CN103076053A - 一种质量流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质量流量计,用于直接高精度测量质量流量,包括:两根结构完全相同且平行的U型测量管、激振器、两个检测器、四个定距板、两个法兰、两个端连接管、两个分流器、一个中间连接管和外壳;本发明有效提高了谐振式传感器的性能及机械品质因数,大大减小了流场影响,流动阻力小、低压损、安装及加工简单,测量管具有良好的动态平衡特性,并且可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量,将进一步扩大科里奥利质量流量计的应用范围,满足工业发展对流量测量的准确度和范围的需求。对于节约原材料、降低生产成本、降低环境污染,提高利润率和产品质量有较大的促进作用。

Description

一种质量流量计
技术领域
[0001] 本发明涉及测试计量仪表领域,特别涉及一种新U型科里奥利质量流量计。
背景技术
[0002] 质量流量测量技术是当今国家科技在过程控制领域中发展的重点,为实现在复杂环境条件下对各种介质的高准确度、高可靠测量,科里奥利质量流量计(Coriolis MassFlowmeter,简称CMF,又称科氏质量流量计)以其优越的性能,成为此领域的重要开展技术之一,且满足国家重大需求。CMF能够高准确度地直接测量管道内流体的质量流量,利用流体流过振动管道时产生的科里奥利效应对管道两端振动相位或幅度的影响来测量流过管道的流体质量,稳定性好、可靠性高、量程比大、适用于高粘度流体等特点。
[0003] 科里奥利质量流量计是利用流体在振动管中流动时,将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量的。如图8所示,目前,人们普遍采用振动管式科氏原理的流量计,主要是由一次仪表和二次仪表组成,其中一次仪表(即科里奥利质量流量传感器敏感单元a包括测量管al、a2、激振器a5和拾振器a3、a4 ;二次仪表b包括闭环控制单元bl和流量解算单元b2,分别是一次仪表的控制和信号处理系统。一次仪表(即科里奥利质量流量传感器)是敏感部件,输出与被测流量相关的振动信号;闭环控制单元bl给激振器a5提供激振信号,使测量管维持在谐振状态,并且对测量管al、a2的振动频率进行实时跟踪;流量解算单元b2对传感器拾振器a3、a4的输出信号进行处理并输出测量信息,从中确定被测流体的质量流量和密度。
[0004] 传统的振动管式CMF按测量管的配置分为单管型和双管型。单管型因易受外界振动的干扰,多用双管型,由于双管两管形状相同,固有频率相近,容易起振,但两管内被测介质的流动情况相同,上下振动的相位相反,科氏力产生的作用效果也相反,整个流量计总是处于受力平衡状态。实际上由于管端分配器不能保证两管内的流量绝对相等,因而无法保证两管中的沉积物及磨损绝对一致,也难以保证两管在清洗时同时得到彻底清洗,故测量时会引起零点漂移,产生附加误差。目前大多数产品仍是双管型,这种结构较容易实现相位测量,与目前的技术及工艺水平相适应。
[0005] 根据测量管的形状分为弯管型和直管型。弯管型,主要由弯管段和直管段组合而成,现有技术中公开了许多种管型,有U型、Ω型、Λ型、环型、C型、B型、T型、水滴型、蝇拍型等。其管壁较厚,刚度小,受腐蚀影响较小;其谐振频率较低,一般为70-120ΗΖ ;反映质量流量的相位差为毫秒级,电子信号较易处理;但弯管型易积存气体和流体残渣而引起附加误差,并且制作加工要比直管型复杂。
[0006] 直管型CMF测量管,由于刚度大,谐振频率高,且振幅很小,约为60 μ m ;由于频率较高,与工业上的一般机械振动频率相差较大,故不易受外界振动的干扰;不易存积气体及残渣,外形尺寸较小;为使谐振频率不至于过高,其管壁设计得较薄,约为弯管的1/4〜1/2,因而耐磨及抗腐蚀能力差。反映质量的相位差为微秒级,电信号的处理较困难,严重限制了 CM F的测量范围,并且这种传统振动直管式的CMF的灵敏度较低,且受温度波动影响。国内外研制和应用的直管型或类似直管型CM F,如公开的专利有:科里奥利质量流量计(专利申请号为00129058. 4),被制成以一个方向弯曲的弓形,此结构多为弯管,流速稳定差,且流体易在管内壁产生吸附和沉淀;安装及加工复杂、动态平衡特性差。
[0007]目前,所研制的CMF存在着一些制约因素:如CMF测量管设计的综合性能较差,管道安装不稳定,管型的机械实现较难;CMF对外界的振动干扰比较敏感;CMF系统不能用于测量低密度介质。在测量含气液体时,如果含气量太大会影响测量精度;测量管受设计、力口工与安装工艺的影响,其动态平衡特性较差,直接影响CMF的性能,并且是不可逆的。
