CN107636443B

CN107636443B - 用于振动密度计的经改进卷轴本体

Info

Publication number: CN107636443B
Application number: CN201580080121.4A
Authority: CN
Inventors: M.凯西; A.W.潘克拉茨
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2035-05-18
Also published as: CN107636443A; JP6563524B2; US11555769B2; JP2018515780A; US20180120210A1; EP3311134A1; WO2016186639A1; EP3311134B1; HK1250060A1

Abstract

提供一种适于在振动密度计中使用的卷轴本体。所述卷轴本体包括芯和从所述芯向远侧延伸的多个脊。至少一个通道由所述多个脊限定，其中所述卷轴本体的悬臂模式位于所述振动密度计的振动管部分的预定自然频率范围外。

Description

用于振动密度计的经改进卷轴本体

技术领域

本发明涉及一种振动密度计，并且更具体地，涉及一种振动密度计的卷轴本体。

背景技术

密度计通常在本领域中已知并且可以用于测量流体的密度。流体可以包括液体、气体、具有悬浮颗粒和/或夹带气体的液体或者其组合。

振动密度计可以包括振动构件，诸如暴露至受测试流体的筒体。振动密度计的一个实例包括悬臂式安装的筒形导管，其中入口端联接到现有管道或其它结构，并且其中出口端自由振动。导管可以振动，并且可以测量共振频率。如在本领域中通常已知的，受测试流体的密度可以通过在存在流体的情况下测量导管的共振频率来确定。根据众所周知的原理，导管的共振频率将与接触导管的流体的密度成反比变化。

图1示出现有技术的密度计。现有技术的密度计包括至少部分定位在壳体内的筒形振动构件。该壳体或振动构件可以包括用于以不漏流体方式将密度计可操作地联接到管道或类似流体输送装置的凸缘或其它构件。在所示实例中，振动构件在入口端处悬臂安装到壳体。相对端自由振动。振动构件包括允许流体进入密度计并且在壳体与振动构件之间流动的多个流体孔口。因此，流体接触振动构件的内部和外部表面。这在受测试流体包括气体时特别有用，因为更大表面积暴露至气体。在其它实例中，孔口可以设置在壳体中，并且可能不需要振动构件孔口。

振动构件可以以自然（即，共振）频率或接近自然（即，共振）频率振动。如所述，通过在存在流体的情况下测量该构件的共振频率，可以确定流体的密度。

驱动器和振动传感器在筒体的内部或外部定位在卷轴本体上。驱动器接收来自仪表电子设备的驱动信号，并且以共振频率或接近共振频率使振动构件振动。振动传感器检测振动构件的振动并将振动信息发送到仪表电子设备以进行处理。仪表电子设备确定振动构件/测试流体的共振频率并根据测量到的共振频率产生密度测量结果。

为获得准确密度测量结果，共振频率必须非常稳定。令人遗憾的是，振动密度计通常响应于传感器在一定气体压力范围内操作而经历一系列v形下降。这示出在图2的曲线图中。具有筒体的卷轴本体具有可以在密度计的正常操作期间激发的悬臂模式，但是激发此悬臂模式的频率在不同卷轴本体之间不一致。气体密度筒体的关键设计标准是振动模式形状的分离，以使其可以容易且准确辨别。然而，应注意，卷轴本体悬臂模式可能不可预测地出现在1100-1700 Hz之间，其在典型振动密度计的预期测量范围的范围内，因此影响测量精度。假设频率变化是由于与卷轴本体周围的灌封（potting）材料的不一致性，因为灌封工艺不精确并且容易形成空隙。图3示出现有技术的卷轴本体中的灌封空隙。

因此，现有技术的振动密度计可以产生并入不可预测的卷轴本体悬臂模式的共振频率值，从而将误差引入到密度测量结果中。

因此，需要从振动构件的自然频率范围去除卷轴本体悬臂模式。需要展现增加或减小的自然频率、但是仍维持与密度计形状因数相容的小占用面积的卷轴本体。还需要较不容易形成灌封空隙的卷轴本体。本发明解决这些和其它需求，并且实现本领域中的进步。

