CN1168970A - 科里奥利质量流传感器 - Google Patents

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Abstract

能借进口与出口端连接件插装于管道内的科里奥利质量流传感器，它包括：有待测流体在其中流过的至少一根测量管的振荡系统；使此系统振荡的电磁激励装置，此装置具有低电阻激励线圈、包含永磁铁的芯子以及电枢；电容器，它以并联电路方式与激励线圈耦合，其电容则使得此电容器与激励线圈形成的并联谐振电路的谐振频率近似振荡系统的机械谐振频率；以及分别用于进、出端的且分设于各端同测量管中心间的振荡传感器。

Description

科里奥利质量流传感器
本发明涉及科里奥利(Coriolis)质量流传感器，这种传感器能借助进口端的与出口端的连接件分别插入管道中。
在按科里奥利质量流原理工作的质量流测量器件中，进行测量时是以下述事实为依据的：如所周知，流过属于振荡系统的至少一个平直或弯曲的振荡测量管的待测量的流体，受科里奥利力的影响。结果，此测量管便振动，其输入端管段相对于输出端管段有一定的相移。这种相移的大小便成为测定质量流的量度。
上述相移是由振荡传感器拾取的，振荡传感器赋予机械振动以由大小与相位表示的电变量，根据此电变量，可以用电子方法测定质量流。
一或多根测量管的振荡一般是由具有永磁铁的电磁激励装置激励，这种装置具有芯子，还可能具有电枢和至少一个激励线圈，例如，美国专利5218873与55531126号中以及WO-A88/02475或WO-A93/03336号的专利中所详细描述的。
此激励线圈由激励电流源供给以线圈电流，例如在美国专利4801897号中作为锁相环所描述的，结果使得这一线圈电流的频率锁定到振荡系统的瞬时机械谐振频率，这一频率取决于待测量的流体的密度，于是这两个频率一般是一致的。
具体到美国专利5531126号所述的具有一测量管和一等效管的这种质量流传感器中，机械振荡系统谐振频率与振荡系统的工作频率稍有不同，例如差几个赫兹。
要是振荡系统此时由例如来自相连接的管道且含有与此振荡系统的机械谐振频率相同频率的干扰振荡所激励，则这一由干扰引起的且在激励电流激励之外的激励会损害测量结果。
为此，本发明的目的之一便在于以尽可能最佳的方式来减少上述损害。
针对上述目的，本发明的主要内容便是这样一种科里奥利质量流传感器，它能借助进口端连接件和出口端连接件插装到管道内，它具有：振荡系统，此系统包括至少一根测量管，待测量的流体在工作时即流过该管；用来振荡此振荡系统的电磁激励装置，此激励装置具有至少一个由激励电流源供电的低电阻激励线圈、包括有永磁铁的芯子、以及电枢；电容器，它以并联电路方式与激励线圈耦合而其电容则作为激励线圈电感的函数来选择，使得由此电容器与激励线圈形成的并联谐振电路的谐振频率近似于此振荡系统的机械谐振频率；以及用于进口端振荡的传感器和用于出口端振荡的传感器，前一传感器以某一距离设在测量管中心与进口端连接件之间，后一传感器以上述距离设在测量管中心与出口端连接件之间。
根据本发明的第一最佳实施例，此电容器并联地与单一激励线圈连接。
根据本发明的第二最佳实施例，此激励线圈作为初级线圈而与次级线圈一起设置在芯子上，同时此电容器则与此次级线圈并联。
根据本发明的第三最佳实施例，所述芯子是带绕芯子。
本发明的优点之一是，激励线圈和与它耦合的电容器形成了用于所供应的激励电流的并联谐振电路，而使得电流峰值发生在其谐振频率区，由此产生出与所供应的激励电流相比显著加大了的激励力。
本发明的另一个优点是，机械干扰振荡，特别是在与振荡系统的机械谐振频率相同频率下的机械干扰振荡，已受到与激励线圈耦合并与之桥接的电容器的很强的阻尼。这是由于与上述的供电给并联谐振电路的激励电流源不同，此干扰信号源的电当量是给激励线圈与电容器形成的低电感的串联电路供电，这样，由于此激励线圈的低电阻和因此而有的低的串联谐振电阻，实际上是给一短路供电，使得此干扰频率信号实质上是短路的，从而不再有损于测量结果。
下面参照阐明典型实施例的附图来更详细地说明本发明。
图1示明本发明的激励装置与相关的激励电源的电路图；
图2示明此激励装置第一种变型的剖面；
图3示明此激励装置第二种变型的剖面；
