CN107209039B - 具有四个弯曲测量管的科里奥利质量流量测量装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种科里奥利质量流量测量装置(100)，包括四个弯曲测量管(110a、110b、110、110dd)、两个致动器装置(140a、140c)以及两个传感器装置(142a‑1、142a‑2、142c‑1、142c‑2)，其中，所有四个测量管(110a、110b、110c、110d)通过集中器(120)在入口端和出口端两者处流体接合，其中，所述测量管成对地通过节点板(132a、132c、134a、134c)在入口端和出口端连接以形成振荡器，其中，所述致动器装置(140a、140c)适合于在振荡器的所述两个测量管之间激发弯曲振荡期望模式，其中，所述第一振荡器和所述第二振荡器具有带有第一和第二期望模式本征频率(f11、f12)的弯曲振荡期望模式，其中，所述两个振荡器的所述期望模式本征频率的差的大小(|f11‑f12|)达到所述两个期望模式本征频率中的较小一个的至少0.1倍，例如，至少0.2倍并且尤其是至少0.4倍，其中，所述传感器装置适合于记录所述振荡器的振荡。

Description

具有四个弯曲测量管的科里奥利质量流量测量装置
背景技术
本发明涉及一种具有在静止位置中弯曲的两个测量管对的科里奥利(Coriolis)质量流量测量装置(在下文中，CMD)。这种CMD是从德国公开说明书DE 10 2009 055 069A1、DE 10 2010 039 627 A1、WO 2012/089431 A1和DE 10 2011 010 178 A1已知的。在这些德国公开说明书中，CMD的测量管被激发以机械方式耦合。这在构造上是非常复杂的，并且可在测量管中导致大的机械应力，尤其是热机械应力。因此，本发明的一个目的是对此情形进行补救。
发明内容
根据本发明，通过独立专利权利要求1中所定义的CMD来实现目的。
本发明的科里奥利质量流量测量装置(在下文中，CMD)包括：四个测量管；至少第一致动器装置和第二致动器装置；以及至少第一传感器装置和第二传感器装置，其中，所有四个测量管通过集中器(3)而入口端和出口端地接合，
其中，第一测量管和第二测量管在每种情况下通过至少一个刚性节点板彼此入口端和出口端连接，至少一个刚性节点板被布置为与相应的集中器间隔开，以便形成第一振荡器，其中，第一致动器装置适合于在第一振荡器的两个测量管之间激发弯曲振荡期望模式，
其中，第三测量管和第四测量管在每种情况下通过至少一个刚性节点板彼此入口端和出口端连接，至少一个刚性节点板被布置为与相应的集中器间隔开，以便形成第二振荡器，其中，第二致动器装置适合于在第二振荡器的两个测量管之间激发弯曲振荡期望模式，
其中，第一振荡器和第二振荡器具有带有相应的第一和第二期望模式本征频率(f11、f12)的相应的弯曲振荡期望模式，
其中，两个振荡器的期望模式本征频率的差的大小(|f11-f12|)达到两个期望模式本征频率中的较小一个的至少0.1倍，例如，至少0.2倍，并且尤其是至少0.4倍，
其中，第一传感器装置适合于记录第一振荡器的振荡，并且
其中，第二传感器装置适合于记录第二振荡器的振荡。
在本发明的进一步开发中，第一振荡器的测量管相对于第一镜平面对称地延伸，其中，第二振荡器的测量管类似地相对于第一镜平面对称地延伸，该第一镜平面在第一振荡器的测量管之间并且在第二振荡器的测量管之间延伸。
在本发明的进一步开发中，第一振荡器的测量管相对于第二镜平面对称地延伸，该第二镜平面垂直于第一镜平面延伸并且与第一振荡器的测量管相交，其中，第二振荡器的测量管类似地相对于第二镜平面对称地延伸，并且和第二镜平面相交。
在本发明的进一步开发中，CMD还包括用于驱动致动器装置以及用于记录传感器装置的信号的操作电路，其中，操作电路适合于驱动致动器装置，使得第一和第二振荡器的弯曲振荡期望模式在相应的期望模式本征频率下被彼此独立地激发。