[0008] 因此,设计一种结合传统弯管和直管优点的新型U型科里奥利质量流量计是十分必要的。本发明的新U型科里奥利质量流量计,就是针对以上问题而设计的。其流场影响小、流动阻力小、低压损、安装及加工简单,测量管具有良好的动态平衡特性,CMF的整体性能较高、测量范围宽,可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量。进一步丰富了 CMF产品种类,增加核心竞争力。
发明内容
[0009] 有鉴于此,本发明实施例的目的是提供一种减小流场影响、流动阻力小、低压损、安装及加工简单,测量管具有良好的动态平衡特性,并且可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量,提高CMF的整体性能和测量范围的新U型科里奥利质量流量计。
[0010] 为实现上述目的,本发明采用了以下的技术方案:
[0011] —种质量流量计,包括:夕卜壳(18)、位于所述外壳(18)内的两根结构完全相同的U型测量管(1、2)、安装在两个U型测量管(1、2)中心轴线处的激振器(3)、位于所述第二部分圆弧管段(22、23)的中心处的两个检测器(4、5)、四个定距板(6、7、8、9)、分别对称设置在所述质量流量计的最外两端的两个法兰(10、11)、通过两个所述的分流器(14、15)与所述U型测量管(1、2)连接的两个端连接管(12、13)、两个分流器(14、15)之间通过中间连接管(16)连接,以及一个引线连接器(17),所述两根U型测量管(1、2)平行设置;
[0012] 所述U型测量管(1、2)的包括第一部分圆弧段(19),所述第一部分圆弧段(19)两侧分别依次连接斜管段(20、21)、第二部分圆弧段(22、23)、直管段(24、25),且U型测量管(1、2)的左右两半部相对于第一部分圆弧段(19)中心线呈对称结构。
[0013] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,所述激振器(3)由线圈和磁铁配合,安装在所述两个U型测量管(1、2)中心轴线的位置,所述激振器(3)的线圈通过固定件安装在一个U型测量管(I)上,所述激振器(3)的磁铁则安装在另一 U型测量管(2)上。
[0014] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,所述两个检测器(4、5)由线圈与磁铁同轴配合,位于所述第二部分圆弧管段(22、23)的中心处。
[0015] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,在所述两根平行的U型测量管(1、2)的两端分别焊接有两个定距板,四个定距板将两根平行的U型测量管(1、2)固定。
[0016] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,所述的外壳(18)与两端分流器(14、15)的外端面焊接固定。
[0017] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,所述两个法兰(10、11)分别对称设置在所述质量流量计的最外两端,并分别与所述两个端连接管(12、13)为一体成型加工而成。[0018] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,所述U型测量管(1、2)两端的两个定距板两个定距板均位于U型测量管(1、2)的直管段(24、25),且与直管段(24、25)垂直。
[0019] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,所述两根平行的U型测量管(1、2)的中心间距为2. 5D-3D, D为U型测量管(1、2)的外径。
[0020] 依照本发明较佳实施例所述的质量流量计,所述定距板上有两个大小与U型测量管(1、2)外径D相同的孔,两孔间的距离为2. 〜3D,通过真空钎焊的方式与所述U型测量管(1、2)固定。
[0021] 综上所述,本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0022] (I)本发明采用了新U型管型,此结构有效提高了谐振式传感器的性能及机械品质因数,大大减小了流场影响、流动阻力小、低压损,可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量,加工简单、成本低,进一步提高了 CMF的整体性能和测量范围。
