CN104101394A - 科氏质量流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的科氏质量流量传感器包括壳体；测量管，其包括入口段和出口段，以及测量段，其中，测量段包括第一弧形部分，以及位于入口段和第一弧形部分之间的第二弧形部分；激励器，其用于激励测量管振动；检测器，其位于第一弧形部分上，用于检测测量管的振动信号，并基于此得到流体的质量流量。本发明的测量管可以有效地提高科氏质量流量传感器的灵敏度及机械品质因数，减小流场影响。此外，该测量管的流动阻力小、低压损，可以测定粘度高、杂质含量高的流体的质量流量，而且加工简单、成本低。

Description

科氏质量流量传感器

技术领域

本发明涉及一种质量流量传感器，特别地涉及一种科氏质量流量传感器。

背景技术

质量流量传感器是生产、节约能源、改进产品质量、提高经济效益的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。其被广泛应用于石油、化工、天然气、环保、医药、卫生、食品、贸易结算及各种机器设备等各个领域。其中，科氏质量流量传感器以其高精度、高可靠性和高稳定性等高性能在工业中得到越来越多的应用。

目前，科氏质量流量传感器包括壳体、测量管、检测器以及激励器。其中，测量管包括平行并间隔设置的第一直线形部分和第二直线形部分，以及位于第一直线形部分和第二直线形部分的一个端部并分别与两者光滑连接的弧形部分。第一直线形部分和第二直线形部分的另一端穿过壳体与外界连通。激励器设置在弧形部分上并用于激励测量管振动。在激励器的两侧分别设置一个检测器，用于检测测量管的振动信号，并以此得到流体的质量流量。但是，流体从第一直线形部分流入弧形部分时的流速变化较大，从而使检测器的检测误差较大，进而使科氏质量流量传感器的灵敏度较低。

因此，如何解决现有的科氏质量流量传感器的检测灵敏度较低的问题，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种科氏质量流量传感器，可以有效地提高其检测灵敏度。

本发明的科氏质量流量传感器，包括：壳体；测量管，其包括设置在所述壳体上的入口段和出口段，以及设置在所述壳体内并分别与所述入口段和所述出口段连通的测量段，其中，所述测量段包括与相邻的管段部分光滑过渡的第一弧形部分，以及位于所述入口段和所述第一弧形部分之间并与相邻的管段部分光滑过渡的第二弧形部分；激励器，其用于激励所述测量管振动；检测器，其位于第一弧形部分上，用于检测所述测量管的振动信号，并基于此得到流体的质量流量。这样，当流体流入第一弧形部分时，可以先经过一次流速的变化，使得流入第一弧形部分的流速变化较小，从而有效地提高该科氏质量流量传感器的检测灵敏度。

在一个实施例中，所述测量段还包括位于所述出口段和所述第一弧形部分之间并与相邻的管段部分光滑过渡的第三弧形部分。

在一个实施例中，所述测量段还包括一端通过所述第二弧形部分与所述入口段光滑连接的第一直线形部分、通过第一弧形部分与所述第一直线形部分的另一端光滑连接的第二直线形部分，以及通过第一弧形部分与所述第二直线形部分的另一端光滑连接的第三直线形部分，并且所述第三直线形部分的另一端通过第三弧形部分与所述出口段光滑连接。

在一个实施例中，所述第一直线形部分与所述第三直线形部分平行，所述入口段、所述出口段和所述第二直线形部分三者平行，且分别与所述第一直线形部分和第三直线形部分垂直。

在一个实施例中，位于所述第一直线形部分两端的第一弧形部分和第二弧形部分的弯曲方向大致相反，并且两者的圆心角和半径均大致相同；位于所述第三直线形部分两端的第一弧形部分和第三弧形部分的弯曲方向大致相反，并且两者的圆心角和半径均大致相同。

在一个实施例中，所述壳体包括大致成矩形的矩形腔室和与所述矩形腔室连通并大致成梯形的梯形腔室，其中，所述入口段和所述出口段垂直地设置在所述矩形腔室的侧壁上，并且所述第二弧形部分和所述第三弧形部分均位于所述矩形腔室中。

在一个实施例中，还包括用于支撑科氏质量流量传感器的管线的走线支撑板，所述走线支撑板固定在所述壳体的内部，从而将所述壳体分割为所述矩形腔室和所述梯形腔室，并且在所述走线支撑板上设有供所述测量管穿过的通孔。

