CN109154519B - 振动型测量换能器 - Google Patents

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Abstract

一种振动型测量换能器(100)，包括：支撑主体(120)；由所述支撑主体(120)保持的弯曲可振荡测量管(110)；用于激励所述测量管(110)的弯曲振荡的激励器导体环中的电动力激励器(140)；用于记录所述测量管(110)的振荡的至少一个传感器(142)；以及操作电路；其中：所述测量管(1)具有第一和第二弯曲振荡模式，其关于测量管横向平面镜像对称，并且具有第一和第二取决于介质密度的本征频率f1、f3，f3>f1；所述测量管(110)具有顶点割线，当所述测量管(110)处于所述第二镜像对称弯曲振荡模式时，所述顶点割线具有振荡节点；所述操作电路适于利用信号驱动激励器导体环，以激励所述第二镜像对称弯曲振荡模式，所述激励器导体环具有欧姆电阻RΩ，以及取决于所述激励器位置的取决于模式的互感应电抗Rg3；其中所述激励器被定位成使得无量纲功率因子
Figure DDA0001868395900000011
具有不小于0.2的值。

Description

振动型测量换能器
技术领域
本发明涉及一种尤其是用于测量介质的质量流量和/或密度的振动型测量换能器。这种测量变换器通常包括至少一个可振荡的测量管，尤其是至少一对可振荡的测量管。
背景技术
通常，激发所谓的f1模式的振荡，其本征频率取决于密度，因此能够确定密度。叠加在f1模式的振荡上的是科里奥利(Coriolis)模式的取决于流的振荡——即所谓的f2模式，其量化使得能够确定质量流量。为了激励振荡，测量换能器通常具有电动力激励器，其在测量管上施加周期性的横向力。特别是在具有在静止位置弯曲的测量管的测量换能器的情况下，电动力激励器通常在其内侧被布置在测量管曲线顶点附近。
在尚未公开的专利申请DE 10 2015 122 661和DE 10 2015 112 737中提到，在除了f1模式的本征频率之外也考虑f3模式的本征频率时，密度测量和流量测量的精度能够显著提高。这尤其涉及气体或多相可压缩介质，例如尤其是微泡形式的具有气体负载的介质的测量。因而，不仅激励f1模式而且也激励f3模式可以是有益的。
与本发明有关的研究表明，f3模式在其内侧在测量管曲线的顶点附近具有节点平面，这使得难以有效激励f3模式。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供一种使得能够有效地激励f3模式的振动型测量换能器。
本发明的目标通过本申请的测量换能器实现。
本发明的振动型测量换能器包括：支撑主体；用于引导流体并且具有进口侧端部分和出口侧端部分的至少一个弯曲测量管，其中测量管在进口侧端部分处和出口侧端部分处由支撑主体保持，其中测量管具有可自由振荡部分；操作电路；用于激励测量管的弯曲振荡的激励器导体环中的电动力激励器；其中测量管纵向平面被定义为下述平面，其中在测量管的静止位置的测量管中心线与该平面之间的距离的平方沿可振荡部分的测量管中心线的积分具有最小值，其中定义测量管横向平面，测量管关于该测量管横向平面镜像对称，其中测量管横向平面垂直于测量管纵向平面延伸；其中测量管具有第一弯曲振荡模式，其与测量管横向平面镜像对称并且具有第一本征频率f1，第一本征频率f1取决于被引导穿过测量管的介质的密度，其中测量管具有第二弯曲振荡模式，其与测量管横向平面镜像对称并且具有第二本征频率f3，第二本征频率f3取决于被引导穿过测量管的介质的密度，其中第二本征频率大于第一本征频率f1，其中测量管具有顶点割线