CN1176352C - 质量流测量装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种质量流测量装置，包括：流量传感器导管；其中定位有流量传感器导管的壳体；位于壳体外侧的驱动装置，以用于振动流量传感器导管；以及至少一个拾取传感器，其相对于流量传感器导管定位，以便测量在流量传感器导管中由科里奥利力导致的扭曲。电容性拾取传感器包括至少一个电容板，该电容板可连接到第一电势上，并适于位于连接到第二电视上的流量传感器导管附近。电容板相对于流量传感器导管定位，从而在它们之间限定了一个间隙。电容板和流量传感器导管之间的电容由于电容板和流量传感器导管当流量传感器导管振动时的相对远动而变化。

Description

质量流测量装置

技术领域

本发明涉及质量流测量和控制，更具体地说，涉及一种质量流测量及控制装置，该装置基于科里奥利力效应，并具有与相关的传感、控制和通信电路集成到一起的流量控制阀。

背景技术

基于科里奥利力效应的质量流测量以下面的方式实现。科里奥利力导致质量在所确定的方向上移动，并然后被强制改变成具有垂直于所建立的流动方向的向量分量的方向的效应。这可以由以下方程表示：

其中Fc(科里奥利力分量)是M(质量流分量)和ω(角速度分量)的叉积的结果。

在旋转系统中，角速度分量沿着旋转轴对齐。利用右手法则，手指限定旋转方向，而伸出的拇指限定角速度向量方向。在典型的科里奥利力情况下，流量传感器，一种通过其形成流体流动的导管，被振动。该导管经常为一个或多个环形的形状。该环形为使得在环形的不同部分处，质量流失量指向相反的方向。该导管的环形例如为U形、矩形、三角形或△形、或卷绕形。自直导管的特定情况下，存在两个重合到导管的固定点上的同步角速度分量，而质量流向量处于一单独的方向上。

在振动系统中，由于旋转方向的改变，因此角速度分量改变方向。其结果为：在任一给定时刻，在质量流向量或角速度向量指向相反方向的情况下，科里奥利力作用在相反的方向上。由于角速度向量因振动系统导致经常变化，因此科里奥利力也经常变化，其结果为动态的扭曲运动叠加到导管振荡运动的顶部。摇摆的幅度与给定角速度的质量流成比例。

质量流测量是通过测量传感器导管中因通过传感器导管移动的流体所产生的科里奥利力所导致的扭曲而实现的。典型的公知装置利用包括磁铁和线圈对的拾取传感器，磁铁和线圈对位于流动导管上、认为科里奥利力导致的位移最大的地方。线圈和磁铁安装到相对的结构上，例如，磁铁安装到导管上，而线圈安装到静止的外壳壁上。磁铁将移入、移出线圈，在线圈中感应出电流。这个电流与磁铁相对线圈的速度成比例。由于这是一种速度测量，速度、及由此产生的电流在流动导管经过其静止点(过零)时最大。产生扭曲的科里奥利力导致速度信号相移，这可以通过测量两个速度传感器只见过零时间的差值而探测到。实际上，这在时间测量电路上赋予了很大的精度负担，这会限制通过这种技术测量质量流的最终灵敏性。

此外，基于科里奥利技术的公知装置的流量容量经常被限制为高于很多用途所需的流量。此外，现存的科里奥利质量流测量装置只提供质量流探测，而没有整合的流动控制能力。后者让用户提供控制流动的装置。

本发明旨在与现有技术相关的缺陷。

发明内容

本发明提供一种质量流测量装置，包括：流量传感器导管；其中定位有流量传感器导管的壳体；位于壳体外侧的驱动装置，以用于振动流量传感器导管；以及至少一个拾取传感器，其相对于流量传感器导管定位，以便测量在流量传感器导管中由科里奥利力导致的扭曲。

在本发明的一个方面，公开了用于质量流测量装置的电容性拾取传感器。质量流测量装置包括流量传感器导管和用于振动流量传感器导管的驱动装置。电容性拾取传感器包括至少一个导电板，该导电板可连接到第一电位上，并适于定位在流量传感器导管附近，而流量传感器导管连接到第二电位上。导电板相对于流量传感器导管定位，以便在它们之间限定一间隙。在导电板和流量传感器导管之间的电容由于流量传感器振动所导致的导电板和流量传感器的相对运动而变化。

在本发明的另一方面，科里奥利质量流传感器包括流量传感器导管、其中定位流量传感器导管的壳体、位于壳体外侧以用于振动流量传感器导管的驱动装置、以及至少一个拾取传感器，该传感器相对于流量传感器导管定位，以便测量由科里奥利力导致的流量传感器导管内的扭曲。在示例性实施例中，拾取传感器位于壳体内。在另一实施例中，磁铁耦合到流量传感器导管上，而驱动装置包括电磁线圈。磁铁可以为非稀土磁铁，更具体地说，可以为镀镍的钐钴磁铁。电磁线圈可以包括大功率电感器。

根据本发明的再一方面，质量流测量装置包括具有第一和第二端的外壳、流动体、以及相对于外壳第一端和流动体定位的第一密封元件，以使流动体与第一端以密封方式连接。用户接口组件与第二密封元件相对于外壳第二端定位，以使用户接口组件和第二端以密封方式连接。密封元件允许在多种类型的用户接口组件中互换，这些用户接口组件包括兼容IP-65/NEMA4X并提供额外的流体密封度的用户接口组件。