图4示明此激励装置第三种变型的剖面；
图5示明此激励装置第一种变型改进形式的剖面；
图6示明此激励装置第二种变型改进形式的剖面；
图7示明根据图5与图6改进形式的电路图；
图8以局部纵剖图示明将此激励装置用于第一型的，即具有单一测量管的质量流传感器中的情形；
图9以局部纵剖图示明将此激励装置用于第二型的，即具有单一的平直测量管和与其平行的等效管的质量流传感器中的情形；
图10以局部纵剖图示明将此激励装置用于第三型的，即具有单一的平直测量管和与其共轴的等效管的质量流传感器中的情形；而
图11以局部纵剖图示明将此激励装置用于第四型的，即具有两根平行测量管的质量流传感器中的情形。
图1中的电路图，也是科里奥利质量流传感器的振荡系统中激励装置的等效电路图的一部分，其中表明有激励线圈15或251+252或35的欧姆电阻R以及此线圈的与该电阻串联的电感L。
在此由电阻R和电感L构成的串联电路中再串联上一干扰信号源SQ，后者在等效电路中则表示一干扰电压u，此干扰电压在振荡系统为上述干扰振荡激励时常感生于激励线圈中。确切地说，此时的激励装置起到产生干扰电压u的AC(交流)发电机的作用。
分配给激励线圈的由三个参量R、L与SQ构成的上述串联电路具有与其并联的电容为C的电容器。这一并联电路由激励电流源6供给激励电流i，后者的频率等于前述振荡系统的机械谐振频率。这种振荡系统的设计将于后面结合图8至11作较详细的说明。激励电流i在激励线圈中产生线圈电流iL。
先有技术的科里奥利质量流传感器所述的装置可以用作上述的激励电源6，例如可参看前面叙及的美国专利4801897号。
电容器的电容C的大小规定成可使电容C与电感L形成的并联谐振电路的谐振频率(以后称之为电谐振频率)近似于振荡系统的机械谐振频率。
上述大小的规定是根据有关LC谐振电路中谐振圆频率Ω的已知公式Ω2＝(LC)-1，由此推出C＝(Ω2L)-1。这里的Ω＝2πf，而f是LC谐振电路的(电)谐振频率。
在科里奥利质量流传感器中，振荡系统的机械工作频率fb一般选择成等于它的机械谐振频率fm，这是因为此时只需最少的驱动功率。但是，并非绝对必须使振荡系统的工作频率与谐振频率相等：fb＝fm，而是也可使此振荡系统在与谐振频率fm相差几个赫兹的工作频率fb下激励。
另外可能激励这种机械振荡频率的干扰的影响已为此电容器消除或减少，这不仅是在工作频率与谐振频率相等时而且是在以上述频率差工作时也是如此。
在图2中以剖面图示明的且最好是取圆柱形的电磁激励装置1的第一变型中，此装置包括：具有杯形底座111的软磁性杯形线圈11、包含永磁铁12的芯子13、软磁电枢14以及低电阻激励线圈15。此激励线圈绕在芯子13之上。永磁铁12有北极N和南极S，设在芯子13与杯形线圈11之间。
杯形线圈11与芯子13与永磁铁相离的端部对准电枢14并与其保持一空气间隙16。要是现在给激励线圈15供给所述的激励电流i，则有力F作用到电枢之上。
与线圈在磁场中运动的电磁激励装置相反，根据麦克斯韦定律，此电磁激励装置的力F同永磁铁12的恒定磁感B12与激励线圈15所产生的交变磁感B15之和的平方成正比：
F～(B12+B15)2＝B12 2+2B12B15+B15 2
但是，能导致振荡激励的交变力F ≈只是由第二项2B12B15确定，这是因为项B12 2为常数而项B15 2则二倍于交变磁感Bi5所用激励电流i的频率。如前所述，交变电流i的频率fi选择成等于机械振荡频率fm或等于接近振荡系统谐振频率的工作频率fb。于是，项B15 2所对应的频率相当于fi的二倍，这样就能充分地避开谐振频率与工作频率，由于Sin22πfi＝0.5(1-cos4πfi)，所以项B15 2可以略去。
如上所述，交变力F≈给定为F≈～2B12B15。由此可知，当交变力F≈变大，就应选择有较大磁感B12的永磁铁12。
在图3以剖面图所示的且最好取平面形式的电磁激励装置2的第二变型中，此装置包括：U形的软磁带绕芯子23，在此芯子23两翼的各端于任何情形下都分别设有永磁铁221、222；软磁电枢24，以及绕在翼231上的第一低电阻线圈件251和绕在翼232上的第二低电阻线圈件252。
线圈件251、252依相同方式串联，这样就形成了相当于图2中激励线圈15的激励线圈。永磁铁221和222与电枢24之间存在着空气间隙261和262，在其上作用有麦克斯韦力。