在本发明的进一步开发中，操作电路适合于驱动致动器装置，使得第一和第二振荡器的弯曲振荡期望模式被同时激发。
在本发明的进一步开发中，第一和第二振荡器适合于使得当质量流量通过测量管时，弯曲振荡期望模式被由科里奥利力所导致的偏转(在下文中被称为“科里奥利偏转”)叠加，其中，第一传感器装置和第二传感器装置各自具有至少两个传感器元件，以便记录相应的科里奥利偏转与所关联的弯曲振荡期望模式之间的相位偏移。
在本发明的进一步开发中，操作电路适合于作为相应的科里奥利偏转的相位偏移的函数，确定通过第一振荡器的测量管的第一质量流量(dm/dt_1)和通过第二振荡器的测量管的第二质量流量(dm/dt_2)，以及输出第一质量流量(dm/dt_1)和第二质量流量(dm/dt_2)的和作为总质量流量(dm/dt，其中dm/dt＝dm/dt_1+dm/dt_2)。
在本发明的进一步开发中，CMD包括弯曲测量管，其中，测量管在每种情况下具有管中心轴线，其中，振荡器的测量管的管中心轴线与测量管的端面的入口端和出口端交点在每种情况下限定振荡器的基平面，其中，振荡器的测量管在每种情况下具有长度(1)，其中，参考第一振荡器的基平面，第一振荡器的测量管的管中心轴线在一半管长度(1/2)处背离第二振荡器的基平面，并且其中，参考第二振荡器的基平面，第二振荡器的测量管的管中心轴线在一半管长度(1/2)处面向第一振荡器的测量管。
在本发明的实施例中，第二振荡器的期望模式本征频率大于第一振荡器的期望模式本征频率。
在本发明的进一步开发中，测量管是弯曲的，其中，测量管在每种情况下具有管中心轴线，其中，振荡器的测量管的管中心轴线与测量管的端面的入口端和出口端交点在每种情况下限定振荡器的基平面，其中，振荡器的测量管在每种情况下具有长度，其中，参考第一振荡器的基平面，第一振荡器的测量管的管中心轴线在一半管长度处背离第二振荡器的基平面，并且其中，参考第二振荡器的基平面，第二振荡器的测量管的管中心轴线在一半管长度处背离第一振荡器的基平面。
在本发明的进一步开发中，入口端和出口端集中器以下述方式稳定地实现：其满足节点板的功能性。
在进一步开发中，CMD包括支承管，该支承管将入口端集中器和出口端集中器彼此刚性地连接。
在本发明的进一步开发中，第一测量管和第三测量管位于共享的第一平面中，并且第二测量管和第四测量管位于共享的第二平面中，其中，第一平面和第二平面彼此平行地延伸。
共享的第一平面和共享的第二平面尤其是测量管的测量管轴线在其中延伸的平面。
共享的第一平面和共享的第二平面尤其平行于上面限定的第一镜平面延伸。
为了实现不同的期望模式本征频率，根据本发明的进一步开发的振荡器在以下特性中的至少一个方面不同：
· 测量管的壁厚度
· 测量管的可振荡长度
· 测量管的内径
· 测量管的外径
· 管材料
· 节点板的形状
· 节点板的位置
· 测量管上的补充质量，
其中，当前的可振荡长度和/或节点板的位置和/或节点板的形状作为不同的特性是优选的。
附图说明
现在将基于附图中所图示的实施例的示例更详细地说明本发明，附图示出如下：
图1a是本发明的CMD的实施例的第一示例的示意前视图；
图1b是在没有支承管的情况下本发明的CMD的实施例的第一示例的示意侧视图；
图1c是在没有支承管的情况下本发明的CMD的实施例的第一示例的立体图；
图1d是安装有支承管的本发明的CMD的实施例的第一示例的立体图；
图2是用于描述本发明的CMD的一些特性的坐标系统；
图3a是安装有支承管的本发明的CMD的实施例的第二示例的示意侧视图；以及
图3b是安装有支承管的本发明的CMD的实施例的第二示例的立体图；
具体实施方式
图1a至图1d中所示的本发明的CMD 100的实施例的第一示例包括四个弯曲测量管110a、110b、110c、110d。测量管110a、110b、110c、110d在入口端集中器120与出口端集中器120之间延伸，并且例如通过轧辊膨胀、硬钎焊或焊接与其牢固地连接。在集中器120之间延伸的是刚性支承管124，其与两个集中器牢固地连接，由此集中器120彼此刚性地耦合。支承管124在其上侧具有开口，测量管110a、110b、110c、110d通过该开口从集中器120延伸出支承管124。