在一个实施例中，并排且间隔地设有两个所述测量管，两个所述测量管之间通过定距件固定连接，其中，在第二弧形部分、第三弧形部分、进口段及出口段均设有所述定距件。

在一个实施例中，还包括分别套设在所述入口段和出口段的外侧的过渡件，并且所述过渡件固定在所述壳体上。

在一个实施例中，还包括用于测量所述壳体的内部的压力的压力传感器，并且所述压力传感器固定在所述壳体的外侧。

相对于现有技术，本发明的科氏质量流量传感器中流体先流入第二弧形部分，然后再流入第一弧形部分。这样，当流体流入第一弧形部分时，可以先经过一次流速的变化，使得流入第一弧形部分时的流速变化较小，并且依据科氏效应理论，在直管段产生的科氏力对测量管产生的扭矩最大，从而有效地提高该科氏质量流量传感器的检测灵敏度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。在图中：

图1为本发明的科氏质量流量传感器的结构示意图。

图2为本发明的科氏质量流量传感器的主视图。

图3为本发明的科氏质量流量传感器的俯视图。

图4为本发明中的测量管的主视图。

图5为本发明中的激励器和检测器的安装示意图。

图6为本发明中的定距件的安装结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例描绘。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的原理：根据科里奥利效应，两测量管1、2采用双重定距件6、7、8、9在测量管1、2的两端固定焊接。且两根测量管1、2平行地、牢固地焊接在分流器的外端面，构成一个音叉，以消除外界振动的影响。两根测量管1、2在激励器3的激励下，以其固有频率振动，振动相位相反。由于测量管1、2的振动效应，在管内流动的每个流体微元得到一个科氏加速度，测量管1、2便受到一个与此加速度方向相反的科氏力。由于测量管1、2的进、出两端所受到的科氏力方向相反，而使测量管1、2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1、2的入口端和出口端的检测器4、5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。

如图1和图3所示，本发明的科氏质量流量传感器包括壳体22和并排且间隔地设置的两个测量管1、2。在一个具体的实施例中，壳体22包括大致成长方形的顶壁，大致成长方形的走线支撑板18、大致成长方形的底壁，以及侧壁。走线支撑板18用于支撑科氏质量流量传感器的管线，从而使走线更加方便。此外，在走线支撑板18上还设有用于使测量管1、2穿过的通孔。并且测量管1、2穿过走线支撑板18时，优先选用测量管1、2不与走线支撑板18接触，以提高检测灵敏度。

顶壁的大小和走线支撑板18的大小大致相同，从而使得顶壁、走线支撑板18，以及固定在顶壁和走线支撑板18的两个短边的侧壁构造成一个大致为矩形的矩形腔室。底壁的宽度与走线支撑板18的宽度相同，而长度小于走线支撑板18的长度，从而使得走线支撑板18、底壁，以及固定在走线支撑板18和底壁上的侧壁构造成一个大致为梯形的梯形腔室，以提高该科氏质量流量传感器的稳定性。壳体22的厚度相同，以简化壳体22的结构，从而便于加工和制造。

如图4及图5所示，测量管1、2均包括大致成直线形的入口段31、大致成直线形的出口段32，以及与入口段31和出口段32连通的测量段。其中，入口段31和出口段32均设置在壳体22上，而测量段位于壳体22内。进一步地，测量段包括与相邻的管段部分光滑过渡的第一弧形部分25、26，以及位于入口段31和第一弧形部分25之间并与相邻的管段部分光滑过渡的第二弧形部分29。当流体流经测量段时，先流过第二弧形部分29，然后再流过第一弧形部分25、26。这样，当流体流经第一弧形部分25、26之前，可以先通过第二弧形部分29对流体进行一次调速，从而使得流体流过第一弧形部分25、26时的速度变化较小。

此外，在第一弧形部分26和出口段32之间设有与相邻的管段部分光滑过渡的第三弧形部分30。这样，可以在流体流出第一弧形部分26之后，流入出口段32之前，对流体的流速进行限定，以进一步减少流体流入和流出第一弧形部分25、26时流速的突变性。

进一步地，测量段包括三个直线形部分和四个弧形部分。其中，第一直线形部分27的一端通过第二弧形部分29与入口段31光滑连接，另一端通过第一弧形部分25与第二直线形部分24的一端光滑连接。而第二直线形部分24的另一端也通过第一弧形部分26与第三直线形部分28的一端光滑连接，第三直线形部分28的另一端通过第三弧形部分30与出口段32光滑连接。通过这样设置，可以进一步减少压损，从而进一步提高检测灵敏度。

更为优选地，入口段31、出口段32及第二直线形部分24三者大致平行。第一直线形部分27与第三直线形部分28大致平行。入口段31、出口段32及第二直线形部分24与第一直线形部分27和第三直线形部分28大致垂直设置。通过这样设置，便于设置各个管段部分，并且入口段31、出口段32及测量段三者的中心线大致在同一平面内，以进一步便于加工和设置。第一直线形部分27和第三直线形部分28的长度可以相同，以便于加工和设置。