图4中以剖面所示的且再次取圆柱形的电磁激励装置3的第三变型包括软磁的圆柱形杯形线圈31、安装在此线圈杯31的杯底311的内侧上且具有磁北极N和磁南极S的永磁铁32。这样，永磁铁32的北极的外表面便靠定于图4中的杯底311上。
此电磁激励装置3还包括软磁芯子33，它具有T形的纵剖面并平置于永磁铁32上的头板331，也即平放在图4中此永磁铁的南极S的外表面上。
头板331在线圈杯31与头板331的周面之间保持有第一空气间隙361。芯子33还有一个柱形支脚332，上面绕有低电阻的激励线圈35。
芯子33和线圈杯31的各端表面对准，相对于电枢保持第二空气间隙362。永磁铁32沿杯形线圈31支脚332与激励线圈15的纵轴方向磁化。麦克斯韦力作用于电枢34和第二空气间隙362之间。
在图3的第二变型和图4的第三变型中，麦克斯韦力还分别正比于永磁铁221、222或永磁铁32所产生的恒定磁感以及激励线圈25或35所产生的交变磁感这两者之和的平方。
在图4的第三变型中，对于为激励线圈35本身产生的交变磁场，永磁铁32等价于宽度相当于永磁铁32长向尺寸的空气间隙，使得激励线圈15必定给具有高磁阻的磁路供电。
但是，芯子33的特殊设计使得由激励线圈35在芯子33中所产生的交变磁场能够形成在不含永磁铁32的磁路中，使得这种磁路中的磁阻比起例如在第一变型的情形中小得多。
由激励线圈35提供的磁路具体上只是由芯子33的头板331和支脚332、杯形线圈31朝向孔口的部分、电枢34以及空气间隙361、362组成。此外，永磁铁32具有它自身的磁路，此磁路具体上是通过杯形线圈31的杯底和相邻部分以及头板331和第一空气间隙361闭合。
图5示明图2中激励装置1的另一种设计形式，它取最好为圆柱形的激励装置4的形式，精确地说，激励线圈15是以类似变压器的方式设计成使初级线圈451与低电阻的次级线圈相互作用。
此外，激励装置4包括软磁电枢44、包含有永磁铁42的芯子、以及具有杯底411的软磁杯形线圈41。上述两个线圈451、452绕在芯子43上。永磁铁42具有北极N和南极S，设置在芯子43与杯形芯子41的杯底411之间。
芯子43的和线圈杯41的离开永磁铁42的端部对准并相对于电枢44保持一空气间隙46。要是此时给初级线圈451供给前述激发电流i，则上述的力F便再次作用于电枢上。
图6示明了图3中激励装置2的又一种改进形式，它取最好为平面形的激励装置5的形式，精确地说，激励线圈25是以类似变压器的方式设计成使初级线圈451与低电阻的次级线圈相互作用。
激励装置5还包括：U形的软磁带绕芯子53、设在芯子53的一翼531端部上的永磁铁521和其另一翼532端部上的永磁铁522、以及软磁电枢54。初级线圈551绕在翼531上，低电阻的次级线圈552绕于翼532上。在永磁铁521和522与电枢54之间分别有空气间隙561和562，在它们之上作用有麦克斯韦力。
图7中的电路图部分地也是图5与6中各激励装置4与5的等效电路，分别在次级侧有次级线圈452、552的低电阻R2以及与其串联的电感L2。由电阻R2和电感L2形成的这一串联电路具有与其并联的电容为C的电容器。
在初级侧，初级线圈451与551各自的欧姆电阻R1与此初级线圈的电感L1串联。由于初级线圈451与551和次级线圈452或552分别通过芯子43与53相互成磁耦合，结果形成一互感M。因为有上述耦合，电容为C的电容器便与初级侧耦合并依类似于变压器方式与其并联。
由初级侧上电阻R1和电感L1形成的串联电路由激励电流源7供给以激励电流i，电流i的频率等于科里奥利质量流传感器的振荡系统的机械谐振频率。
上述电容器的电容C的大小选定成，使得由电容C与电感L2形成的并联谐振电路的电谐振频率近似于此振荡系统的机械谐振频率。这一电谐振频率与机械谐振频率于是相互略有不同，当这些谐振频率的量级为1kHz时，这种谐振频率差例如可以为几个赫兹。
在图4的激励装置的情形，还可以提供电容器的变压器耦合，即在图4中除作为初级线圈的激励线圈35之外还设有次级线圈。