附图说明

本发明的其他目的和优点在阅读以下的详细描述和参照附图时将得以明白，图中：

图1是概念性示出根据本发明各方面的科里奥利质量流传感器的方块图；

图2A和2B示出根据本发明实施例的采用电磁驱动装置的科里奥利质量流传感器；

图3A和3B示出根据本发明实施例的采用静电驱动装置的科里奥利质量流传感器；

图4A和4B示出根据本发明实施例的采用声音驱动装置的科里奥利质量流传感器；

图5A、5B和5C示出根据本发明实施例的采用压电驱动装置的科里奥利质量流传感器；

图6是根据本发明用于测量科里奥利力导致的相移的锁定放大器的示意图；

图7是根据本发明用于测量科里奥利力导致的相移的双通道锁定放大器的示意图；

图8是示出利用根据本发明的信号处理方法在来自于传感器导管未置传感器的输入信号的振幅之间的关系的曲线；

图9是根据本发明用于测量科里奥利力导致的相移的双路锁定放大器的示意图；

图10是根据本发明用于测量科里奥利力导致的相移的包括基准频率调节装置的双路锁定放大器的示意图；

图11示出根据本发明的电容性位移探针的第一实施例；

图12示出根据本发明的电容性位移探针的第二实施例；

图13示出根据本发明的电容性位移探针的第三实施例；

图14是根据本发明实施例的科里奥利质量流控制器的透视图；

图15是图14所示的科里奥利质量流控制器的剖面图；

图16是图15所示的科里奥利质量流控制器的分解视图；

图17A和17B分别示出现有技术的螺纹阀门接头和根据本发明的密封的螺纹阀门接头的各方面；以及

图18是根据本发明再一方面的科里奥利质量流控制器的实施例的透视图。

在本发明易于进行各种修改且存在各种替换形式的同时，本发明的特定实施例以示例方式在图中示出并在此详细描述。然而，应理解的是在此特定实施例的描述不用于将本发明限制于所公开的特定形式，而相反，其意图为涵盖所有落入如所附权利要求书限定的本发明的精髓和范围内的修改、等价替换和变型。

具体实施方式

以下描述本发明示例性实施例。为了清晰起见，在本说明书中并未描述实际装置的所有特征。当然，应理解的是在这种实际实施例的研制过程中，必须作出各种实施特定的决定以实现研制者的特定目标，诸如符合与系统相关以及商业相关的限制，这些目标从一个装置到另一装置会有所改变。此外，应理解的是这种研制努力会是复杂并耗时的，但尽管如此是获得本公开的益处的本领域技术人员所承担的常规工作。

图1是概念性示出根据本发明各方面的科里奥利质量流传感器的方块图。科里奥利质量流传感器1包括流量传感器导管2、且驱动装置3相对于该导管定位以便振动该导管2。位移计4相对于导管2定位，以便测量由科里奥利力导致的导管2内的扭曲。

用于传感器导管2的典型材料是316L不锈钢，使用316L不锈钢的原因包括其可以抵抗来自各种物质的化学侵蚀，并且其可以抵抗普通加工压力而不会破裂，它一般是无污染的，并且可以容易地形成为科里奥利传感器导管所需的形状。然而，316L不锈钢并不适用于所有的用途，因此，需要其他可用于316L不锈钢不适用用途的导管材料。公知的装置使用硅作为316L不锈钢的替代材料。硅优于316L不锈钢的优点在于传感器导管可以制成为比由316L不锈钢制成的更小。

对于传感器导管2的材料选择的另一种考虑在于抵抗腐蚀所导致或增大的应力。应力一般在弯曲臂的底部、导管所安装的地方产生。在多晶材料中，应力会导致材料中的杂质扩散并集中在微晶颗粒区域之间的晶界处。在很多情况下，这将削弱微晶颗粒之间的键，使材料更易受到化学侵蚀。象硅或蓝宝石的单晶材料不易于在这方面受到影响。

如316L不锈钢的金属一般为多晶的，并因此更易受到各种程度的这类化学侵蚀。如石英玻璃和若干塑料的无定形材料同样更能抵抗化学侵蚀所导致的应力，这是由于他们不具有象多晶材料那样的晶格结构。易受到化学侵蚀的导管材料在其底层材料很适用的情况下可以使其表面改性或以使其表面的腐蚀或侵蚀最小的方式涂敷。

表面改性可以通过离子注入、热扩散、化学或电化学反应来实现。在此，其意图是移动、重新分布、或引入元素或分子种类，他们在表面上留下一个化学阻抗层。表面涂敷可以通过由在升高的温度下冲击到表面上的蒸汽、液体或粉末淀积形成的热激活的淀积来实现。如果化学反应种类也可以由等离子体或诸如来自激光器的强烈的光子通量来激活或离子化，那么也可以使用较低的温度。抵抗化学侵蚀的其他材料可以通过非反应的、物理沉积来淀积，如通过热和电子束蒸镀或通过离子溅射所实现的那样。如果溅射是利用高能离子束实现，从而被溅射的物质化学激活或离子化，那么也可以实现与表面的化学反应，这对于某些淀积材料是理想的。同样，在表面处的化学反应可以通过加速化学物质以便可以利用动能来激活或增强化学反应来实现。