入口段31和出口段32垂直地设置在矩形腔体的侧壁上，以便于加工侧壁上的通孔。第二弧形部分29和第三弧形部分30也均设置在矩形腔体中，以便于设置走线支撑板18上的孔。此外，在入口段31和出口段32的外侧套设有过渡件16、17，过渡件16、17固定在壳体22上，以提高入口段31和出口段32的强度，从而防止两者发生弯曲。在一个例子中，过渡件16、17为长方形块，在长方形块上设有个数与测量管的个数相同的通孔。长方形块穿过壳体22并固定在壳体22上。

安装各个管段时，使位于第一直线形部分27的两端的第一弧形部分25和第二弧形部分29的弯曲方向相反，即入口段31和第一直线形部分27位于壳体22的同一侧，以便于设置各个管段。位于第三直线形部分28的两端的第一弧形部分26和第三弧形部分30的弯曲方向相反，即出口段32和第三直线形部分28位于壳体22的同一侧，以便于设置各个管段。

此外，第一弧形部分25、26的圆心角与第二弧形部分29的圆心角及第三弧形部分30的圆心角大致相等，而且第一弧形部分25、26的弯曲半径与第二弧形部分29的弯曲半径及第三弧形部分30的弯曲半径大致相等。这样，流体在第一弧形部分25、26、第二弧形部分29，以及第三弧形部分30的流动状态相同，以进一步提高该科氏质量流量传感器的灵敏度。第一弧形部分25、26的圆心角和弯曲半径可以均相同，也可以不同。

测量管1、2的材质一般采用316L不锈钢、钛、哈氏合金等。本发明的科氏质量流量传感器还可以用来测量高压气体(例如压缩天然气)的质量流量。当测量高压气体的质量流量时，测量管1、2的壁厚大于用于测量液体时的壁厚。而且本发明的测量管1、2可以有效地提高科氏质量流量传感器的灵敏度和机械品质因数，并减小流场影响。此外，该测量管1、2的流动阻力小、低压损，可以测定粘度高、杂质含量高的流体的质量流量，而且加工简单、成本低。本发明的科氏质量流量传感器可以应用在生物医学、化学、食品、制药等具有宽量程流量测量需求的领域。

进一步地，如图2及图6所示，在两个测量管1、2之间设有用于限定两个测量管1、2之间的距离的定距件6、7、8、9。在一个具体的实施例中，定距件6、7、8、9为矩形的定距板，在定距板上设有两个彼此平行且分别用于使测量管1、2穿过的通孔。更为具体地，在入口段31、出口段32、第二弧形部分29、第三弧形部分30之间均设有定距板。通过这样设置，可以有效地提高测量管1、2的谐振频率、稳定性及抗震性，而且还可以减小测量管1、2的振动耦合。

此外，设置在第二弧形部分29和第三弧形部分30的定距件8、9的延伸面经过第二弧形部分29和第三弧形部分30的圆心。进一步地，设在第二弧形部分29和第三弧形部分30上的定距件8、9位于第二弧形部分29和第三弧形部分30的中间位置，以进一步提高测量管1、2的稳定性等。另外，设在入口段31和出口段32上的定距件6、7的位置变化会改变测量管1、2的谐振频率，故可以根据所设计的频率来确定定距件6、7在入口段31和出口段32的位置。

优选地，定距件6、7、8、9均通过钎焊的方式焊接在测量管1、2上。这样，不会引起测量管1、2的变形，从而使两个测量管1、2的特性完全相同，同时还可以提供流量测量所需的有限扭曲和弯曲。

此外，如图3所示，在入口段31和出口段32上设有一个高压螺母10和高压螺母过渡接头12，在出口段32上设有一个高压螺母11和高压螺母过渡接头13。高压螺母过渡接头12、13采用专用3/4VCO的高压螺母连接接头，具有普遍适用性。

在入口段31设有一个分流器14，分流器14位于壳体22内并固定在过渡件16上，在出口段32也设有一个分流器15，分流器15位于壳体22内并固定在过渡件17上。通过这样设置，可以使流体均匀地分配到两个测量管1、2中。另外，分流器的内端面焊接在壳体22上，以起到支撑、保护并隔震的作用。