图2至6中的激励装置或是其它的激励装置用来激励一振荡系统，此振荡系统在工作时包括使待测量流体流过的至少一根测量管，且此振荡系统是根据科里奥利原理工作的质量流测量装置的一部分。这一振荡系统借助各电枢14、24、34、44与54同相应的激励装置1、2、3、4与5成机械耦合。
图8至11示明了四种不同类型的科里奥利质量流传感器，它们可各由例如对应于图2至6的激励装置10激励振荡。各个激励装置在图8至11中只作示意性表明，而未用图来说明其相应的结构。
图8以相当概略性的部分纵剖图示明了一种质量流传感器40，它具有的单一的测量管401可经法兰402、403连接到图中未示明的，且其中流过有待测量质量流的流体的管道。
测量管401的两端由端部件441、442夹定在一支承架404上，这种支承架设计成支承管的形式，使得当它是平直状时，例如在图8所示的情形中，可以被激励而类似杆一样振荡。
为此目的，将电磁激励装置10及其相关的杯形线圈安装到支承架404的壁部中，精确地说，安装于此壁部纵侧的中心。相关的电枢104通过一设计成螺旋弹簧80的机体与测量管401作机械连接。此外，电枢104还通过膜片81同膜片支架82与支承架404作机械连接。这样就将电枢104安装成可以振荡，而它的振荡则借助螺旋弹簧80传送给测量管401。
这里的振荡系统包括测量管401、螺旋弹簧80、电枢104与膜片21。电枢104在此执行一种与测量管401成反相振荡的机体的功能。
在支承架404的与激励装置10安装点相对的一侧上，在此支承架404之内距测量管401中心两侧相对应的距离处设有两个传感器406、407，用来测量所述测量管401的振荡。
从图8中可以看到，测量管401可以是平直的或可在垂直于图面的平面内以较大或是较小的程度弯曲；例如测量管401可以弯成U形或Ω形。
在上述情形下，激励装置10便能以合适的方式作用于此U形或Ω形的顶点，同时支承架404则延伸到此顶点。这种弯曲形状的即具体说来是U形或Ω形的测量管401此时围绕与图8中纵轴线9一致的轴线作弯曲振荡。上述振荡传感器分别设在此测量管的两端与所述顶点之间。
图9以相当示意性的部分纵剖图所示的质量流传感器50具有单一的测量管501，此测量管可通过法兰502、503连接到仍未予图中示明且承载有待测量流体的管道上。
测量管501的两端分别由端部件541、542夹于设计成支承管的支承架504上，使得当此测量管是取图9中所示的平直形式而且是第二型中唯一的合理形式时，可使其受激励象杆那样振荡。
为此目的，将电磁激励装置10及杯形线圈安装到支承架504的壁部中，精确地说，安装于此壁部纵侧的中心。相关的电枢104则安装于设计成直的等效管505的机体上，管505与平直的测量管501平行，并在任何情况下都由分别在两端的结点板508、509机械地连接到测量管501上。
这样，电枢104在此安装成能够振荡，而且能使其振荡由等效管505传递给测量管501。在此情形下的振荡系统包括测量管501、等效管505与电枢104。
传感器506、507安装在支承架504上与激励装置10安装点相对的一侧，并且是在支承架504中相对于测量管501中心分处在此中心两边的相应的一段距离处，用来对测量管501的振荡进行测量。
图10以示意性的部分纵剖图示明了一种质量流传感器60，它所具有的单一测量管601可通过法兰602、603连接到同样未在图中示明且承载有待测量流体的管道上。
测量管601的两端分别由端部件641、642夹于设计成支承管的支承架604上，使得当它是图10中所示平直形式而且是第三型中唯一合理的形式时，可激励它像杆一样振荡。
为此目的，将电磁激励装置10及其杯形线圈安装到支承架604的壁部中，精确地说，安装于此壁部的纵向中心。相关的电枢104则安装于设计成等效管605的机体上，等效管605与平直的测量管601平行，并在任何情况下都由端板608、609与测量管601连接。
这样，电枢104便安装成能够振荡，而且能使其振荡由等效管605传递给测量管601。在此情形下的振荡系统包括测量管601、共轴的等效管605与电枢104。
有两个传感器606、607安装在支承架604中与激励装置10安装点相对的一侧上，并且是在支承架604中相对于测量管601中心分别处在此中心两边相应的一段距离处，用来对测量管601的振荡进行测量。
图9与图10中的质量流传感器的基本结构分别与WO-A95/035 28内图1与图2中的装置相对应。