用于本发明特定实施例内的科里奥利流量传感器导管2的导管材料为奥氏体或马氏体不锈钢、高镍合金、钛和锆以及他们的合金，尤其是钛-钒-铝合金和锆合金(由于他们较高的屈服强度和较低的杨氏模量)、硅、蓝宝石、碳化硅、石英玻璃、和塑料。根据本发明所采用的导管涂敷材料包括碳化硅、镍、铬、金刚石、难熔金属碳化物、难熔金属氮化物、以及难熔金属氧化物。

图2A和2B示出根据本发明特定实施例的科里奥利质量流传感器1。科里奥利质量流传感器1采用电磁装置10，该电磁装置包括由信号源(未示出)驱动的电磁铁12，该信号源在所示的实施例中包括正弦信号源。传感器导管12位于安装到传感器导管16上的较小永久磁铁14附近。传感器导管16连接到包括第一和第二端口19的基底18上，从而限定了从一个端口19通过流动导管16到达另一端口19的流动路径。在此公开的实施例中所示的示例性传感器导管16大致为U形，但也可以使用其他形状，如Δ形、矩形、螺旋形、或直管。

图3A和3B示出与图2所示相类似的实施例，其利用静电驱动装置。静电驱动装置20包括位于传感器导管16上安装的小绝缘板24附近的充电板22。如果导管16由绝缘材料制成，那么充电板22位于导管16附近，而可以取消绝缘板。同样，充电板由信号源(未示出)，如正弦信号源驱动。施加到充电板22上的电压将在充电板22和绝缘板24之间产生电场，这将在绝缘板24上产生表面电荷。随着电压极性在充电板22上快速变化，在充电板22和绝缘板24之间所形成的电场将交替地吸引或排斥，导致流动导管16振动。

图4A和4B示出科里奥利质量流传感器1的另一实施例，该传感器采用新型的声音驱动装置30。声音驱动装置30包括位于导管16附近的小扬声器32，由扬声器32产生的压力波导致导管16振动。

在图5A、5B和5C中，示出科里奥利质量流传感器1的再一实施例。图5A、5B和5C中的科里奥利质量流传感器1利用压电驱动装置40，其中，两个压电套42位于相对侧、流动导管16的每个支腿上，实际上在每个支腿16上形成两个双压电晶体，如图5所示。压电和反压电效应将用于驱动导管16偏转和/或用于探测导管16的偏转。

质量流测量是通过测量由通过传感器导管16移动的流体产生的科里奥利力导致的传感器导管16内的扭曲而实现的。例如，包括磁铁和线圈对的拾取传感器一般位于流动导管16上、认为科里奥利力所导致的位移最大的地方。线圈和磁铁安装到相对的结构上，例如，磁铁安装到导管16上，而线圈安装的静止的外壳壁上。磁铁将移入、移出线圈，在线圈中感应出电流。该电流与磁铁相对于线圈的速度成比例。由于这是一种速度测量，速度以及由此产生的信号在流动导管16穿过其静止点(过零)时最大。科里奥利力导致的扭曲引起速度信号中的相移，这可以通过测量两个速度传感器之间过零时刻的差异而测得。实际上，这对时间测量回路赋予了较大的准确度负担，这会使通过这种技术的质量流测量的最终灵敏性受到限制。

本发明的各方面提供了一种质量流测量技术，其提供了较低的流动容量、更直接，并需要低于典型的时基信号调节技术的电路精度。参照图2-4所示的实施例，振动的传感器导管的位移利用电容性拾取传感器测量。两个电容位移计50定位于导管16附近、对称于导管16的形状的位置处，以便测量由通过传感器导管16移动的流体所产生的科里奥利力导致的传感器导管16中的扭曲。在本发明特定实施例中，电容位移计50为小型的并表面安装到传感器外壳的壁上或安装到质量流传感器导管的环形内侧插入的传感器块上。由科里奥利力导致的传感器导管16内的扭曲导致来自于电容位移计50的两个信号之间的相移。由于这是一种位移测量，信号正比于位移。导管每侧的相对位移被测量为相移。仪表驱动装置和信号调节电路将导管16的相对位移转变为高电平信号，该信号为相移的函数，当通过导管16建立起流动时，该相移可用于测量科里奥力效应。

第一信号处理技术利用带有基准信号的锁定放大器，基准信号由一个位移计50提供，而输入信号由另一个位移计50提供。任一个位移计50可以提供基准信号或输入信号。来自锁定放大器的相位输出与流量成比例。图6是锁定放大器52的功能性示意图，通过它可以实现测量根据本发明的用于科里奥利力导致的相移的方法。信号从左向右移动，如图6所示。左输入100和右输入102的信号分别来自于左和右位移计50。例如，左输入信号100可以用作基准信号。正弦输出103为驱动信号，与左输入100的信号相位锁定。这将驱动质量流传感器导管16共振。在两个相敏检测器(PSD)106中右输入102信号与左/基准输入100信号和其90相移信号104混合。功能上说，PSD106将两个信号放大，产生高频分量和DC分量。低通滤波器108去除高频分量，而在X和Y输出110、112产生DC电压。相对于基准信号，X输出110被称为矢量信号的同相分量，而Y输出112被称为矢量信号的正交分量。这些分量中的每一个都对相位变化灵敏，矢量模和相位分量可以通过以下关系分离出来：