发明内容

提供一种适于在振动密度计中使用的卷轴本体。该卷轴本体包括芯、从芯向远侧延伸的多个脊和由这多个脊限定的至少一个通道。

提供一种形成振动密度计的方法。该方法包括：提供具有预定自然频率范围的振动管部分；以及形成具有包括一频率范围的悬臂模式的卷轴本体，该频率范围在所述振动管部分的所述预定自然频率范围外。

方面

在本发明的一个方面中，用于在振动密度计中使用的振动构件包括适于在振动密度计中使用的卷轴本体。该卷轴本体包括芯和从芯向远侧延伸的多个脊，其中至少一个通道由这多个脊限定。

优选地，所述卷轴本体的悬臂模式位于在约770 Hz与4080 Hz之间的范围外。

优选地，所述卷轴本体的悬臂模式位于在约900 Hz与2000 Hz之间的范围外。

优选地，至少一个通道在其中包括填充材料。

优选地，所述卷轴本体材料包括灌封物。

优选地，灌封物包括纤维。

优选地，卷轴本体材料包括塑料。

优选地，卷轴本体材料包括聚苯硫醚。

优选地，驱动器被配置成相对于壳体使振动管部分振动，并且至少一个振动传感器被配置成检测振动管部分的振动。

优选地，振动管部分至少部分地被包括在振动密度计的振动构件内。

优选地，所述多个脊和所述至少一个通道周向布置在所述芯周围。

优选地，所述多个脊和所述至少一个通道径向布置在所述芯的纵向轴线周围。

在本发明的一个方面中，一种形成振动密度计的方法包括：提供具有预定自然频率范围的振动管部分；以及形成具有包括一频率范围的悬臂模式的卷轴本体，该频率范围在振动管部分的预定自然频率范围外。

优选地，形成所述卷轴本体的步骤包括：形成芯；形成从所述芯向远侧延伸的多个脊；以及形成由所述多个脊限定的至少一个通道。

优选地，所述预定自然频率范围在约770 Hz与4080 Hz之间。

优选地，所述预定自然频率范围在约900 Hz与2000 Hz之间。

优选地，形成所述卷轴本体的步骤包括将填充材料放置在所述至少一个通道中。

优选地，所述卷轴本体材料包括灌封物。

优选地，灌封物包括纤维。

优选地，卷轴本体材料包括塑料。

优选地，卷轴本体材料包括聚苯硫醚。

优选地，形成所述卷轴本体的步骤包括：将驱动器放置在所述卷轴本体上，其中所述驱动器被配置成振动所述振动管部分；以及将至少一个振动传感器放置在所述卷轴本体上，其中所述至少一个振动传感器被配置成检测所述振动管部分的振动。

优选地，形成振动密度计的方法包括将所述振动管部分至少部分放置在所述振动密度计的振动构件内的步骤。

附图说明

相同参考编号表示所有图上的相同元件。这些图未必按比例绘制。

图1示出现有技术的密度计；

图2示出现有技术的密度计的信号响应曲线，其展现至少部分由灌封不一致性导致的下降；

图3示出现有技术的卷轴本体中的灌封空隙；

图4示出其中尚未安装灌封物的根据一实施例的卷轴本体；

图5示出具有灌封物的根据一实施例的卷轴本体的横截面；

图6示出根据一实施例的示出悬臂模式的卷轴本体的模型；

图7示出根据一实施例的密度计的部分横截面；并且

图8示出根据一实施例的卷轴本体。

具体实施方式

图4-8以及以下描述绘示教导所属领域的技术人员如何制成和使用本发明的最佳模式的具体实例。出于教导本发明原理的目的，已经简化或省略一些常规方面。所属领域的技术人员将了解，这些实例的变型将落在本发明的范围内。所属领域的技术人员将了解，下文所述特征可以以各种方式组合以形成本发明的多个变型。因此，本发明并不限于下文描述的具体实例，而是仅由权利要求及其等效内容限定。

