CN1047844C - 具有螺旋状测量管的科里奥利式质量流量传感器 - Google Patents

具有螺旋状测量管的科里奥利式质量流量传感器 Download PDF

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Abstract

提供一种以科里奥利原理工作，具有一个用法兰安装在被测流体流经的导管中的单测量管的质量流量传感器。它基本上有平衡的振动模式而与流体密度无关，至少在一个安装位置保持自排放能力。测量管振动段呈圆柱螺旋形，按一定要求固定在内、外支撑件上，使该振动段只可产生中心线尽可能保持在波型圆柱包络面静止位置上的振动模式。提供激励振动段垂直于它中心线谐振的装置及确定振动相位差和从振动频率推导质量流速或流体密度的装置。

Description

具有螺旋状测量管的科里奥利式质量流量传感器
本发明涉及一种根据科里奥利原理工作的并具有一个作为振动体的螺旋状测量管的质量流量传感器，被测流体通过螺旋状测量管流动。
在早先大量的具有管状振动体的科里奥利式质量传感器技术中，只有两种基本管形，即至少一个直管或至少一个任意弯曲甚至成螺旋形的管子。后者中，优选形状是U形管，即其具有一个有入口端的直段进口管，一个有出口端的直段出口管，以及一个将进口管同出口管连接的弯管。
对于这两种管型，振动体机械平衡愈小，换言之，振动体机械不对称愈大，测量结果将愈依赖于质量流量传感器的安装位置。“机械平衡”即机械对称，意指不论什么时候振动体的总动量和总动量矩各自必须为零。
目前市场能买到的大部分科里奥利式质量流量传感器是通过振动体轴对称结构实现这样的对称。振动体有个对称面，并用对称振动模式激励它，以使它尽可能完全平衡。
在大多数情况下，这样的轴对称至少需要两个相位相反象音叉那样振动的平行测量管，以使流束必须被分成至少两个分隔开的束流并用适当的接头将其重新结合。在某些应用中，如在环境卫生领域中，认为这是不利的，其中包括成本增加。
另一方面，如果该(两个)测量管相对于流束成串联连接，则能取消该接头；这样的系统排放困难，至于自排放更不用说了。
在非直管式测量管中，一种在一些早先技术参考资料中描述了形状是螺旋形的测量管。
除了美国专利4,957,005以外JP-A61-290324及其附属的英语摘要描述了一种具有螺旋形单测量管的质量流量传感器，该质量流量传感器在螺旋圈的周界位置用一刚性杆内接各个螺圈，其或多或少像上述轴对称质量流量传感器那样工作，至少让两个弯管按音叉方式振动。
DE 3526297A1中公开了一种质量流量测量装置，它只有一圈螺旋测量管，并且内部没有其它支承连接件。
另外，在EP-A518124中也公开了一种科里奥利质量流量计，测量管连接在一个支承件上，并且测量管是在附图平面中弯曲的。
法国专利1139048描述了(可能为首次)一种陀螺式质量流量传感器
-该质量流量传感器被设计成能安装在一个被测流体流经的直径已定的导管中，
-具有一个有几圈螺旋螺距固定且基本上是圆柱形螺旋管状的单测量管，
-具有激励测量管产生振动的装置，以及
-具有确定流体质量流速的装置。
EP-A-210408描述了根据科里奥利原理工作的一种质量流量传感器
-该质量流量传感器设计成用法兰将它安装在一个被测流体流经的直径已定的导管中，
-具有一个约有1圈半螺旋基本上是圆柱形螺旋管状的单测量管并将测量管两端固定在相应的法兰上，
-具有一个外部支撑管，使支撑管的两端固定到与各端相对应法兰附近的测量管上，以及
-具有激励测量管围绕一个垂直于该螺旋轴，而不是和螺旋轴相交的轴振动的装置。
这种质量流量传感器显然是不平衡的，因此它的测量结果，尤其是它们的零稳定性高度依赖于它的安装位置。
上述情况也适用于美国专利4733569中所公开的科里奥利式质量流量传感器
-该质量流量传感器设计成能安装在被测流体流经的直径已定的导管中，
-具有一个有一圈半螺旋基本上是圆柱形螺旋管状的单测量管并在其相应的两端固定，
-具有一个内部的，只以其两端固定在测量管相应终端上直的支撑件，以及
-具有激励测量管成垂直于测量管中心线且平行于支撑件纵轴振动的装置。
尽管有上述缺点，由于某些理由具有螺旋形单测量管的质量流量传感器仍是有吸引力的，也就是说因为对于尺寸已定的流量计它允许测量管更长，因此达到高灵敏度，因为能进一步使它的测量管连续弯曲和扭曲加工，从而具有高精度(如直的和圆弧形测量管可能达到的那样)，以及因为至少有一个安装位置它是自排放的。
因此发明的目的是改进具有螺旋形测量管的质量流量传感器以使传感器基本上具有平衡的振动模式而与流体密度无关，同时至少在一个安装位置保持自排放能力。
因此该发明提供了一种以科里奥利原理工作的质量流量传感器，它被设计成能如用法兰安装在被测流体流经的预定直径的导管中，具有激励测量管振动段产生垂直于它中心线谐振的装置，并具有一个外部支撑管，其两端被固定在邻近相对应法兰处的测量管上，或固定到相应的法兰上，还具有两端固定在各自相应法兰上的单测量管，该测量管振动区段具有两圈半螺距固定的圆柱形螺旋管的形状，并且在第二振动模式被激励，还具有一个只能让其两端固定在邻近相对应法兰处的测量管上的内支撑件，和具有沿着测量管振动段均匀分布的连接件，此连接件使该振动段和支撑件相互连接，并且只允许测量管振动段的使该振动段的中心线尽可能地保持在所说振型的圆柱包络面静止位置上的所有的那些振动模式。