，其与测量管壁的外表面的点相交，该点在测量管的静止位置中位于测量管纵向平面和测量管横向平面之间的交叉线上，其中当测量管以第二镜像对称弯曲振荡模式振荡时，顶点割线具有振荡节点，其中激励器导体环具有欧姆电阻RΩ，其中操作电路适于利用信号驱动激励器导体环，以激励第二镜像对称弯曲振荡模式，以及，取决于振荡模式，具有取决于激励器位置的互感应电抗Rg3；其中激励器被定位成使得当测量管被水填充，并且被电动力激励器以第二镜像对称弯曲振荡模式的本征频率激励从而以300K执行弯曲振荡时，无量纲功率因子
Figure GDA0002448406060000021
具有不小于0.2，尤其是不小于0.5，并且尤其优选地不小于0.8的值。
关于互感应电抗的两个因素导致上述条件。一方面，电动力激励器的线圈与其磁体之间的相对速度产生互感电压，互感电压是用于激励弯曲振荡模式的量度。另一方面，这种互感电压与激励导体环中的激励电压相反，从而限制了激励电流。当互感电抗等于欧姆电阻时，这两个因素进入上述功率因子，其假设值在0和1之间，并且是最大值。
由于电动力激励器的线圈与其磁体之间的相对速度与激励器位置处的第i个弯曲振动模式的模式特定振荡幅度Xi成比例，因此能够经由定位激励器来控制互感电抗。在给定的情况下，尤其是在更高模式，例如f3模式的情况下，应避免选择最大振幅位置作为测量管的激励器位置，其中能够发生过大的速度，互感电抗显著超过激励器导体环的欧姆电阻。在这种情况下，不再能够有效地激励期望模式。因此，本发明提出考虑用于定位电动力激励器的较高模式的激励的有效性。
上述以300K的水填充测量管的测试条件对本发明的测量换能器的应用领域没有限制，特别是对于温度使用范围或介质没有限制。然而，由于互感电抗取决于所考虑的振荡模式下的测量管的质量和本征频率，介质特性进入所述振荡模式，因此有助于清楚地定义测试条件。
在本发明的进一步发展中，第二镜像对称弯曲振动模式下的水割线的振荡节点定义了节点平面，该节点平面垂直于测量管横向平面并垂直于测量管纵向平面延伸，其中在测量管以第一镜像对称弯曲振荡模式振荡时，顶点割线在节点平面中不具有振荡节点。
在进一步发展中，测量管在测量管横向平面中具有外径do，其中节点平面与测量管中心线和测量管横向平面之间的交叉点间隔不超过三个外径，尤其是不超过两个外径。
在本发明的进一步发展中，顶点平面在节点平面和激励器之间延伸，该顶点平面垂直于测量管横向平面并垂直于测量管纵向平面并且穿过测量管中心线和测量管横向平面之间的交叉点延伸。
在本发明的进一步发展中，激励器与顶点平面间隔不超过测量管的两个外径，尤其是不超过一个外径。
在本发明的进一步发展中，操作电路适于利用激励第一镜像对称弯曲振动模式的信号来驱动激励器导体环。
在本发明的进一步发展中，激励器导体环具有取决于第一对称弯曲振荡模式的互感电抗Rg1，该互感电抗Rg1取决于激励器的位置；其中激励器如下定位：当测量管被水填充，并且被电动力激励器以第一镜像对称弯曲振荡模式的本征频率激励，从而以300K执行弯曲振荡时，无量纲功率因子pc1
Figure GDA0002448406060000041
具有不小于0.3，尤其是不小于0.6，并且尤其优选地不小于0.8的值。
在本发明的进一步发展中，总功率因子pc1.3由下列表达式给出：
pc1.3＝pc1·pc3
其中pc1.3不小于0.2，尤其是不小于0.4并且尤其优选地不小于0.7。
在本发明的进一步发展中，欧姆电阻RΩ至少90％由激励器的线圈或多个线圈引起，并且在给定情况下，由限制电阻或多个限制电阻引起，尤其是用于满足导体环中的点火保护类型Ex-i。