如上所述，用于密度计的振动构件根据其正测量的流体的密度改变其自然频率。在典型气体密度计的情况下（例如但不限于），振动构件的操作频率范围在大约900 Hz与2000 Hz之间。现有技术的卷轴本体展现在此范围内的悬臂模式（cantilever mode），因此在试图测量流体的密度时提供误差源。

图4和图5示出根据实施例的卷轴本体100。为清楚起见，图4示出为未安装灌封物。此卷轴本体100使悬臂模式远离振动构件的操作模式移位，并且因此提高该卷轴本体100可以安装在其中的密度计的精度。在一实施例中，悬臂模式移位到高于振动构件的操作范围的频率，以便不存在冲突模式。在另一实施例中，悬臂模式移位到低于振动构件的操作范围的频率，以便不存在冲突模式。卷轴本体100展现除悬臂模式以外的高于悬臂模式的其它模式，并且在一实施例中，悬臂模式移位到低于振动构件的操作范围的频率，其中卷轴本体的下一最高模式高于振动构件的操作范围。

作为一实例，众所周知，频率取决于物体的质量和刚度，如方程式(1)中所示：

(1)

其中：

f是频率；

k是刚度；并且

m是质量。

这仅是方程式的应用的实例，并且并不用于限制实施例，也可构思其它方程式。然而，由方程式(1)表示的关系指示为增加卷轴本体100的自然频率，必须降低其质量，其刚度必须增加或两者。所提供实施例通过使用较少灌封物102来减小卷轴本体100的质量。一实施例通过使用具有相对低密度的灌封物102来减小卷轴本体100的质量。应注意，本发明构思减小嵌入灌封物102中的部件的质量，然而，这些部件的质量与灌封物的质量相比相对较大，以使相对较小效果是可能的。因此，在一实施例中，增加卷轴本体100的刚度以便提高悬臂模式频率。在相关实施例中，减小卷轴本体100的刚度以便降低悬臂模式频率。应注意，调节卷轴本体100的质量可以调节其刚度，因此基于质量或质量分配变化的频率变化可以由刚度变化部分抵消。

用于定义卷轴本体100的悬臂模式的刚度(k)的方程式的实例由方程式(2)例示：

(2)

其中：

E是材料的弹性模量；

I是物体的贯性矩；并且

L是长度。

这仅是方程式的应用的实例，并且并不用于限制实施例，也可构思其他其它方程式。由于调节卷轴本体100的长度涉及振动构件的长度、卷轴本体100所在的空腔和任何驱动电路的配置，因此该变量变化是相对复杂的。然而，在一实施例中，卷轴本体100的长度被缩短或延长以实现所期望频率响应。

通过调节贯性矩，在实施例中，所有卷轴本体100模式可保持在传感器的操作频率范围外。因此，可以调节k/m比（例如参见方程式(1)）以将所有弯曲、径向和呼吸模式放置在传感器的操作范围外，如已经所述，该操作范围通常在约900至2000 Hz之间。在一实施例中，操作范围在约500与2500 Hz之间。这些仅是实例性频率范围，并且对于其它筒体材料或形状可以不同。

在实施例中调节弹性模量和/或贯性矩。贯性矩(I)对于圆形横截面已经在很大程度上是理想的，并且可以在方程式(3)中表示为：

(3)

其中：

r是卷轴本体的半径。

这仅是方程式的应用的实例，并且并不用于限制实施例，也可构思其它方程式。改变贯性矩涉及增加或减小灌封物102的半径。根据所进行的实验，确定贯性矩将必须增加大约112%，以便使悬臂模式移动足够高，以使其在正常操作范围外，这涉及灌封区段的半径增加到在一些实施例中不实际的程度，因为这可能干扰振动构件。然而，在一些实施例中，增加灌封区段的半径以便调节贯性矩。