集中器120在每种情况下在末端具有法兰122，借助于该法兰122可将CMD安装到管道中。质量流量被引导通过CMD 100的法兰122中的中心开口123，尤其是通过其测量管110a、110b、110c、110d，以便测量该质量流量。
第一测量管110a和第二测量管110b在每种情况下与两个节点板132a、134a入口端和出口端连接，其中通过两个节点板中的最内节点板132a的位置，因此通过其入口端或出口端在每种情况下离所对应的集中器120最远的那些位置，建立由第一测量管110a和第二测量管110b形成的第一振荡器的振荡长度。此自由振荡长度对用其激发第一振荡器的第一振荡器的所谓的弯曲振荡期望模式——尤其是对其本征频率有很大影响。
第三测量管110c和第四测量管110d在每种情况下入口端和出口端与两个节点板132c、134c连接，其中通过两个节点板中的最内节点板132c的位置，因此通过其入口端或出口端在每种情况下离所对应的集中器120最远的那些位置，建立由第三测量管110c和第四测量管110d形成的第二振荡器的振荡长度。此自由振荡长度对用其激发第二振荡器的第二振荡器的所谓的弯曲振荡期望模式——尤其是对其本征频率有很大影响。
被布置在相应的内节点板132a、132c与集中器120之间的所有外节点板134a、134c尤其用来限定其它振荡节点，一方面以便减少振荡测量管上的最大机械应力，并且另一方面，以便使到安装有CMD的管道中的振荡能量的输出耦合最小化，分别以使干扰来自管道的振荡的输入耦合最小化。
节点板132a、132c、134a、134c限定用于测量管的振荡节点。在最内耦合器，即节点板132a、132c之间，测量管110a、110b可自由地振荡，使得最内耦合器，即节点板的位置基本上确定由测量管110a、110b形成的振荡器的振荡特性，尤其是确定振荡器的振荡模式的本征频率。
第一振荡器的测量管110a、110b的自由振荡长度显著地大于第二振荡器的测量管110c、110d的自由振荡长度，其中第一振荡器的测量管110a、110b到达比第二振荡器的测量管110c、110d高的弧度。这导致如下事实：例如，在具有带有3英寸，即大约76mm的外径和3.6mm的壁厚度的测量管的所图示的CMD，并且假定测量管充满具有水的密度的介质的情况下，第一振荡器有具有大约110Hz的本征频率的弯曲振荡期望模式，然而第二振荡器的弯曲振荡期望模式的本征频率大约为160Hz。
在更详细地说明本发明的CMD 100的操作之前，将基于图2说明本发明的CMD的一些对称特性。图2中所示的是第一测量管的测量管中心轴线112a和第二测量管的测量管中心轴线112b，其形成第一振荡器。测量管中心轴线112a、112b相对于第一镜平面Syz对称地延伸，该第一镜平面Syz在测量管之间延伸。测量管中心轴线进一步相对于第二镜平面Sxy对称地延伸，该第二镜平面Sxy垂直于第一镜平面Syz延伸。
测量管轴线112a、112b优选地在平行于第一镜平面延伸的平面中延伸。
关于第三平面Szx，不存在测量管的对称，其中该第三平面Szx垂直于第一镜平面且垂直于第二镜平面延伸，并且在该第三平面Szx中，测量管轴线112a、112b行进到集中器中。
这些说明对应地适用第三和第四测量管的测量管轴线。
优选地，第一测量管的轴线和第三测量管的轴线在第一平面中延伸并且第二和第四测量管的测量管轴线在第二平面中延伸，并且这两个平面均与第一镜平面平行。
第一镜平面Syz与第三平面之间的交线限定CMD的坐标系统的Z轴线。第二镜平面Sxy与第三平面Szx之间的交线限定坐标系统的X轴线，并且第一镜平面Syz与第二镜平面之间的交线限定坐标系统的Y轴线。利用以这种方式限定的坐标，我们返回到图1a至图1d。