在本发明的进一步发展中，测量换能器包括至少一对具有共用的测量管横向平面的测量管，其中电动力激励器适于激励测量管相对于彼此的振荡。在本发明的该进一步发展的实施例中，测量管具有平行的测量管纵向平面。
在本发明的进一步发展中，测量换能器还包括至少一个传感器，以记录测量管或测量管相对于彼此的振荡，尤其是一对传感器，其与测量管横向平面对称地布置。
对于本发明的测量换能器的具体设计，特别是关于激励器的位置，例如，通过有限元建模和/或使用实验布置，能够分析测量换能器的测量管或多个测量管的振荡行为。以这种方式，能够识别第二镜像对称弯曲振荡模式的振荡节点，即f3模式的振荡节点，其定义了节点平面，由于节点平面内或附近的f3模式的激励是不实际的，或者是低效的，所以激励器必须与该节点平面间隔开或分离。另一方面，需要考虑的是，f3模式下的测量管的偏转可能随着与节点平面的分离而指数地增长，所以应该限制分离。基于所考虑的弯曲振动模式中的偏转、本征频率和测量管的质量，能够为了确定功率因数而计算并考虑互感电抗。根据激励器位置，或者模拟结果和实验的组合而实验确定互感同样是可能的。
附图说明
现在将基于图中所示的实施例的示例更详细地解释本发明，附图示出如下：
图1是本发明的测量换能器的实施例的示例；
图2是用于说明本发明的测量换能器的实施例的示例的坐标系；
图3a是在平面图内测量管在f1模式和f3模式下的典型偏转；
图3b是f1模式和f3模式的典型偏转在测量管横截面上的正交投影，以及相关联的功率因子和功率因子的积；
图4a是用于说明振荡器的示意性模型；以及
图4b是激励器电路中的有效电阻或电抗的示意图。
具体实施方式
图1所示的本发明的测量换能器100的实施例的示例包括一对弯曲的测量管110。测量管110在进口端集电器120和出口端集电器120之间延伸，并且例如通过辊膨胀、焊接、钎焊或铜焊连接而与这些测量管固定地连接。在集电器120之间延伸的是坚固的支撑管124，其与两个集电器持久地连接，由此将集电器120刚性地联接在一起。支撑管124在其上侧具有开口126，测量管110穿过开口126离开并进入集电器120附近的支撑管124。
集电器120具有端子凸缘122，科里奥利质量流量测量装置和/或密度测量装置能够通过该端子凸缘122安装在管道中。通过凸缘122中的中心开口123，质量流能够穿过测量管110，从而能够测量质量流量或其密度。
基于图2，现在将介绍本发明的测量换能器的一些对称特征。在这方面示出了两个测量管110的测量管中心轴线112a、112b，它们形成了振荡器。测量管中心轴线112a、112b以第一镜平面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以第二镜平面Sxy——即所谓的测量管横向平面——对称地延伸，该第二镜平面Sxy垂直于第一镜平面Syz延伸。位于测量管横向平面中的是测量管的顶点和测量管中心轴线。测量管轴线112a、112b优选地在与第一镜平面平行地延伸的平面中延伸。相对于第三平面Szx不存在测量管的对称性，第三平面Szx垂直于第一镜平面和第二镜平面延伸，并且在第三平面Szx中测量管轴线112a、112b延伸到集电器中。第一镜平面Syz和第三平面之间的交叉线定义了测量换能器的坐标系的Z轴。第二镜平面Sxy和第三平面Szx之间的交叉线定义了坐标系的X轴，并且第一镜平面Syz和第二镜平面之间的交叉线定义了坐标系的Y轴。使用以这种方式定义的坐标，我们返回到图1。