在一实施例中，悬臂模式减小，这同时通过缩小卷轴本体100的横截面而导致贯性矩的减小。然而，由于只是缩小横截面导致质量减小，因此这抵消由改变贯性矩而导致的许多频率变化。在一实施例中，如图4和图5中所绘制，形成卷轴本体100以使多个脊104从芯106向远侧延伸，导致较低贯性矩，但是仍维持必需量的质量。具体来说，通过具有芯106的最薄横截面的特性，脊104的添加减小弯曲贯性矩，但是将材料维持在脊104中仍保持质量相对较高。多个脊104有效地限定一系列通道108。在一实施例中，灌封物102可以放置在通道108中，然而，这些通道中还可以不具有任何灌封物。单独基座101可能存在或者可能不存在。在一实施例中，通道108和脊104周向布置在卷轴本体100周围。在替代实施例中，如图8中所示，通道108和脊104径向布置在卷轴本体100的芯106的纵向轴线周围。

卷轴本体100的形状并不限于圆形横截面，如图示出。在实施例中还构思正方形、长方形、多边形、正方形、三角形、小叶形、狗骨形和其它横截面形状。

如上所述，在一实施例中还调节灌封物102的弹性模量。在一实施例中，通过使用具有相对较高弹性模量的灌封物102来提高卷轴本体100的弹性模量。在一实施例中，注入塑料代替灌封物102，因为塑料通常具有比典型灌封物高的模量。在一实施例中，通过用具有相对较高弹性模量的材料形成卷轴本体来提高卷轴本体100的弹性模量。通过使用注入模制，可使用通常不用作灌封材料的材料。在一实施例中，使用纤维增强塑料替代传统灌封物或卷轴本体100材料。在一实施例中，使用聚苯硫醚（例如Ryton®）替代传统灌封物。聚苯硫醚可以有利地用于高温应用中和腐蚀环境中。为增强由其构造卷轴本体100的材料，可以添加纤维以产生复合材料。所构思纤维是那些由（例如但不限于）玻璃、碳芳族聚酰胺、硼、氧化铝、碳化硅、石英、本领域中已知的其它纤维及其组合制成的纤维。

注入模制方法也不太可能产生通常在当前卷轴本体中发现的空隙（参见图3）。除了影响卷轴本体移动以外，空隙还可以使电子设备暴露至潜在腐蚀测量流体。空隙还在制造期间导致高成本沉降（缺陷）率，因此提高最终组件的平均成本，同时还限制生产。虽然聚苯硫醚可以代替灌封物，但是聚苯硫醚还可以用于卷轴本体100的构造。

图6示出根据一实施例的卷轴本体100的实例性有限元分析模型，具体地示出已经降低到约770 Hz的悬臂模式，其中下一模式在4080 Hz之前不出现。这些模式在大多数振动构件的操作范围外，并且因此并不干扰大多数密度测量结果。

图7示出根据一实施例的振动密度计200。所示实施例中的振动构件202包括基座204和固定到基座204的细长振动管部分206。振动构件202大致中空，并且包括入口端208和出口端210。基座204定位在振动构件202的入口端208处。入口端208可以联接到壳体212或振动密度计200的其它部件。进入或通过振动构件202的流体在入口端208处进入并且可以在出口端210处离开。将了解，在一实施例中，入口端208可以被配置成出口，而出口端210可以被配置成入口。

振动管部分206包括密度感测元件。在一些实施例中，振动管部分206可以包括薄金属管。在操作中，振动管部分206被激活，以使其以其自然（共振）频率振动。振动构件202（并且因此振动管部分206）被配置成在一个或多个振动模式中振动。在一实施例中，振动构件202（并且因此振动管部分206）被配置成在一个或多个径向振动模式中振动。流体（例如气体）可以通过振动管部分206的内表面213和/或外表面215中的至少一者，并且因此与振动管部分206的暴露侧接触。流体的质量与管一起振动，并且由于振动质量增加使振动构件的振动的自然频率减小，因此通过当振动构件202在存在流体的情况下振动时测量振动构件202的自然或共振振动频率来确定流体密度。