在定距件6上固定有温度传感器固定座21，以将温度传感器固定在定距件6上，从而可以更直接地感受测量管1、2的温度变化。具体地，温度传感器固定座21可以为铜制的。用于固定科氏质量流量传感器的仪表的配接法兰20可以采用橡胶柱与配接螺栓挤压的方式密封，以提高密封效果和耐压。配接法兰20通过配接法兰连接管19固定在壳体22上。此外，该科氏质量流量传感器还包括用于测量壳体22内的压力的压力传感器23，以监测壳体22的内部的压力变化，预警泄露。具体地，压力传感器23可以固定在壳体的顶壁上。

该科氏质量流量传感器还包括激励器3和两个检测器4、5。在一个实施例中，激励器3固定在第二直线形部分24的中部，在第一弧形部分25的中部安装有一个检测器4，第一弧形部分26的中部安装有检测器5。这样，可以通过闭环控制系统，使测量管1、2处于简谐振动状态，从而使科氏质量流量传感器以其固有频率振动。

当流体未流过测量管1、2时，激励器3激励测量管1、2以其固有频率振动。此时，两个检测器4、5检测到的正弦信号频率与相位完全相同，相位差为0。此时，由于测量管1、2为空管，测量管1、2的谐振频率为密度基准频率，即无流体时的频率，实时密度为0，测得的流体的质量流量为0。当流体流过测量管1、2时，测量管1、2内流体的流动引发科氏效应的出现，测量管1、2的两端由于力偶的影响受到大小相等方向相反的科氏力，表现为检测器4、5检测到的正弦信号之间具有相位差，通过检测此相位差大小即可得到流体的实时质量流量。

进一步地，激励器3可以为电磁激励器，其由线圈和磁钢配合使用。激励器3的线圈和磁钢分别通过固定支架固定在不同的测量管1或2上。具体地，固定支架可以通过钎焊的方式固定在测量管1、2上。两个检测器4、5可以均为电磁检测器，其均由线圈和磁钢同轴配合使用。并且检测器4、5的线圈和磁钢也均通过固定支架固定在不同的测量管1或2上，以进一步提高检测灵敏度。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种科氏质量流量传感器，包括：

壳体；

测量管，其包括设置在所述壳体上的入口段和出口段，以及设置在所述壳体内并分别与所述入口段和所述出口段连通的测量段，其中，所述测量段包括与相邻的管段部分光滑过渡的第一弧形部分，以及位于所述入口段和所述第一弧形部分之间并与相邻的管段部分光滑过渡的第二弧形部分；

激励器，其用于激励所述测量管振动；

检测器，其位于第一弧形部分上，用于检测所述测量管的振动信号，并基于此得到流体的质量流量。

2.根据权利要求1所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，所述测量段还包括位于所述出口段和所述第一弧形部分之间并与相邻的管段部分光滑过渡的第三弧形部分。

3.根据权利要求2所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，所述测量段还包括一端通过所述第二弧形部分与所述入口段光滑连接的第一直线形部分、通过第一弧形部分与所述第一直线形部分的另一端光滑连接的第二直线形部分，以及通过第一弧形部分与所述第二直线形部分的另一端光滑连接的第三直线形部分，并且所述第三直线形部分的另一端通过第三弧形部分与所述出口段光滑连接。

4.根据权利要求3所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，所述第一直线形部分与所述第三直线形部分平行，所述入口段、所述出口段和所述第二直线形部分三者平行，且分别与所述第一直线形部分和第三直线形部分垂直。

5.根据权利要求3或4所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，位于所述第一直线形部分两端的第一弧形部分和第二弧形部分的弯曲方向大致相反，并且两者的圆心角和半径均大致相同；

位于所述第三直线形部分两端的第一弧形部分和第三弧形部分的弯曲方向大致相反，并且两者的圆心角和半径均大致相同。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，所述壳体包括大致成矩形的矩形腔室和与所述矩形腔室连通并大致成梯形的梯形腔室，其中，所述入口段和所述出口段垂直地设置在所述矩形腔室的侧壁上，并且所述第二弧形部分和所述第三弧形部分均位于所述矩形腔室中。

7.根据权利要求6所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，还包括用于支撑科氏质量流量传感器的管线的走线支撑板，所述走线支撑板固定在所述壳体的内部，从而将所述壳体分割为所述矩形腔室和所述梯形腔室，并且在所述走线支撑板上设有供所述测量管穿过的通孔。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，并排且间隔地设有两个所述测量管，两个所述测量管之间通过定距件固定连接，其中，在第二弧形部分、第三弧形部分、进口段及出口段均设有所述定距件。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，还包括分别套设在所述入口段和出口段的外侧的过渡件，并且所述过渡件焊接在所述壳体上。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的科氏质量流量传感器，其特征在于，还包括用于测量所述壳体的内部的压力的压力传感器，并且所述压力传感器固定在所述壳体的外侧。