图11以相当示意形式的部分纵剖图示明了一种质量流传感器70，它所具有的两根平行的测量管701、701’能够通过法兰702、703，连接到也仍未在图中示明的用来载运待测量流体的管道上。
测量管701、701’的两端由端部件741、742夹于支承架704中，此支承架设计成支承管的形式，使得当这两根测量管平直时能被激励像杆那样振荡。
为此目的，将第一电磁激励装置10及其杯形线圈安装到支承架704的壁部中，精确地说，安装于此壁部的纵向中心。相关的电枢104则安装于此测量管701上。
第二电磁激励装置10’及其杯形线圈安装在支承704中与激励装置10安装点相对的一侧上，精确地说，仍是在纵向中心处。相关的电枢104’则安装于测量管701’上。
电枢104、104’各自安装成能够振荡，并能在任何情形下将它们的振荡传送给测量管701、701’。这时的振荡系统包括两根测量管701、701’以及两个电枢104、104’。
此外，两个传感器706、707安装在支承架704中与激励装置10安装点相对的一侧上，并且分别是在支架704的相对于测量管701’的中心两边相应的距离处，用以测量此测量管701’的振荡。
借助两个激励装置10、10’来激励两个测量管701、701’，使得当这两个测量管是平直时，它们能在图面所在平面内相互相对振荡，也就是它们进行相对趋近或离开的运动。
这两根测量管701、701’可以如图11所示是直的，或者这两个根管在任何情形下可于垂直于图面的平面内相互平行，同时它们也可或多或少地弯曲，例如此测量管701、701’可各弯曲成U形或Ω形。
在上述情形下，激励装置10、10’作用于此U形或Ω形的顶点是有利的，同时此支承框704则延伸到此顶点。这时的弯曲形的特别是U形或Ω形的测量管便围绕与图11中测量管701、701’各纵轴线一致的相应轴线作弯曲振荡。在各测量管的端部与相应顶点间的部分上分别设有振荡传感器。
具体到业已相对于图8至10所说明的三种类型的质量流传感器中，如所描述的，此振荡系统的工作频率稍异于它的机械振荡频率。要是此时的振荡系统在来自所连接的管道的干扰波动的谐振频率下激励，这样的振动就会破坏测量结果。
根据本发明，可以这样来消除上述破坏影响，即把电容为C的电容器类似一并联电路地耦合到激励线圈上，且最好是与此激励线圈直接并联。电容C选择为激励线圈电感的这样的函数，使得由此电容器与激励线圈形成的电串联谐振电路的谐振频率等于相应振荡系统的机械谐振频率。
结果，图1中所示的在干扰波动产生干扰电压u的干扰电压源的电当量“观察到”上述串联谐振电路的低串联谐振电感，从而在实际上确定为一短路，使得干扰-频率信号不再影响测量结果。
这样，机械振荡，特别是在对应于机械谐振频率的频率下的机械振荡，就会受到激励装置以及并联耦合的特别是并联连接的电容器的大大抑制。

Claims (6)

1.科里奥利质量流传感器，这种传感器能借助进口端连接件和出口端连接件插装到管道内，它具有：振荡系统，此系统包括至少一根测量管，待测量的流体在工作时即流过该管；用来振荡此振荡系统的电磁激励装置，此激励装置具有至少一个由激励电流源供电的低电阻激励线圈、包括有永磁铁的芯子、以及电枢；电容器，它以并联电路方式与激励线圈耦合而其电容则作为激励线圈电感的函数来选择，使得由此电容器与激励线圈形成的并联谐振电路的谐振频率近似于此振荡系统的机械谐振频率；以及用于进口端的振荡传感器和用于出口端的振荡传感器，前一传感器以某一距离设在测量管中心与进口端连接件之间，后一传感器以上述距离设在测量管中心与出口端连接件之间。
2.如权利要求1所述的科里奥利质量流传感器，特征在于：所述电容器是与单一的激励线圈并联。
3.如权利要求1所述的科里奥利质量流传感器，特征在于：上述激励线圈作为初级线圈与一次级线圈设在前述芯子上，同时所述电容器则与此次级线圈并联。
4.如权利要求1所述的科里奥利质量流传感器，特征在于：其中所述芯子是带绕芯子。
5.如权利要求2所述质量流传感器，特征在于：其中所述芯子是带绕芯子。
6.如权利要求3所述质量流传感器，特征在于：其中所述芯子是带绕芯子。
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