该对测量管110形成振荡器，该振荡器尤其具有与测量管横向平面镜像对称并且具有第一本征频率f1的第一弯曲振荡模式，和与测量管横向平面镜像对称并且具有第二本征频率f3的第二弯曲振荡模式，其中，测量管在X方向上以相对于彼此相反的相位振荡。为了激励测量管在X方向上的弯曲振动模式，电动力激励器机构140被设置成与测量管横向平面镜像对称。电动力激励器机构140包括例如第一测量管上的线圈和相对定位的第二测量管上的用于插入线圈中的元件。下面解释激励器机构在y方向上的垂直定位的细节。
为了记录测量管的振荡，传感器装置142对称于测量管横向平面Sxy设置。传感器装置142在每种情况下都被构造为感应装置，在一个管上具有线圈，在另一个管上具有插入元件。这种装置的细节是本领域技术人员已知的，这里不需要进一步详细说明。
为了影响振荡特征，测量管110在它们的进口和出口端经由耦合器132、134连接，其中两个内部耦合器132的位置，即最远离最近的集电器120的那些内部耦合器的位置建立由两个测量管110形成的振荡器的自由振荡长度。该自由振荡长度影响振荡器的弯曲振荡模式，尤其是振荡器优选地被激励的它们的本征频率。布置在内节点板132和集电器120之间的外部耦合器134尤其用于限定其他振荡节点。
变量h是两个内部耦合器132之间可自由振荡的测量管曲线的弧高度，其中弧高度是从耦合器与测量管中心线的交叉点到测量管横向平面中的测量管中心线的顶点测量的。
现在将基于图3a和3b解释测量管110的振荡行为。
图3a示出了沿正交投影到Szx平面上的第一和第二镜像对称弯曲振动模式的测量管中心线的偏转X1(z)和X3(z)的示例。传感器装置的Z坐标用线S示出。传感器装置被定位成使得它们能够记录两种弯曲振动模式的偏转。电动力激励器位于测量管横向平面Sxy中，其在该投影中与X轴重合。传感器装置的偏转处于与激励器的偏转成比例的弯曲振荡模式。因而，激励器的有效偏转导致传感器装置的有效偏转。现在将从这种考虑开始，寻求特别优化的激励器位置。
在图3b中，线X1(y)和X3(y)示出了第一和第二镜像对称弯曲振荡模式下的测量管的测量管中心线的取决于高度的振幅在测量管横向平面Sxy上的正交投影，其中测量管中心线的顶点中的振幅被正交化为1。所考虑的测量管具有从内部耦合器测量的弧高度h＝0.4m，和y＝0.1m处的内部耦合器。此外，该曲线图示出了顶点割线(peak secant)，其穿过测量管表面上的点延伸，这些点位于测量管在测量管纵向平面和测量管横向平面的交叉线上的静止位置。当激励器在测量管横向平面Sxy中机械地固定在测量管上时，这些顶点割线是有意义的，因此具有偏转，偏转不仅取决于测量管中心线的偏转，而且还取决于测量管在测量管横向平面Sxy中的扭转。因此，在顶点割线上存在激励器根据其与测量管中心线的安装间隔的期望偏转。在图3b中，K1和K3表示位置，其中分别在第一和第二镜像对称弯曲振动模式下的激励器将实际上不经历偏转。因而，激励器被布置成与这些位置间隔开。
现在将基于图4a和4b解释电动力激励器的布置的其他考虑事项。
振荡器的测量管或多个测量管被激励以通过力F以弯曲振荡模式振荡，力F由模态力Fi的总和组成，模态力Fi由对激励器电流I的模态贡献Ii与常数e的乘积给出，因而
Fi＝Ii·e (1)
另一方面，振荡的振荡器在激励器中感应出感应电压Ugi，其振幅由下列表达式给出
Figure GDA0002448406060000081
其中(1)和(2)中的e为取决于激励器的电感的相同常数。
在所考虑的位置处，例如在测量管横向平面中的第i个弯曲振动模式的振幅Xi取决于处于特殊振荡模式的振荡器的振荡质量(oscillating mass)mi、弹性ni、和质量(quality)Qi。
在以谐振电路频率ωi激励的情况下，偏转的幅度为：
Xi＝ni·Qi·Fi (3)
速度为：
Figure GDA0002448406060000091