方程1： $R=\sqrt{X^2+Y^2}$ 模

方程2：θ＝tan^-1(Y/X)    相位角

来自锁定放大器52的输出和来自位移计50的输入之间的关系由以下导出：

将两个信号看作具有任意振幅和任意相位差的正弦波，每个信号可以如下表示：

V_左＝V_基准＝Asinωt

V_右＝Bsin(ωt+φ)

在底部的PSD106，发生以下操作：

X′＝V_基准*(V_右)＝Asinωt*[Bsin(ωt+φ)]

X′＝1/2AB[cosφ-cos(2ωt+φ)]

这个信号具有DC电压分量和频率为二倍的AC分量，低通滤波器(LPF)108去除AC分量，而留下：

X＝1/2ABcosφ

在顶部PSD106，发生以下操作：

Y′＝Acosωt*[Bsin(ωt+φ)]

由于cosωt＝sin(ωt+90°)，而具有一个余弦乘法器：

Y′＝1/2ABsinφ+1/2ABsin(2ωt+φ)

同样，具有一个带有AC和DC分量的信号，该信号在穿过LPF108之后，形成以下结果：

Y＝1/2ABsinφ

从方程式1和2计算模R和相位角φ，得到：

R＝1AB    以及

0＝φ

这些计算可以通过任何适宜的数字或模拟处理装置120执行，矢量相位正比于质量流。

根据本发明实施例的另一方法需要双通道锁定放大器，其带有基准信号和由一个位移计50提供的输入信号以及由另一个位移计50提供的第二输入信号。

然后，两个输入信号之间的差相对基准信号进行测量。所产生的来自锁定放大器输出的相位输出与流量成比例。图7是双通道锁定放大器54的功能示意图。信号以与图6相同的方式流动，并具有与图6相同的定义。左输入100也用作基准信号。如前面一样，正弦输出103为驱动信号，与左输入100信号相位锁定。在这种情况下，左输入100信号被从右输入102信号中减去，并在两个相敏检测器(PSDS)106中与左/基准输入100信号及其90°相移信号104混合。内部功能与图6中的锁定放大器52中的相同。

以下推导可以用于确定来自锁定放大器54的输出和来自位移计52的输入之间的关系。任何适宜的数字或模拟处理装置120可以用于进行该计算。

将两个信号看作具有任意振幅和任意相位差的正弦波，每个信号可以如下地表示：

V_左＝V_基准＝Asinωt

V_右＝Bsin(ωt+φ)

在这种情况下，低噪声差动放大器114的输出为V_左-V_右。

在底部PSD106，发生以下运算：

X′＝V_左(V_基准-V_右)＝Asinωt[Asin(ωt+Bsin(ωt+φ)]

X′＝1/2A²[1-cos2ωt]-1/2AB[cosφ+cos(2ωt+φ)]

该信号具有DC电压分量和二倍频率的AC分量。低通滤波器(LPF)108滤掉AC分量，而留下：

X＝1/2A²-(-1/2ABcosφ)

在顶部PSD106，发生以下运算：

Y′＝1/2Acosωt[Asinωt-Bsin(ωt+φ)]

由于cosωt＝sin(ωt+90°)，而得到余弦乘法器：

Y′＝1/2A²sin2ωt-1/2Absinφ-1/2Absin(2ωt+φ)

同样，得到具有AC和DC分量的信号，该信号在通过LPF后，得到以下结果：

Y＝-1/2ABsinφ

由方程式1和2计算模R和相位角φ，得到

$R=1/2A\sqrt{A^2+B^2-2\mathrm{AB}\cos \mathrm{\φ}}$ 以及

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{B\sin \mathrm{\φ}}{B\cos \mathrm{\φ}-A}\right)$

0不再是相位角，但是为相位角和左和右输入信号的模的反正切函数。这个方程的分析表明0是0的强函数，实际上，输入信号的相对振幅可以控制这个函数的强度。这可以从图8所示的曲线中示出，在图8的曲线中，A和B分别为左和右信号的振幅。随着振幅更接近匹配，对锁定放大器输出0的灵敏度更高。即使对于匹配在2％之内的振幅，0对0的灵敏度接近于标准锁定放大器结构的100倍。

图9是双锁定放大器56的功能示意图，通过该放大器，实现根据本发明的用于测量克里奥利力所导致的相移的另一示例性方法。信号与上述相同的方式移动并具有相同的定义。左输入100也用作基准信号，如前面一样，正弦输出103为驱动信号，与左输入100信号相位锁定。在这种情况下，在顶部锁定放大器58内的两个相敏检测器(PSD)106中，左输入100信号与其本身及其90°相移信号混合，在底部锁定放大器60内的两个相敏检测器(PSD)106中，右输入102信号与左输入100信号以及其90°相移信号混合。来自非相移PSD106和相移PSD106的成对输出在两个低噪声差动放大器114中差分，信号的DC分量通过低通滤波器108给出通常的锁定放大器输出。可以通过任何适宜的数字或模拟处理装置120执行的该算法与参照图7所描述的方法中的相同，但是操作所发生的顺序不同。在图7的双通道锁定技术中，两个具有非常小差异的高电平信号相减，然后低电平信号与高电平信号相乘，这会在模拟电路中引入噪声或在数字电路中引入舍入误差。在图9的双锁定技术中，高电平信号首先被倍乘，并产生振幅相近的信号，然后该信号相减，形成具有低噪声的输出。