振动密度计200可以被配置成确定流体（例如气体、液体、具有夹带气体的液体、具有悬浮颗粒和/或气体的液体或者其组合）的密度。

根据一实施例，振动密度计200包括在壳体212内部的振动构件202。振动构件202可以永久或以可去除方式固定到壳体212。要量化的流体可以引入到壳体212中或者可以通过壳体212。在一些实施例中，振动构件202可以在壳体212内大致同轴。然而，振动构件202的横截面形状无需对应于壳体212。

当振动管部分206安装在振动密度计200中时，振动构件202的入口端208联接到壳体212，而出口端210自由振动。在所示实施例中，振动管部分206不直接联接到壳体212，而是基座204联接到壳体212，并且出口端210自由振动。因此，振动管部分206悬臂式安装到壳体212。

根据一实施例，振动密度计200还包括联接到卷轴本体100的驱动器214和至少一个振动传感器216。驱动器214可以适于在一个或多个振动模式中使振动构件202振动。虽然驱动器214示出为位于在定位在振动构件202内的卷轴本体100内，但是在一些实施例中，驱动器214可以（例如）定位在壳体212与振动构件202之间。此外，应了解，虽然驱动器214示出为更靠近于入口端208定位，但是驱动器214可以定位在任何所期望位置处。根据一实施例，驱动器214可以经由引线220接收来自仪表电子设备218的电信号。

在所示实施例中，至少一个振动传感器216与驱动器214同轴对准。在其它实施例中，至少一个振动传感器216可以在其它位置中联接到振动构件202。例如，至少一个振动传感器216可以定位在振动构件202的外表面上。此外，至少一个振动传感器216可以定位在振动构件202外部，而驱动器214定位在振动构件202内部，反之亦然。

至少一个振动传感器216可以经由引线220将信号传输到仪表电子设备218。仪表电子设备218可以处理由至少一个振动传感器216接收的信号，以确定振动构件202的共振频率。如果存在受测试流体，则振动构件202的共振频率将如本领域中已知与流体密度成反比地改变。例如，可以在初始校准期间确定成比例变化。在所示实施例中，至少一个振动传感器216还包括线圈。驱动器214接收电流以引发振动构件202中的振动，并且至少一个振动传感器216使用由驱动器214产生的振动构件202的运动来感应电压。线圈驱动器和传感器在本领域中众所周知，并且为描述简洁起见，省略其操作的进一步论述。此外，应了解，驱动器214和至少一个振动传感器216并不限于线圈，而是可以包括多种其它众所周知的振动部件，诸如（例如但不限于）压电驱动器/传感器、激光传感器等。因此，当前实施例绝不应限于线圈。此外，所属领域的技术人员将容易认识到，在保持在实施例的范围内的情况下可以改变驱动器214和至少一个振动传感器216的特定布置。

仪表电子设备218可以联接到总线222或其它通信链路。仪表电子设备218可以在总线222上传送密度测量结果。另外，仪表电子设备218可以在总线222上传递任何方式的其它信号、测量结果或数据。另外，仪表电子设备218可以经由总线222接收指令、编程、其它数据或命令。

在操作中，振动管部分206的壁被激发。在一实施例中，振动管部分206的壁由驱动器214或其它激发机构在径向方向上和在径向振动模式中被激发。振动管部分206的壁将然后在对应径向模式中、但是以细长振动管部分206和周围流动流体的共振频率进行振动。

所提供的卷轴本体100实施例允许振动管部分206和所产生振动模式与因卷轴本体100悬臂模式导致的频率下降分开至少预定频率差。因此，振动密度计200可以过滤或者以其它方式分离或区分由至少一个振动传感器216获得的振动模式以免与悬臂模式干扰。