[0023] (2)本发明采用双重定距模式,即测量管的两侧各采用两个定距板,并与之通过真空钎焊进行连接固定。本发明中的定距板的最佳安装位置,由有限元分析中的模态分析和谐响应分析来确定,均位于U型测量管的直管段,且与直管段垂直。使得测量管的谐振频率较高、稳定性好、抗震性强。
[0024] (3)本发明的激振器和检测器均由线圈与磁铁配合使用,激振器安装在两根相对测量管的第一部分圆弧段中心处,检测器位于测量管的第二部分圆弧管段的中心处。共同形成良好的闭环系统,使科里奥利传感器流量管具有稳定的工作状态,外部扰动的影响较小,自我调节能力强。
附图说明
[0025] 图1为本发明的新U型CMF结构示意图;
[0026] 图2为本发明的新U型CMF结构主视图;
[0027] 图3为本发明的新U型CMF结构仰视图;
[0028] 图4为本发明单根新U型测量管的机械结构示意图;
[0029] 图5为本发明激励器和检测器安装结构示意图;
[0030] 图6为本发明双重定距板的安装结构示意图;
[0031] 图7为本发明定距板的结构示意图;
[0032] 图8为现有的典型双U型管CMF系统结构图。
具体实施方式
[0033] 以下结合附图,对本发明实施例做进一步详细叙述。
[0034] 如图1所示,本发明的新U型CMF包括两个结构和尺寸完全相同的新U型测量管
1、2,激振器3,两个检测器4、5,四个定距板6、7、8、9,两个法兰10、11,两个端连接管12、13,两个分流器14、15, —个中间连接管16和外壳18。
[0035] 两个法兰10、11分别位于新U型CMF的最外端,两个端连接管12、13与两个法兰IOUl为一体成型加工而成;两个端连接管12、13与两个U型测量管1、2之间的部分称为分流器14、15。两个分流器将过程介质均匀地分配到两个测量管中。双流路的测量管是通过入口和出口段分流器进行分流和汇合。采用四个定距板6、7、8、9在U型测量管1、2两侧固定焊接,且两根U型测量管1、2平行地、牢固地焊接在分流器14、15外端面,并与端连接管12、13连接。外壳18与两端分流器14、15的外端面焊接固定,具有支撑、保护及隔振的作用。
[0036] 假定待测流体左侧流入、右侧流出。待测流体通过由法兰10连接的入口端连接管12进入分流器14,等量均匀的分成两路流体,进入到两个U型测量管I和2中,在另一侧两路流体通过分流器15汇聚到由法兰11连接的出口端连接管。
[0037] 如图1所示,两根U型测量管1、2在电磁激励器3的激励下,以其固有频率振动,且振动相位相反。位于两个U型测量管1、2的进流侧和出流侧的两个检测器4、5(检测器为电磁检测器)检测出两路振动信号,两路信号的相位差与测量管的扭摆度,即瞬时流量成正比。通过计算信号间的相位差,可计算出质量流量。
[0038] 激振器3安装在测量管的中心轴线的位置,它的线圈通过固定件安装在一个测量管I上,磁铁则安装在另一测量管2上。激振器3,用于激振测量管,通过闭环控制系统,使测量管处于简谐振动状态。本发明采用的激振器由线圈与磁铁配合使用,分别安装在两根相对测量管的第一圆弧段19中心处,使科里奥利传感器流量管以其固有频率振动。
[0039] 检测器4、5由线圈与磁铁同轴配合使用,安装在两根平行的U型测量管1、2的上部两侧圆弧管段22、23的中心位置,与两根平行的U型测量管1、2的中心对称。
[0040] 如图4所示,本发明的两个U型测量管1、2的中间为第一部分圆弧段19,在第一部分圆弧段19两侧分别依次连接斜管段20、21,第二部分圆弧管段22、23,直管段24、25,左右两半部相对于第一部分圆弧段19中心线呈对称结构。各部分均采用平滑圆弧过渡,减小流场影响、流动阻力小。两个U型测量管1、2的斜管段20、21能够提高科氏效应,提高灵敏度和量程范围。此结构具有结构简单、体积小、易清洗、磨损较小等优点,且宜于自排空和清洁。因此可以测定粘度高、杂质含量高的油、浆体等的质量流量。
[0041] 两个U型测量管1、2的管材一般采用316L不锈钢、钛、哈氏合金、及其它材质的管材,本发明对管材的要求不高,因此可以采用价格低廉的316L不锈钢管。本发明的两根测量管1、2为平行,外径为D,两平行测量管中心的间距为2. 5D〜3D。