锁定放大器的使用相对于测量埋藏在更大振幅的噪声中的低电平信号来说是更显著的。锁定放大器通过作用为极窄的带通滤波器而实现这一目的。信号和噪声被基准正弦和余弦波倍乘，然后通过低通滤波器滤掉基准信号。倍乘/滤波操作的结果为代表复矢量(x+iy)的DC信号。基准频率和所关注的信号之间的相位差可以通过atan(y/x)确定。

在测量科里奥利力方面，两个相同频率的信号之间的相位差是所关注的，这可以利用双锁定放大器实现，每个锁定放大器由如图10所示的相同的基准频率驱动。在图10所示的功能示意图中，左和右输入信号100、102被基准频率发生器144所提供的基准正弦和余弦波倍乘，在PSD106中，输入信号100、102与正弦和余弦信号混合，然后通过第五阶贝塞尔IIR低通滤波器148，如参照图6、7和9所描述的。上述的倍乘/滤波处理在左和右输入信号100、102上进行，形成每个信号相对于基准频率的相差输出X、Y。两个输出信号X、Y的差表示两个输入信号100、102之间的相差，在科里奥利质量流情况下，这个相差代表质量流152的指标。

当利用锁定放大器测量与科里奥利质量流相关的极小相差时，需要调节基准频率以匹配所关注的信号。如果基准信号不是非常接近所关注的信号，在低通滤波器148的输出处将出现非常低频的AC信号。科里奥利传感器的频率随着质量流、温度、密度和压力改变，进一步使测量过程复杂。

基准频率可以通过处理来自一个输入信号100、102的输出矢量予以精确调节，首先，计算出输出矢量的导数。这可以通过计算两个连续的输出矢量之间的复数差来实现。然后，原始的输出矢量旋转90度，并计算这个矢量与该导数的点积，形成误差信号150，这个信号被送到基准频率发生器144。如果基准频率需要向下调节、向上调节或保持不变，误差信号150分别为负、正或零。

基准频率的调节量取决于相位测量的精度，但一般地是，调节越精细，通过计算多个输出样本上的标准偏差所确定的精度越好。然而，如果在信号频率中存在这种步长变化，使得基准频率发生器144需要过长的时间达到所需的频率，那么基准频率的精细调节(小步长变化)将是不利的。如果信号频率经历经常的步长变化，PID或自适应算法可以用于以更积极响应方式调节基准频率。

在替换的实施例中，电容性位移探针50可以安装到压电致动器上，该致动器首先将在三个方向上与电容性位移探针50对齐。此外，当与在此描述的双通道锁定放大器或双锁定放大器方法一同使用时，压电致动器可以动态调节流量传感器的灵敏度，从而提供更宽范围的操作。

这种动态定位提供了对制造变化性的补偿，尤其是流量传感器管相对于电容性位移探针的定位。动态定位也提供了对由于各个部件的相对热膨胀所造成的尺寸漂移的补偿。通过与双通道锁定放大器和双锁定放大器的结合使用，动态定位使两个位移信号紧密匹配，以对流量提供可调节的灵敏度。较低的灵敏度将用于大流量状态，而较高灵敏度将用于持续的小流量状态，由此增大了流量测量的动态范围。

本发明的实施例另外提供了一种改进的电容性测量技术，具体地说，电容性位移探针的新颖的几何形状。一般，目标的位移被测量为垂直于电容性位移探针的距离。该位移也可以被测量为与电容性探针相切的位移。参照图11，这可以通过以下来实现，即，并排放置两个板130，且两个板130之间留有均匀的间隙132，该间隙132在与运动(如箭头136所示)相切的平面内靠近传感器导管134放置，如图11所示。在一个实施例中，板130处于相同的电势，而传感器导管134为地电势。传感器导管134直接定位于板130之间的间隙132上，且所预料的运动136垂直于间隙132，从而，传感器导管134的循环运动将使导管134与另一个板130相比更靠近一个板130。在每个板130和传感器管134之间的相对电容被测量，由于传感器导管134在一个板130或另一个板上运动，起电容作用的面积大小将改变，从而测得相对电容。

一种变动的构造具有沿对角线穿过传感器导管134的间隙132，如图12所示。这允许传感器导管134在板130的平面之上不太精确地放置。与平行间隙132相比，传感器导管134的未对准在信号中将产生较小的不匹配。

另一实施例具有锯齿图案的间隙132，如图13所示。这相对对角线间隙132的改进在于传感器导管134相对于间隙132的角误差(angularmisalignment)，无论是平行的或对角线上的，将在两个板130之间的电容变化率上产生差异，这将在两个信号的相位中引入一个不期望的变化。锯齿图案将平均传感器导管134的任何角误差，提供更对称的信号。

