由此可以计算出流管12关于B-B轴特定的谐振频率ω_o，

${\omega }_o=\sqrt{K{}^B{}_i\mathrm{/\; Mi}}$

以及关于A-A轴特定的谐振频率ω₁，

${\omega }_1=\sqrt{K{}^A{}_i\mathrm{/\; Mi}}$

这里，K^B _i是流管12关于B-B轴的模式刚性系数;

K^A _i是流管12关于A-A轴的模式刚性系数。

由于模式刚性系数K^A _i和K^B _i是常数，而比值ω₀/ω₁要保持为常数，对于流管12应当得到下列关系：

Ji/Mi＝常数（3）

这样写出的方程只是对于没有附加件、质量与流体密度变化无关的流管才是正确的，当附加件，例如驱动器14和传感器16固定到流管12上后，方程（3）应当改写为：

(Ji（ρ）+J)/(Mi（ρ）+M) ＝常数（4）

其中，Ji（ρ）是流管12和所包含流体的模式惯量，与密度有关;

Mi（ρ）是流管12和所包含流体的模式质量，与密度有关;

J是流管12的附件关于A-A轴的总转动惯量，与流体密度无关;

M是流管12附件的总质量，与流体密度无关。

对本发明来说，为了使方程（4）的左半部分等于一个与流体密度变化无关的常数，下列关系应当成立：

(Mi（ρ）)/(Ji（ρ）) ＝ (M)/(J) （5）

在设计流速计10时，为了使强迫谐振频率与关于A-A轴的谐振频率的比值为一常数，作为流管12的方程（5）的解的模式惯量和模式质量必须由计算或实验确定。这些模式质量和模式惯量必须同所有附件一起确定，例如，安装在流管12上为流速计10的工作所必须的驱动器14和传感器16。为了确定模式质量和惯量，采用下列过程：

1.用实验或诸如有限元计算程序等分析方法，确定没有任何附件的流管12关于B-B轴振动的谐振频率ω¹ ₀，

2.然后，把驱动器14和传感器16等每一附 件，定位在流管12上，用实验或如有限元计算程序等一类分析方法，确定带有总质量为M的附件的流管12关于B-B轴振动的谐振频率ω₀，

3.用下列关系式确定关于B-B轴振动的模式质量：

（ω′O）²＝K^B _i/Mi（ρ）（6）

ωO＝K^B _i/（Mi（ρ）+M）（7）

从方程（6）和（7）中解出Mi（ρ）：

$\mathrm{Mi\; (\rho )\; =}\frac{M}{(\frac{{\mathrm{\omega \; ＇}}_o}{{\omega }_o}\mathrm{)\; -\; 1}}\mathrm{(8)}$

4.对流管12关于A-A轴的振动重复步骤1至3以确定模式惯量Ji（ρ）。与计算模式质量不同之处在于，模式惯量的计算需要每一附件的质量M和该附件离A-A轴垂直距离r以形成Mr²结合。在不带任何附件的流管12关于A-A轴振动的谐振频率ω^′ ₁和带有附件的流管12关于A-A轴振动的谐振频率ω₁确定之后，可以采用下列关系式：

（ω^′ ₁）＝K^A _i/Ji（ρ）（9）

ω² ₁＝K^A _i/（Ji（ρ）+J）（10）

从方程（9）和（10）中解模式惯量Ji（ρ），得：

$\mathrm{Ji\; (\rho )\; =}\frac{M}{(\frac{{\mathrm{\omega \; ＇}}_1}{{\omega }_1}\mathrm{)\; -\; 1}}\mathrm{(11)}$

现在对选定的一对流管12、选定的驱动器14和传感器16的质量、以及流管12上附件的选定位置应用上述过程，带有附件的流管12所有必要的特征都是已知的。如果关于A-A轴和B-B轴的谐振频率的比值不受流体密度变化的影响，应当满足方程（5），即：

(Mi（ρ）)/(Ji（ρ）) ＝ (M)/(J) （5）

在流管12上安装传感器16和驱动器14的位置和这些部件的质量将被改变直至满足方程（5）。

图1所示类型的流速计10中，每一流管12有三个安装着附件的位置。一个位置用来安装驱动器14，两个位置用来安装传感器16。驱动器14需要安装在流管12的A-A轴上，这一事实来源于这种需要，即来自驱动器14的力应当迫使流管12关于B-B轴振动，而不影响流管12关于A-A轴的振动。驱动器14基本上安装在A-A轴上，惯量J就基本不受流管12上驱动器14安装的影响。这样，关键的附件是传感器16。传感器16应当基本上紧贴流管12，而其间距最远，以感受最大的信号，并且因离流管12的安装距离最短，可以减小安装传感器16额外的谐波运动。所以，驱动器14和传感器16在流管12上的较好位置是固定的，使用上面叙述的过程可以确定驱动器14和传感器16质量的唯一组合方式以及在流管12上的安装位置，并且满足方程（5）。

按上述程序，设计并测试了一对带有驱动器14和传感器16的流管12，证实这种组合提供了一种与流体密度变化无关的、关于A-A轴谐振频率与关于B-B轴谐振频率的比值。这种流管12由符合美国材料试验学会（ASTM）No.A-632的316L型无缝不锈钢管18（见图3）制造，管18外径为1.110厘米，壁厚0.071厘米，弯成如表Ⅰ所列出的尺寸：