在本发明三维空间达到最佳平衡的一个优选的实施例中，测量管振动段有两圈半并以第二振动模式振动。这是两个固定端中间有振动节点的(第一)振动模式。
在另一优选的实施例中，连接部件沿着测量管振动段均匀分布。
在本发明另一优选实施例中，连接件是细杆，特别是细的金属杆。
在本发明的进一步优选的具体装置中，支撑件布置在由测量管振动段所形成的螺旋管内。
现通过参考附图更详细地阐述该发明。图1a和1b分别是根据本发明的质量流量传感器的一个实施例的机械部分的顶视剖面图和侧视剖面图。
图1a的顶视示意图和图1b的侧视示意图中所示出的质量流量传感器机械部分具有一个例如由不锈钢，钛或锆制成的单测量管13，测量管的振动区段13′具有至少一圈螺距固定的圆柱形螺旋管的形状且测量管两端分别固定在法兰11和12上，该质量流量传感器能通过，例如用法兰11，12，安装在被测流体流经的给定直径的导管中(为阐述方便未画出)。
在图1的实施例中，测量管13的振动区段13′有两圈半螺旋。可以用螺钉连接件替代法兰将质量流量传感器同导管相接。测量管13还在邻近相应法兰处被固定在外支撑管15上，或支撑管15可以同法兰11，12刚性连接。
用一个内支撑件14限定并支承测量管13的振动区段13′，该支撑件只以其两端固定在法兰11，12附近相对应的测量管13上。在所示的实施例中，支撑件14被放置在由测量管13的振动段13′所形成的螺旋管范围内，但也可以把它布置在这样的“螺旋管”外侧。
除了如上所述在支撑件端部固定外，不能将支撑件14固定在质量流量传感器其它任一零件上，特别是支撑管15上。
沿着测量管13的振动段13′按一定间隔放置的是连接件16，它使振动段与支撑件14相互连接。在所示实施例中，该连接件最好是细金属杆，此杆在纵向具有高的韧性，但允许测量管13的振动段13′横向移动。如果如上述把支撑件14放置在该“螺旋管”外侧，则该连接件可以是只经受张力的构件，如钢丝。
在图示实施例中，提供了相互按90°角位移的9根细金属杆作连接件161，162，163，164，165，166，167，168，169，这些连接件是沿着测量管13的振动段13′均匀分布并全部同内支撑件14连接。利用这些连接件16确保了测量管振动段13′只能发生或许可该区段的中心线尽可能地保持在波型的圆柱包络面静止位置上的振动模式。
工作时，用适当装置把测量管13的振动段13′激励成垂直于其中心线的谐振。正如图1a所看到的，这些装置包含2个电动驱动器17，18，每一个具有线圈和电枢，例如，最好把驱动器安装在距测量管振动段13′二端中点相等距离的二侧，图1a中距中点相隔180°。电动驱动器17，18各自的一个部件固定在测量管振动段13′上，而另一部件固定在内支撑件14上。
与驱动器相关联的电子线路是安装在机箱中，该机箱未画出。驱动电路可以是，例如，美国专利4801897所描述的类型，它根据测量管振动段13′当时的总质量来控制激励信号的频率。
图中所示实施例的测量管区段13′有两圈半螺旋(即n＝2.5)，用驱动器电路以第二振动模式激励该测量管区段，如上所述该振动模式在测量管区段13′二端间的中央有一节点。理论和实践能表明对于本发明优选的实施例实际上在空间三维上完全达到平衡。
此外，工作时，测量管区段13′的振动相位差是用沿着测量管振动段安装的装置测量，该装置至少在相隔一定距离的二个位置上安装。这些装置包括两个敏感元件19，20和计算电路，该电路也装于机箱中(未画出)。在驱动装置17，18中，每一个敏感元件19，20的一部分固定在测量管区段13′上，而另一部分固定在内支撑件14上。
图1b中，敏感元件19，20是对称布置的，每一个距前述测量管区段13′中央相隔270°。这些敏感元件可以是，例如，如前面提到的美国专利4801897中所阐述的光电传感器，或如图1b所示，可以是，例如，如EP-A83144所阐述的电磁传感器。
计算电路从上述相位差确定流体质量流速和/或从测量管区段13′的振动频率确定流体密度。如在“自动化技术实践(Automatisierungstechnische Praxis atp)”杂志，1988，No.5，第224至230页中叙述了上述光电传感器的计算电路。
可能已经很明显，本发明采用下述固定螺距螺旋管的特性：该螺旋管的每一个点是与包络螺旋管的圆柱体轴隔开相等距离。
在此情况下螺旋形的且固定在两个位置以及在固定位置之间有n圈的振动管有若干谐振方式，这些谐振方式中有许多是不适于质量流量传感器，因此是不希望的。如果正如含有连接件的本发明特征所确定和保证那样，也可以这么说，由于上述螺旋线是测量管振动段13′的中心线，只允许保持上述性质的那些振动模式，那么能大大制止这些不希望的谐振。