图14、15和16示出根据本发明实施例的示例性的小流量科里奥利质量流控制器200。科里奥利质量流控制器200包括流量传感器部分202和流量控制部分204。相对质量流控制器200的内部或外部的处理器接收设定点、或理想的质量流的指标。设定点值与流量传感器部分202所指示的实际质量流相比较，从而产生误差值。流量控制部分204包括阀，该阀被操纵以调节流速，并使误差最小。对于掌握本公开文本的益处的本领域技术人员来说，特定控制方案的实现是常规工作，并因此在此不详细解释这种实现。

由外壳205围绕的流量传感器部分202包括弯成环形的传感器导管206，驱动装置208，和两个位于传感器导管相对侧的拾取传感器210，他们测量传感器导管206一侧的位移。

在现有的科里奥利装置中，传感器一般封闭在焊接的金属壳体中。壳体中的传感器导管也已经通过导线固定到其位移或速度传感器上，导线通过引线(feed through)连接到壳体外侧的电路上。在这种装置中的传感器导管相对较大，并具有大约100Hz的共振频率。对于较小的传感器导管，如在本发明实施例中的那样的，共振频率稍高，在200Hz左右或更大。由于频率增大，由于传感器外壳内侧的大气环境而产生增大的粘滞阻尼效应。通过将外壳抽真空，并在外壳内侧利用真空亲和材料，可以减小甚至消除粘滞阻尼。因此，在所示的示例性实施例中，传感器导管206位于真空传感器壳体207内。

传感器导管206被设计成可以垂直于连接传感器环形的支腿的线弹性弯曲。这个环形足够宽以允许围绕环形的中心线弹性扭曲。为了测量小流量的科里奥利力，传感器导管206的质量要最小化。由于导管要小并要能够将流体保持在扩大的压力下，因此导管的尺寸是关键的。由于与导管206的任何接触或施加到导管206上的任何质量都会抑制科里奥利力，因此，拾取传感器210优选地是非接触的。

拾取传感器技术可以包括电容性的、磁性的、压阻的、和光学的。压阻应变计位移传感器接触导管、但在位移最小而应力最大的环形的底部。这对于导管的振动影响最小。光学技术包括各种激光和白光干涉仪测量技术、三角测量技术、多重内反射及光束振荡技术。磁性位移技术包括霍尔效应、涡旋电流、可变磁阻和磁阻技术。

电容性拾取传感器技术由于其具有测量导管位移所需的灵敏度、其是非接触的、并且不会受到磁性驱动装置的影响而用在所示的实施例中。电容性拾取传感器210分别包括至少一个导电板300，导电板连接到给定的电势上并位于流量传感器导管206附近，以便在它们之间限定一间隙。流量传感器导管206连接到与导电板300不同的电势上，导电板300和流量传感器导管206之间的电容由于导电板300和流量传感器导管206在流量传感器导管206振动时的相对运动而变化。

在所示实施例中，导电板包括第一和第二板，如上面参照图11-13所描述的。在所示的特定实施例中，采用如图13所示的锯齿形板。电容性拾取传感器208组装成一体的传感器块301，其尺寸确定为可以以外壳207的后壁为尺寸基准、通过压销(press pin)302配装到传感器外壳207中。电容性拾取传感器210的导电板300在多层印刷版上制造，从而提供一个使寄生电容最小的保护层和用于焊接到传感器块301上的后接触层。由于电容性拾取传感器210需要在真空中工作，在所示实施例中采用了低释气材料。标准的玻璃纤维材料不是真空亲和的，理想的材料特性包括：它是真空亲和的、可焊接、可以用低释气粘接剂粘接到多层中，并且其具有较低的介电常数，以用于简单的保护层结构。在特定实施例中，使用了商用的DRUOID。

包含电容性拾取传感器208的传感器块301可以调节成与传感器导管206间隔最佳，这是利用电子放电加工的铰接板实现的。锥形设置的螺钉将间隙散开，以实现电容性拾取传感器的线性和角运动。此外，电容性拾取传感器的导电板300包括接触焊点，他们允许导线焊接或导线粘接到传感器块前部上的印刷电路板303上，以将电容性拾取传感器210与气密密封的电接头互联，该电接头与传感器外壳207外侧的电容位移电路对接。

驱动装置208将导管206驱动成弯曲模式振动，使其振动。在所示实施例中，驱动装置208由焊接到传感器导管206上的小磁铁304和交替地推和拉磁铁304的小电磁线圈306构成。在图16所示的实施例中，使用非稀土磁铁，更具体地说镀镍钐钴磁铁。钐钴磁铁具有良好的磁性强度对重量的比率。在这个实施例中，磁铁重量大约为20mg。磁铁304位于传感器导管206的顶部、中央，从而磁极平行于导管的优选位移方向指向。

线圈306位于传感器外壳207外侧，连接到电路板209上。传感器外壳207是非磁性的，因此可被磁场穿透。线圈306为与环形结构相反的开口线圈形式。在这个实施例中，线圈306为额定至少为1mH的商用的功率电感器。线圈306的中心轴垂直于磁铁304的表面对齐，传感器导管206利用来自一个电容性拾取传感器的信号驱动成共振，该信号通过锁相环(PLL)功能反馈到线圈驱动电路中。该功能可以作为一个电路实现或在软件中实现。