在密度计200的构造期间，形成卷轴本体100。在一实施例中，卷轴本体100至少部分通过铸造形成。在一实施例中，卷轴本体100至少部分通过机加工形成。在一实施例中，卷轴本体100至少部分通过放电机加工形成。这些提供潜在构造技术的非限制性实例，并且并不用于限制其它构造技术的使用。卷轴本体100可以由金属、塑料、聚合物、复合材料及其组合构造而成。卷轴本体100无需由单一材料形成，并且可以包括由第一材料制成的部分和由至少第二材料制成的其它部分。在一些实施例中，灌封物102可以浇铸、注入或以其它方式引入到卷轴本体100的通道108中。

以上实施例的详细描述不是由发明人构思的在本说明书的范围内的所有实施例的详尽描述。实际上，所属领域的技术人员将认识到，上述实施例的某些元件可以被不同地组合或消除以产生其它实施例，并且此类其它实施例落在本说明书的范围和教导内。所属领域的技术人员还显而易见，上述实施例可以全部或部分组合以在本说明书的范围和教导内形成额外实施例。

因此，虽然本文中出于示例性目的描述了具体实施例，但是如相关领域的技术人员将认识到，各种等效修改在本说明书的范围内是可能的。本文中提供的教导可以应用于其它振动构件，而不仅应用于上文描述并且在附图中示出的实施例。因此，上述实施例的范围应根据以下权利要求确定。

Claims

1.一种振动密度计(200)，包括：

振动管部分(206)；

壳体(212)；和

卷轴本体(100)，所述卷轴本体包括：

芯(106)；

从所述芯(106)向远侧延伸的多个脊(104)，所述多个脊与所述芯成一体使得所述脊和所述芯能作为一个单元振动；

由所述多个脊(104)限定并位于多个脊(104)之间的至少一个通道(108)；以及

其中所述至少一个通道(108)在其中包括灌封物以便调节所述卷轴本体的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述卷轴本体的悬臂模式位于在770Hz与4080 Hz之间的范围外。

3.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述卷轴本体的悬臂模式位于在900Hz与2000 Hz之间的范围外。

4.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述灌封物(102)包括纤维。

5.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述灌封物包括塑料。

6.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述灌封物包括聚苯硫醚。

7.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述卷轴本体还包括：

驱动器(214)，其被配置成相对于所述壳体(212)振动所述振动管部分(206)；以及

至少一个振动传感器(216)，其被配置成检测所述振动管部分(206)的振动。

8.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述振动管部分(206)至少部分地被包括在振动密度计(200)的振动构件(202)内。

9.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述多个脊(104)和所述至少一个通道(108)周向布置在所述芯(106)周围。

10.根据权利要求1所述的振动密度计(200)，其中，所述多个脊(104)和所述至少一个通道(108)径向布置在所述芯(106)的纵向轴线周围。

11.一种形成振动密度计的方法，其中，所述方法包括：

提供具有预定自然频率范围的振动管部分；

形成具有包括一频率范围的悬臂模式的卷轴本体，该卷轴本体的悬臂模式的频率范围在所述振动管部分的所述预定自然频率范围外；

形成芯；

形成从所述芯向远侧延伸的多个脊，所述多个脊与所述芯成一体使得所述脊和所述芯能作为一个单元振动；

形成由所述多个脊限定并位于多个脊之间的至少一个通道；以及

将灌封物放置在所述至少一个通道中以便调节所述卷轴本体的弹性模量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预定自然频率范围在770 Hz与4080 Hz之间。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预定自然频率范围在900 Hz与2000 Hz之间。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述灌封物包括纤维。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述灌封物包括塑料。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述灌封物包括聚苯硫醚。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述卷轴本体的步骤包括：

将驱动器放置在所述卷轴本体上，其中所述驱动器被配置成振动所述振动管部分；以及

将至少一个振动传感器放置在所述卷轴本体上，其中所述至少一个振动传感器被配置成检测所述振动管部分的振动。

18.根据权利要求11所述的方法，其包括将所述振动管部分至少部分地放置在所述振动密度计的振动构件内的步骤。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个脊和所述至少一个通道周向布置在所述芯周围。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个脊和所述至少一个通道径向布置在所述芯的纵向轴线周围。