表Ⅰ

（参见图3）

参数    长度（厘米）

L    19.050

R    5.080

W    20.320

对于具有相同质量部件的驱动器14和传感器16以及管18，本发明的程序用来计算安装传感器部件16的位置20（见图3）和安装驱动器部件14的位置22，以提供一种关于A-A轴谐振频率和关于B-B轴谐振频率之比为一与流体密度变化无关的基本恒定的比值的结构安排，由计算得到在管18上安装驱动器部件14和传感器部件16的位置的尺寸列在下表Ⅱ中。

表Ⅱ

（参见图3）

参数    长度（厘米）

D    15.240

d    0.871

F    0.871

按照表Ⅰ、表Ⅱ所列的结构，在驱动器14和传感器16的质量325格令（21克）时，可以计算和由实验测出充满比重为0的空气或比重为1的水的管18的工作参数，并列在表Ⅲ中。

表Ⅲ

振动方式    流体    测量得到谐振    计算提到谐振

（赫芝）    频率（赫芝）    频率（赫芝）

Ω₀空气 94.475 89.546

Ω₁空气 223.500 224.639

Ω₀水 84.500 83.360

Ω₁水 199.800 208.233

Ω₀是围绕B-B轴的振动和Ω₁是围绕A-A轴的振动。

对表3所列的结果，得到下列谐振频率比值：

表Ⅳ

流体    测量值    计算值

空气    0.423    0.399

水    0.423    0.400

这些结果表明，对由实验测得的谐振频率来说，空气和水的谐振频率比值并无差别，而对计算得出的谐振频率来说，比值有着百分之0.25的差别。这一差别在实际的仪器中是可以忽略的，正如表Ⅳ中的测量结果所表明的那样。

对于本领域的技术人员，在参照了本说明书或实施本发明之后，显然可以对本发明作出其他实施例。本说明书只是打算作为一种例子，本发明的真实范围将由下述权利要求书来表明。

Claims (4)

1、一种科里奥利质量流速计，具有至少一个由同质材料制成、壁厚基本均匀的流管，所述流管被强迫谐振，在所述流管上安装着附件，迫使所述流管振动，并测量所述流管的位移，其特征在于：

所述安装在流管上的附件的位置和质量使得每一所述流管不带附件时的模式质量对所述流管不带附件时的模式惯量之比等于安装在所述流管上的附件的总质量对安装在所述流管上的所述附件的总惯量之比，并且使得带有所有附件的所述流管的第二谐振频率对带有所有附件的所述流管的第四谐振频率之比为常数，其中：

(i)每一流管在不带附件时的第一谐振频率是关于与所述流管受迫振动相关的轴的谐振频率，

(ii)每一流管带有所述流速计工作时所需所有附件时的第二谐振频率是关于与流管受迫振动相关的轴的谐振频率，

(iii)每一流管在无附件时的第三谐振频率是关于与所述流管被科里奥利力挠曲相关的轴的谐振频率，

(iv)每一流管带有所述质量流速计工作所需所有附件时的第四谐振频率是关于与所述流管被科里奥利力挠曲相关的轴的谐振频率，

(v)每一流管的模式质量是第一、第二谐振频率和安装在所述流管上的所述附件质量的函数，

(vi)每一流管的模式惯量是第三、第四谐振频率和安装在所述流管上的所述附件惯量的函数，

(vii)所述科里奥利质量流速计的放大系数在大于1.0到近似于5.0的范围内。

2、如权利要求1的流速计，其特征在于所述附件包括用于迫使所述流管振动的驱动装置和用于感受所述流管挠曲的传感装置。

3、一种科里奥利质量流速计，具有至少一个由同质材料制成、壁厚基本均匀的流管，所述流管被强迫谐振，在所述流管上安装着附件，迫使所述流管振动，并测量所述流管的位移，其特征在于：

所述安装在流管上的附件的位置和质量使得所述每一流管在不带附件时的模式质量对所述流管在不带附件时的模式惯量之比等于安装在所述流管上的所述附件总质量对安装在所述流管上的所述附件的总惯量之比，并且使得所述流管带有所有附件时的第二谐振频率对所述流管带有所有附件时的第四谐振频率之比为常数，其中：

（ⅰ）每一流管在不带附件时的第一谐振频率是关于所述与流管受迫振动相关的轴的谐振频率，

（ⅱ）每一流管带有所述流速计工作所需所有附件时的第二谐振频率是关于与所述流管受迫振动相关的轴的谐振频率，

（ⅲ）每一流管在不带附件时的第三谐振频率是关于与所述流管被科里奥利力挠曲相关的轴的谐振频率，

（ⅳ）每一流管带有所述质量流速计工作所需所有附件时的第四谐振频率是关于与所述流管被科里奥利力挠曲相关的轴的谐振频率，

（ⅴ）每一流管的模式惯量是第一、第二谐振频率和安装在所述流管上的所述附件惯量的函数，

（ⅵ）每一流管的模式质量是第三、第四谐振频率和安装在所述流管上的所述附件质量的函数，

（ⅶ）所述科里奥利质量流速计的放大系数在大于1、0到近似于5、0的范围内。

4、如权利要求3的流速计，其特征在于，所述附件包括用于迫使所述流管振动的驱动装置和用于感受所述流管挠曲的传感装置。

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