传感器导管206安装到底部212上，底部212限定了流入口214和流出口216，从而从入口、通过流量传感器导管206、通过流量控制部分204、并通过传感器流出口216提供了流动通道。流量控制部分202包括仪表主体222，该仪表主体222带有在其中定位的阀门线圈228和线圈盖230。阀杆232和柱塞234位于阀门线圈228之内，而阀门主体236与仪表主体222通过它们之间的密封件238连接。阀座240、弹簧242和小孔244定位在阀门主体236之内。终端224、225位于流量控制部分204的任一端上，且在仪表主体222和终端224之间、以及阀门主体236和终端225之间提供密封件226。在一个实施例中，密封件226包括电化成型的镍密封。

在示例性实施例中，科里奥利质量流控制器200以如下方式组装。仪表主体222和传感器外壳207、以及底板310、中心立柱312和传感器导管206组装到一起并通过夹具固定到位，夹具使传感器导管206尺寸参照传感器外壳207的壁。剩余部分通过压销330标记(index)。然后，这些零件铜焊成单独一个单元。磁铁304焊接到传感器导管206上，组装传感器块301并利用压销302安装到传感器外壳207中。压销302穿过传感器外壳207的后部大约0.5mm。气密密封的接头320压入传感器外壳207的后部开口322中。传感器块压销302和气密密封的接头320激光焊接到一起以提供真空密封的密封件。盖324在真空环境中放置到传感器外壳207的前侧上，并电子束焊接到位，提供了一个真空密闭环境。

然后，剩余的阀门部件和终端224、225与仪表主体222组装。可以使用电化成型的镍密封件226，为了标定目的，也可以使用弹性O形圈，然后用镍密封件替换。电路组装并安装到完整的组件中。O形圈332安装到底板310上，而外壳205向下压到O形圈密封件332上。底板310上的凸轮闭锁装置旋转而向下闭锁外壳205。O形圈334安装到电路帽336上，而电路帽336位于用户接口接头338之上，电路帽336压入外壳205上的位置处，而实现O形圈密封。然后测试和标定所组装的质量流控制器200。

示例性的科里奥利质量流控制器200具有模块化的结构，这提供了诸多优点。如上所述，电路封装被设计成在流动体(外壳205的下端和底板310之间)和用户接口帽(在外壳205的上端和电路帽336之间)处形成O形圈密封。电路帽336连接到科里奥利质量流控制器200内部的用户接口板340上，该接口板也连接到探测和控制电路上。电路帽336和用户接口板340一同限定了用户电路的接口。这允许根据用户的需要灵活构造接口，而不必为了每种用户构造而设计不同的探测和控制电路及外壳。

用户接口帽的变形例如具有密封件和导线管，以提供与IP-65/NEMA4X兼容的装置。这种装置400的示例在图18中示出。相比较，图14-16所示的实施例包括连接到用户接口板340上的接头342。如图18所示，电路帽337伸长，而提供了用于特殊需要所需的附加部件的空间。

O形圈密封的外壳205的另一特征为它提供了三重流体密封度，传感器导管206为初级流体密封度，而传感器外壳207提供次级密封度。

在被控制的流体中具有气泡的情况下，在传统阀门中围绕柱塞的环形开口限制气泡通过，而到达阀门的出口。气泡将在环形开口的入口处聚集到限制液体流动并丧失流量控制的程度。如果环形开口扩大，柱塞距阀门线圈增大的间隙将减弱磁路中的场强，从而减小为了克服流体产生的液力而开启或关闭阀门而可以实现的有效的力。从而，在所示的科里奥利质量流控制器200中，圆孔246通过柱塞234，圆孔246与气泡的形状和尺寸相适应，允许气泡更自由地通过阀门，这使由气泡导致的限流最小，通过柱塞234的中心的孔246使得对磁路的影响最小，从而保持了克液力而开启和关闭阀门的力。

通过典型的现有阀门，阀柱塞具有由一些可变形材料制成的捕获座(captive seat)，当压到小孔的棱面上时，将形成抵抗流动的密封。在常闭、螺线管型阀的情况下，相对捕获座的力由弹簧产生，该力被平衡，从而螺线管作用从小孔表面上提升捕获座。在常开螺线管型阀的情况下，相对捕获座的力由螺线管作用产生，该力被平衡，从而当磁场去除时，弹簧从小孔上将捕获座提升。捕获座的材料可以是弹性体的、塑料的或双金属的。

一般优选地是使弹性变形替代塑性变形，从而该密封是可以重复的。另外，较硬的材料可以用于阀座和棱边，但制造成包括在阀座和棱边之间高度匹配的表面的非常紧密的公差。这是一种高成本的方法。阀座和棱边之间的空间对于阀的工作来说是关键的，这是由于在柱塞上的磁力与位移并不是线性的。在常开阀的情况下，柱塞的正常位置以及由此的阀座相对于棱边的正常位置需要优化，以便在阀座相对于棱边移动时提供最大的力，同时在开启位置允许最大流量。在常闭阀中，阀座相对棱边的力由弹簧提供，弹簧力需要足够大以抵抗液力而关闭(阀)，同时也要最小，以允许磁力从棱边上提升阀座足够大的距离，来形成最大流量。