Claims (3)

1.  一种根据科里奥利原理工作的质量流量传感器-它被设计成能如用法兰(11，12)安装在被测流体流经的预定直径的导管中，具有激励测量管振动段(13′)产生垂直于它中心线谐振的装置，并具有一个外部支撑管(15)，其两端被固定在邻近相对应法兰处的测量管(13)上，或固定到相应的法兰上，还具有两端固定在各自相应法兰(11，12)上的单测量管，其特征在于，该测量管振动区段(13′)具有两圈半螺距固定的圆柱形螺旋管的形状，并且在第二振动模式被激励，并具有一个只能让其两端固定在邻近相对应法兰(11，12)处的测量管(13)上的内支撑件(14)，
和具有沿着测量管(13)振动段(13′)均匀分布的连接件(16)，此连接件使该振动段和支撑件(14)相互连接，并且只允许测量管振动段(13′)的使该振动段的中心线尽可能地保持在所说振型的圆柱包络面静止位置上的所有的那些振动模式。
2.  一种根据权利要求1的质量流量传感器，其特征在于所述的连接件(16)是细杆，最好是细的金属杆。
3.  一种根据权利要求1或2的质量流量传感器，其特征在于，所述的支撑件(14)布置在由测量管(13)的振动段(13′)形成的螺旋管内部。
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