为了在X方向上激发测量管的弯曲振荡，参考纵向方向，即Z轴线，在CMD 100的中间，设置了位于第一振荡器的第一测量管110a和第二测量管110b之间的第一激发器机构140a以及位于第二振荡器的第三测量管110c和第四测量管110d之间的第二激发器机构140c。所述激发器机构例如是感应激发器机构，其包括例如一个测量管上的柱塞线圈和相对放置的测量管上的柱塞电枢。为了记录振荡器的测量管对的振荡，在每种情况下，在纵向方向上相对于激发器机构140a、140c对称地设置的是第一传感器装置142a-1、142c-1和第二传感器装置142a-2、142c-2，其在每种情况下被实现为在一个管上具有柱塞线圈且在另一管上具有柱塞电枢的感应装置。在这方面的细节是本领域的技术人员已知的，并且在这里不需要进一步说明。(为了简明，仅在图1b中示出激发器机构和传感器装置的位置和附图标记)。
振荡器用它们的特定本征频率激发，为此，其中，激发器机构可由独立的驱动器电路用相应的本征频率的信号来驱动，或者其中，激发器机构可串联连接并且被供应有具有两个振荡器的本征频率的叠加信号。由于振荡器的高品质，每个振荡器基本上仅被其自身的本征频率激发。
图3a和图3b示出的本发明的CMD 200的实施例的第二示例，其具有四个弯曲测量管210a、210b、210c、210d。测量管210a、210b、210c、210d在入口端集中器220与出口端集中器220之间延伸并且例如通过轧辊膨胀、硬钎焊或焊接与这些牢固地连接。在集中器220之间延伸的是刚性支承管224，该刚性支承管224与两个集中器牢固地连接，由此集中器220彼此刚性地耦合。支承管224在其上侧和下侧具有开口，测量管210a、210b、210c、210d通过该开口成对地从集中器220延伸出支承管224。
集中器220在每种情况下在末端具有法兰222，借助于该法兰222可将CMD安装到管道中。质量流量被引导通过CMD 200的法兰222中的中心开口223并且通过测量管210a、210b、210c、210d，以便测量该质量流量。
CMD 200的实施例的第二示例与实施例的第一示例的不同之处基本上在于：测量管在不同方向上成对地从支承管中行进出并返回。
第一测量管210a和第二测量管210b在每种情况下与两个节点板232a、234a入口端和出口端连接，其中连接到两个节点板中的最内节点板232a的位置，因此通过其入口端、相应地出口端在每种情况下离对应的集中器220最远的那些位置，建立由第一测量管210a和第二测量管210b形成的第一振荡器的振荡长度。此自由振荡长度对用其激发第一振荡器的第一振荡器的所谓的弯曲振荡期望模式——尤其是对其本征频率有很大影响。
第三测量管210c和第四测量管210d在每种情况下入口端和出口端与两个节点板232c、234c连接，其中连接到两个节点板中的最内节点板232c的位置，因此通过其入口端、相应地出口端在每种情况下离所对应的集中器220最远的那些位置，建立由第三测量管210c和第四测量管210d形成的第二振荡器的振荡长度。此自由振荡长度对用其激发第二振荡器的第二振荡器的所谓的弯曲振荡期望模式——尤其是对其本征频率有很大影响。
被布置在内节点板232a、232c与集中器220之间的所有外节点板234a、234c尤其用来限定其它振荡节点，一方面以便减少振荡测量管上的最大机械应力，并且另一方面，以便使在安装有CMD的管道中的振荡能量的输出耦合最小化，分别以使干扰来自管道的振荡的输入耦合最小化。
节点板232a、232c、234a、234c限定用于测量管的振荡节点。在最内耦合器，分别为节点板232a、132c之间，测量管210a、210b可自由地振荡，使得最内耦合器，即节点板的位置基本上确定由测量管210a、210b形成的振荡器的振荡特性——尤其是确定振荡器的振荡模式的本征频率。