对于感应电压Ugi，通过(1)和(2)存在
Ugi＝e2·ωi·ni·Qi·Ii (5)，或者
Ugi＝Rgi·Ii (6)，其中Rgi为互感电抗。
Ri＝e2·ωi·ni·Qi (7)
电感应功率Pi由感应电压Ugi和电流Ii的乘积给出，或者由电流Ii的平方和感应电抗Rgi的乘积给出。电流由I＝U/R给出，其中R是图4b中所示的激励器电路的总电阻，其包括激励器的串联的欧姆电阻Re、激励器的感抗ωi·Le和激励器的互感电抗Rgi。另外，能够提供保护电阻元件Rex以满足点火保护类型。当考虑到激励器的感抗ω·Le明显小于欧姆电阻时，以下表达式对电激励功率成立：
Figure GDA0002448406060000092
当互感电抗Rgi等于激励器导体环的欧姆电阻RΩ时，该表达式最大，即等于激励器的欧姆电阻Re与在给定情况下存在的保护电阻元件Rex的电阻之和，因而Rgi＝RΩ＝Rex+Re。为描述这种情况，为不同的弯曲振动模式定义无量纲功率因子pci是有帮助的：
Figure GDA0002448406060000093
该功率值假定在Rgi＝RΩ时，最大值pci＝1。
为了开发测量换能器，上述等式提供了一种经由弹性ni检查Rgi的方法，对于电动力激励器，弹性ni取决于其在测量管横向平面中的位置。以这种方式，能够为不同的模式建立测量换能器的功率因子。对于给定的测量管，例如通过模拟确定模式相关的振幅、速度、力和本征频率并通过实验检查。振荡模式的质量Qi可经由谐振的宽度或经由振荡的衰减行为来测量。最后，在自由振荡测量管的情况下，感应电压能够通过实验确定，以验证所计算的变量。
图3b示出了第一和第二镜像对称弯曲振荡模式根据激励器位置的功率因子pc1和pc3以及它们的乘积pc1.3。在沿着顶点割线的节点K1和K2处，功率因数如预期地采取值0。此外，示出了弹性ni与之成比例的任意增大的振幅Xi不会导致功率因子无限增加。在目前的情况下，pc3的最大值以及pc1.3的最大M1.3几乎不在测量管曲线之上。电动力激励器机构安装在图1中的该位置中。
结果，本发明提供了使用优化的功率因子从而获得具有高效激励的测量换能器的基础。

Claims (16)

1.一种振动型测量换能器(100)，包括：
支撑主体(120)；
用于引导流体并且具有进口侧端部分和出口侧端部分的至少一个弯曲测量管(110)，其中所述测量管(110)在所述进口侧端部分处和所述出口侧端部分处由所述支撑主体(120)保持，其中所述测量管具有可自由振荡部分；
操作电路；
用于激励所述测量管(110)的弯曲振荡的激励器导体环中的电动力激励器(140)；
用于记录所述测量管(110)的振荡的至少一个传感器(142)；
其中测量管纵向平面被定义为下述平面：其中在所述测量管(110)的静止位置的测量管中心线与所述平面之间的距离的平方沿所述可自由振荡部分的测量管中心线的积分具有最小值，
其中定义测量管横向平面，所述测量管关于所述测量管横向平面镜像对称，其中所述测量管横向平面垂直于所述测量管纵向平面延伸；
其中所述测量管(110)具有第一镜像对称弯曲振荡模式，所述第一镜像对称弯曲振荡模式与所述测量管横向平面镜像对称并且具有第一本征频率f1，所述第一本征频率f1取决于被引导穿过所述测量管的介质的密度，
其中所述测量管(110)具有第二镜像对称弯曲振荡模式，第二镜像对称弯曲振荡模式与所述测量管横向平面镜像对称并且具有第二本征频率f3，所述第二本征频率f3取决于被引导穿过所述测量管的介质的密度，
其中所述第二本征频率大于所述第一本征频率f1，