现有装置可以利用各种装置来调节阀座和棱边之间的空间，包括在阀座或棱边之下放置薄垫片，或在小孔部件中具有可螺纹调节的螺钉。然而，如图17A所示，在小孔中的典型的螺纹调节装置在小孔主体250和阀门主体252之间不密封，在螺纹256之间留出泄漏路径254。这种螺纹调节装置需要螺纹256被密封以阻止流体泄漏，单独的密封，如O形圈或垫圈可以提供这种密封。

根据本发明的各方面，小孔244和/或棱边由塑料材料，如VESPEL^制成，该材料可加工成具有精确小孔的螺纹部件。如图17B中所示的示例性实施例所描述的，螺纹256超过尺寸地加工，以便在小孔主体250和阀门主体252之间存在过盈配合258，从而形成密封，并消除了对单独密封件(O形圈或垫圈)的需要。现在，小孔棱边成为可变形元件，简化了阀门240和柱塞234的设计和制造(参照图15和16)。

然而，本发明不必要限制于任何特定的阀柱塞结构。在变动实施例中，泵用于替代阀门。例如，计量泵可以用于流体控制目的。尤其是，可以采用包括多个压电导管部分的压电泵。压电导管部分以如下方式控制，即，导致不同的导管部分收缩或扩张，从而使流体流动按所需要加以控制。

上面公开的特定实施例仅为说明性的，这是由于本发明可以以不同但对掌握在此教导的益处的本领域技术人员来说是等效的方式修改和实施。此外，除了在下面的权利要求书中所述的之外，不期望对在此所示的结构或涉及的细节加以任何限制。因此，明显可以看出上面公开的特定实施例可以改变或修改，所有变动被认为是在本发明的范围和精髓内。于是，在此所寻求的保护范围在以下的权利要求书中陈述。

Claims (18)

1.一种质量流测量装置，包括：

流量传感器导管；

其中定位有流量传感器导管的壳体；

位于壳体外侧的驱动装置，以用于振动流量传感器导管；以及

至少一个拾取传感器，其相对于流量传感器导管定位，以便测量在流量传感器导管中由科里奥利力导致的扭曲。

2.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于，至少一个拾取传感器位于壳体内。

3.如权利要求1所述的质量流测量装置，还包括耦合到流量传感器导管上的磁铁，其中驱动装置包括电磁线圈。

4.如权利要求3所述的质量流测量装置，其特征在于，电磁线圈包括功率电感器。

5.如权利要求3所述的质量流测量装置，其特征在于，磁铁包括非稀土磁铁。

6.如权利要求5所述的质量流测量装置，其特征在于，磁铁包括镀镍的钐钴磁铁。

7.如权利要求1所述的质量流测量装置，其特征在于，该拾取传感器包括一电容性拾取传感器，该电容性拾取传感器包括：

嵌入多层印刷电路板中的第一和第二导电板，该多层印刷电路板包括保护层和可焊接到传感器块上的背层，该第一和第二电容板可连接到第一电位上，并适于靠近连接到第二电势上的流量传感器导管定位，从而在流量传感器导管和导电板之间限定一间隙，该第一和第二导电板定位在一普通表面；

从而，流量传感器导管与第一和第二导电板之间的电容分别由于流量传感器导管和第一和第二导电板在流量传感器导管振动时的相对运动而变化。

8.如权利要求7所述的质量流测量装置，其特征在于，流量传感器导管连接到地电势。

9.如权利要求7所述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二板在垂直于振动流量传感器导管的运动的平面内。

10.如权利要求7述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二板并排定位，从而在它们之间限定了一个间隙。

11.如权利要求10述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二板处于相同电势，并且流量传感器导管处于地电势。

12.如权利要求11述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二板大致为矩形的，并且该间隙大致平行于流量传感器导管延伸。

13.如权利要求11述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二板大致为三角形的，而间隙相对于流量传感器导管对角地延伸。

14.如权利要求5述的质量流测量装置，其特征在于，第一和第二板大致为锯齿形的，而间隙限定了一个大致为锯齿形的形状。

15.如权利要求1所述的质量流测量装置，包括

一用于接收壳体的外壳，该外壳具有第一和第二端；

一包括一入口和出口连接到该流量传感器导管的流动体；

第一密封元件，该元件相对于外壳第一端和流动体定位，以便流动体和第一端以密封方式连接；

用户接口组件；以及

第二密封元件，该元件相对于外壳第二端和用户接口组件定位，以便用户接口组件和第二端以密封方式连接。

16.如权利要求15所述的质量流测量装置，其特征在于，用户接口组件包括第一或第二用户接口组件，并且该第二密封元件被定位以使外壳第二端与第一或第二用户接口组件之一以密封方式连接。

17.如权利要求15所述的质量流测量装置，其特征在于，用户接口组件是兼容IP-65/NEMA4X的。

18.如权利要求15所述的质量流测量装置，还包括：

位于外壳内的传感器壳体；

位于传感器壳体内的流量传感器导管；

其中，流量传感器导管提供了第一流体密封度，而传感器壳体提供了第二流体密封度，流动体和第一端以及用户接口组件和第二端提供了第三流体密封度。

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