[0042] 如图5、图6所示,本发明激振器3安装在测量管的中心轴线的位置;检测器4、5分别安装在两根平行的U型测量管1、2的上部两侧圆弧管段22、23的中心位置,与两根平行的U型测量管1、2的中心对称;U型测量管1、2两端的两个定距板6、7、8、9的最佳安装位置为:两对定距板均位于U型测量管1、2的直管段24、25,且与直管段24、25垂直。
[0043] 如图6所示,在U型测量管1、2的两侧各采用两个定距板6、7、8、9。定距板通过真空钎焊的方式同时固定两个U型测量管1、2,而且不会引起变形,使得两根U型测量管1、2的特性完全相同,同时提供流量测量所需的有限扭曲和弯曲,双重定距板在直管段位置的变化将改变传感器的谐振频率,故可以根据所设计的频率来确定双重定距板在直管段的位置,减小了内部测量管的振动耦合,并使得测量管的抗震性强。
[0044] 本发明的原理:根据科里奥利效应,两根U型测量管采用双重定距板在测量管两侧固定焊接,且两根测量管平行地、牢固地焊接在分流器的外端面,并与端连接管连接,构成一个音叉,以消除外界振动的影响。两根测量管在电磁激励器的激励下,以其固有频率振动,振动相位相反。由于测量管的振动效应,在管内流动的每个流体微团得到一个科氏加速度,测量管便受到一个与此加速度方向相反的科氏力。由于U型测量管的进、出两侧所受到的科氏力方向相反,而使测量管发生扭转,其扭转程度与其扭转刚性成反比,而与管内瞬时质量流量成正比。位于测量管的进流侧和出流侧的两个电磁检测器在音叉每振动一周的过程中,检测出两路振动信号,两路信号的相位差与检测管的扭摆度,即瞬时流量成正比。通过计算信号间的相位差,可计算出质量流量。
[0045] 如图7所示,本发明的每个定距板上有两个大小与U型测量管1、2外径D相同的孔,两孔间的距离为U型测量管1、2之间的距离,一般为2. 5D〜3D。
[0046] 以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种质量流量计,其特征在于,包括:外壳(18)、位于所述外壳(18)内的两根结构完全相同的U型测量管(1、2)、安装在两个U型测量管(1、2)中心轴线处的激振器(3)、分别位于所述第二部分圆弧段(22、23)的中心处的检测器(4、5)、四个定距板(6、7、8、9)、分别对称设置在所述质量流量计的最外两端的两个法兰(10、11)、通过两个所述的分流器(14、15)与所述U型测量管(1、2)连接的两个端连接管(12、13)、两个分流器(14、15)之间通过中间连接管(16)连接,以及一个引线连接器(17),所述两根U型测量管(1、2)平行设置; 所述U型测量管(1、2)包括第一部分圆弧段(19),所述第一部分圆弧段(19)两侧分别依次连接斜管段(20、21)、第二部分圆弧段(22、23)、直管段(24、25),U型测量管(1、2)的左右两半部相对于第一部分圆弧段(19)中心线呈对称结构。
2.如权利要求1所述的质量流量计,其特征在于,所述激振器(3)由线圈和磁铁配合,安装在所述两个U型测量管(1、2)中心轴线的位置,所述激振器(3)的线圈通过固定件安装在一个U型测量管(I)上, 所述激振器(3)的磁铁则安装在另一 U型测量管(2)上。
3.如权利要求1所述的质量流量计,其特征在于,所述两个检测器(4、5)由线圈与磁铁同轴配合,位于所述第二部分圆弧管段(22、23)的中心处。
4.如权利要求1所述的质量流量计,其特征在于,在所述两根平行的U型测量管(1、2)的两端分别焊接有两个定距板,四个定距板将两根平行的U型测量管(1、2)固定。
5.如权利要求1所述的质量流量计,其特征在于,所述的外壳(18)与两端分流器(14、15)的外端面焊接固定。
6.如权利要求1所述的质量流量计,其特征在于,所述两个法兰(10、11)分别对称设置在所述质量流量计的最外两端,并分别与所述两个端连接管(12、13)为一体成型加工而成。
7.如权利要求1所述的质量流量计,其特征在于,所述U型测量管(1、2)两端的两个定距板均位于U型测量管(1、2)的直管段(24、25),且与直管段(24、25)垂直。
8.如权利要求1所述的质量流量计,其特征在于,所述两根平行的U型测量管(1、2)的中心间距为2.5D-3D, D为U型测量管(1、2)的外径。
9.如权利要求8所述的质量流量计,其特征在于,所述定距板上有两个大小与U型测量管(1、2)外径D相同的孔,两孔间的距离为2.〜3D,通过真空钎焊的方式与所述U型测量管(1、2)固定。
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