第一振荡器的测量管210a、210b的自由振荡长度显著地大于第二振荡器的测量管210c、210d的自由振荡长度，其中第一振荡器的测量管210a、210b到达比第二振荡器的测量管210c、210d高的弧度。这导致如下事实：例如，在具有带有3英寸因此大约76mm的外径和3.6mm的壁厚度的测量管所图示的CMD，以及假定测量管充满具有水的密度的介质的情况下，第一振荡器有具有大约110Hz的本征频率的弯曲振荡期望模式，而第二振荡器的弯曲振荡期望模式的本征频率大约为160Hz。
为了在X方向上激发测量管的弯曲振荡，参考纵向方向，即Z轴线，在CMD 200的中间，设置了介于第一振荡器的第一测量管210a和第二测量管210b之间的第一激发器机构240a，以及介于第二振荡器的第三测量管210c和第四测量管210d之间的第二激发器机构240c。所述激发器机构例如是感应激发器机构，其包括例如一个测量管上的柱塞线圈和相对地放置的测量管上的柱塞电枢。为了记录振荡器的测量管对的振荡，在每种情况下，在纵向方向上相对于激发器机构240a、240c对称地设置的是第一传感器装置242a-1、242c-1和第二传感器装置242a-2、242c-2，所述传感器装置在每种情况下被具体实现为在一个管上具有柱塞线圈且在另一管上具有柱塞电枢的感应装置。在这方面的细节是本领域的技术人员已知的，并且在这里不需要进一步说明。(为了简明，仅在图2a中示出激发器机构和传感器装置的位置和附图标记)。
振荡器用它们的特定本征频率激发，为此，其中，激发器机构可由独立的驱动器电路用相应的本征频率的信号来驱动，或者其中，激发器机构可串联连接并且被供应有具有两个振荡器的本征频率的叠加信号。由于振荡器的高品质，每个振荡器基本上仅被其自身的本征频率激发。
与上面讨论的具有机械耦合的激发的现有技术的CMD相比，本发明的CMD的振荡器的机械独立的激发使得能够显著地降低作用于振荡器的部件，尤其是测量管上的热机械和振荡机械应力。在此之后，本发明的CMD的加强部件不必供应同样多的反作用力来抑制由于公差引起的不对称性，所以这些加强部件可以被实现为更轻并且节约材料。
两个振荡器之间的标记频率分离使相互干扰影响最小化。
此外，不需要振荡器之间的对称——尤其是不需要对称流阻，减少了高频振荡器的测量管中的流阻。这与具有四个测量管的对称CMD相比，减少了CMD的总流阻。

Claims (11)

1.一种科里奥利质量流量测量装置(100)，所述科里奥利质量流量测量装置(100)包括：四个测量管(110a、110b、110、110dd)、至少第一致动器装置和第二致动器装置、至少第一传感器装置和第二传感器装置，其中，所有四个测量管(110a、110b、110c、110d)通过集中器(120)而在入口端和出口端接合，
其中，第一测量管和第二测量管在每种情况下通过至少一个刚性节点板彼此入口端和出口端连接，所述至少一个刚性节点板被布置为与相应的所述集中器间隔开，以便形成第一振荡器，
其中，所述第一致动器装置适合于在所述第一振荡器的两个测量管之间激发弯曲振荡期望模式，
其中，第三测量管和第四测量管在每种情况下通过至少一个刚性节点板彼此入口端和出口端连接，所述至少一个刚性节点板被布置为与相应的所述集中器间隔开，以便形成第二振荡器，
其中，所述第二致动器装置适合于在所述第二振荡器的两个测量管之间激发弯曲振荡期望模式，
其中，所述第一振荡器具有带有第一期望模式本征频率f11的弯曲振荡期望模式，
其中，所述第二振荡器具有带有第二期望模式本征频率f12的弯曲振荡期望模式，
其中，所述第一传感器装置适合于记录所述第一振荡器的振荡，并且
其中，所述第二传感器装置适合于记录所述第二振荡器的振荡，
其中，所述科里奥利质量流量测量装置(100)进一步包括用于驱动所述致动器装置以及用于记录所述传感器装置的信号的操作电路，
其中，所述操作电路适合于驱动所述致动器装置，使得所述第一振荡器和所述第二振荡器的弯曲振荡期望模式在相应的期望模式本征频率下被彼此机械地独立地激发，
其中，由于所述振荡器的高品质因子，每个振荡器实际上仅被其自身的期望模式本征频率激发，
其中，所述第二振荡器的期望模式本征频率大于所述第一振荡器的期望模式本征频率，