其中所述测量管(110)具有顶点割线，所述顶点割线与所述测量管壁的外表面的点相交，所述点在所述测量管的静止位置中位于所述测量管纵向平面和所述测量管横向平面之间的交叉线上，其中当所述测量管以所述第二镜像对称弯曲振荡模式振荡时，所述顶点割线具有振荡节点，
其中所述操作电路适于利用信号驱动激励器导体环，以激励所述第二镜像对称弯曲振荡模式，
其中所述激励器导体环具有欧姆电阻RΩ，以及，取决于振荡模式，具有取决于所述激励器位置的互感应电抗Rg3；
其中所述激励器被定位成使得当所述测量管(110)被水填充，并且被所述电动力激励器以所述第二镜像对称弯曲振荡模式的本征频率激励，从而以300K执行弯曲振荡时，无量纲功率因子
Figure FDA0002640311390000021
具有不小于0.8的值。
2.根据权利要求1所述的振动型测量换能器，其中所述第二镜像对称弯曲振荡模式下的所述顶点割线的振荡节点定义节点平面，所述节点平面垂直于所述测量管横向平面并垂直于所述测量管纵向平面延伸，其中在所述测量管以所述第一镜像对称弯曲振荡模式振荡时，所述顶点割线在所述节点平面中不具有振荡节点。
3.根据权利要求1所述的振动型测量换能器，其中所述测量管在所述测量管横向平面中具有外径do，其中节点平面与所述测量管中心线和所述测量管横向平面之间的交叉点间隔不超过三个外径。
4.根据权利要求3所述的振动型测量换能器，其中所述节点平面与所述测量管中心线和所述测量管横向平面之间的交叉点间隔不超过两个外径。
5.根据权利要求2-4中的任意一个所述的振动型测量换能器，其中顶点平面在所述节点平面和所述激励器之间延伸，所述顶点平面垂直于所述测量管横向平面并垂直于所述测量管纵向平面并且穿过所述测量管中心线和所述测量管横向平面之间的交叉点延伸。
6.根据权利要求5所述的振动型测量换能器，其中所述激励器与所述顶点平面间隔不超过所述测量管的两个外径。
7.根据权利要求6所述的振动型测量换能器，其中所述激励器与所述顶点平面间隔不超过所述测量管的一个外径。
8.根据权利要求1所述的振动型测量换能器，其中所述操作电路适于利用激励所述第一镜像对称弯曲振荡模式的信号来驱动所述激励器导体环。
9.根据权利要求8所述的振动型测量换能器，其中所述激励器导体环具有取决于所述第一镜向对称弯曲振荡模式的互感电抗Rg1，所述互感电抗Rg1取决于所述激励器的位置；其中所述激励器如下定位：当所述测量管被水填充，并且被所述电动力激励器以所述第一镜像对称弯曲振荡模式的本征频率激励，从而以300K执行弯曲振荡时，无量纲功率因子pc1
Figure FDA0002640311390000031
具有不小于0.8的值。
10.根据权利要求9所述的振动型测量换能器，其中总功率因子pc1.3由下列表达式给出：
pc1.3＝pc1·pc3
其中pc1.3不小于0.7。
11.根据权利要求1所述的振动型测量换能器，其中所述欧姆电阻RΩ至少90％由所述激励器的线圈或多个线圈引起，并且在给定情况下，由限制电阻或多个限制电阻引起。
12.根据权利要求11所述的振动型测量换能器，其中所述欧姆电阻RΩ用于满足所述导体环中的点火保护类型Ex-i。
13.根据权利要求1所述的振动型测量换能器，包括至少一对具有共用的测量管横向平面的测量管，其中所述电动力激励器适于激励所述测量管相对于彼此的振荡。
14.根据权利要求13所述的振动型测量换能器，其中所述测量管具有平行的测量管纵向平面。
15.根据权利要求1所述的振动型测量换能器，还包括至少一个传感器，以记录所述测量管的振荡。
16.根据权利要求15所述的振动型测量换能器，还包括一对传感器，所述一对传感器与所述测量管横向平面对称地布置。
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