其中，所述两个振荡器的期望模式本征频率的差的大小|f11-f12|达到所述第一振荡器的期望模式本征频率的至少0.1倍，
其中，所述测量管在每种情况下具有管中心轴线，其中，振荡器的所述测量管的所述管中心轴线与所述测量管的端面的入口端和出口端交点在每种情况下限定所述振荡器的基平面，其中，振荡器的所述测量管在每种情况下具有长度(l)，其中，参考所述第一振荡器的所述基平面，所述第一振荡器的所述测量管的所述管中心轴线在一半管长度(l/2)处背离所述第二振荡器的所述基平面，并且其中，参考所述第二振荡器的所述基平面，所述第二振荡器的所述测量管的所述管中心轴线在一半管长度(l/2)处面向所述第一振荡器的所述测量管，
其中，因为不需要振荡器之间的对称流阻，减少了高频振荡器的测量管中的流阻。
2.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述操作电路适合于驱动所述致动器装置，使得所述第一振荡器和所述第二振荡器的弯曲振荡期望模式被同时激发。
3.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述第一振荡器和所述第二振荡器适合于使得当质量流量通过所述测量管时，所述弯曲振荡期望模式被科里奥利偏转叠加，所述科里奥利偏转是由科里奥利力所导致的偏转，其中，所述第一传感器装置和所述第二传感器装置各自具有至少两个传感器元件，以便记录相应的科里奥利偏转与所关联的弯曲振荡期望模式之间的相位偏移。
4.根据权利要求3所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述操作电路适合于作为相应的科里奥利偏转的所述相位偏移的函数，确定通过所述第一振荡器的测量管的第一质量流量(dm/dt_1)和通过所述第二振荡器的测量管的第二质量流量(dm/dt_2)，以及作为总质量流量(dm/dt)输出所述第一质量流量(dm/dt_1)和所述第二质量流量(dm/dt_2)的和(dm/dt＝dm/dt_1+dm/dt_2)。
5.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其特征在于，入口端和出口端集中器(3)以满足节点板的功能性的方式被稳定地实现。
6.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，进一步包括支承管，所述支承管将入口端集中器和出口端集中器彼此刚性地连接。
7.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述第一测量管(110a)和所述第三测量管(110c)位于共享的第一平面中，并且所述第二测量管(110b)和所述第四测量管(110d)位于共享的第二平面中，其中，所述第一平面和所述第二平面彼此平行地延伸。
8.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述第一振荡器与所述第二振荡器的不同之处在于以下特征中的至少一个：
·所述测量管的可振荡长度
·所述节点板的位置
·所述节点板的形状。
9.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述两个振荡器的期望模式本征频率的差的大小|f11-f12|达到所述第一振荡器的期望模式本征频率的至少0.2倍。
10.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述两个振荡器的期望模式本征频率的差的大小|f11-f12|达到所述第一振荡器的期望模式本征频率的至少0.4倍。
11.根据权利要求1所述的科里奥利质量流量测量装置(100)，其中，所述四个测量管是弯曲测量管。
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