CN1188670C - 科里奥利氏质量流量/密度计的质量流率测量电路 - Google Patents

Abstract

科里奥利氏质量流量/密度计的质量流率测定电路，适用于振动频率为1千赫级的流管(4)。要测定的流体流经流管(4)。在流管(4)上安装电磁振动传感器(17、18)，这两个传感器之间相隔一定距离，并发送正弦传感器信号(X17、X18)。阻抗匹配装置(31、32)接收所述传感器信号的输入。中间转换器(35)的两个输入端联接于所述两个阻抗匹配装置的输出端。另两个阻抗匹配装置(33、34)由所述中间转换器的输出端馈送输入。低通滤波器(37、38)联接于所述另两个阻抗匹配装置的输出端。低通滤波器(37)的上截止频率与低通滤波器(38)的上截止频率之间相差大约10%到15%。零交叉探测器(39、40)由所述两个低通滤波器的输出端馈送输入。时间数字转换器(41)的开始和停止输入端分别联接于所述两个零交叉探测器的输出端。高频时钟脉冲发生器(42)的输出端联接于所述时间数字转换器的时钟输入端，微型处理机(43)根据所述时间数字转换器的输出信号和计示校准因数的信号(k)生成计示质量流率的信号(q)。

Description

科里奥利氏质量流量/密度计 的质量流率测量电路

技术领域

本发明涉及科里奥利氏质量流量/密度计的质量流率测量电路。

背景技术

众所周知科里奥利氏质量流量/密度计至少有一根在流体流经它时振动的弯的或直的流管。下面会参照图1详细说明。

通常在流管上要安装至少一个振动器和至少两个振动传感器，振动传感器设成沿流体流动方向相互隔开一定距离。流管一般以其材料和尺寸所预定的机械共振频率振动，但随流体的密度而变化。在其他情况下，流管的振动频率并不严格地就是流管的机械共振频率，而是接近这一频率的频率。

这些振动传感器发送与流管的振动频率相等的频率的正弦信号或脉冲信号，而且在流体流经流管时，发送这些信号的时间不一，就是说，其间存在相位差。从这一相位差中可以得到时间差信号，例如，代计脉冲传感器信号边缘之间或正弦传感器信号的零交叉之间时间差的信号，这种时间差是与质量流率成正比的。

美国专利4,911,006号公开了一种科里奥利氏质量流量/密度计的质量流率测量电路，包含具有两根其中流着需测量的流体的平行的U形流管的质量流量传感器，所述两根平行的U形流管：

-在运行中以决定于其材料和尺寸但随流体的密度而发生变化的频率振动，所述频率等于或接近流管的瞬时机械共振频率；

-在其上面沿流体流动方向一定距离上设有第一和第二电磁振动传感器，这两个传感器发送正弦的第一和正弦的第二传感器信号；

-还设有一个振动器，

所述测量电路包括：

-一个具有接收第一传感器信号的第一输入端和接收第二传感器信号的第二输入端的中间转换器；

-分别接收中间转换器的第一和第二输出的信号的第一和第二减震器，而且每个减震器都有一个输出端；

-输入端分别与第一、第二减震器的输出端连接的第一和第二零交叉探测器，而且每个探测器都有一个输出端；

-输入端与第一和第二零交叉探测器的输出端连接的第一按时探测器；

-一个其输入端与第一和第二零交叉探测器的输出端连接的异或门，而且它也有一个输出端；

-一个具有一个输出端的50兆赫振荡器；

-一个与门，它有与所述振荡器的输出端连接的第一输入端和与所述异或门的输出端连接的第二输入端；

-一个具有一个记数输出端和一个连接于与门输出端的脉冲输入端的计数器；

-一个根据记数生成计示质量流率的微型处理机。

现有技术的这种测量电路仅适用于带上面提到的U形流管的质量流量传感器，其流管，如上述50兆赫振荡器所计明的那样，大纺50-100赫兹的频率振动。这种振荡器的振荡周期为20毫微妙；这一周期用作测量时间差的基本单位；所以这种测量的分辨率也是20毫微妙。这对于50-100赫兹情况下的时间差是足够的。

对于以更高频率振动的流管特别是用振动频率为800赫至1500赫的直的流管的质量流量传感器而言，现有技术的这种测量电路是不适用的。本专业普通技术人员都可能想到简单地提高50兆赫振荡器的频率，但这会导致频率达到1千兆赫级。实施这种振荡器会要求使用与电路其余部分所必需的低频电路技术不兼容的超高频电路技术。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种也适用于使用在1千赫级频率振动的流管的质量流量传感器的科里奥利氏质量流量/密度计的质量流率测量电路。而且，关于必要的电路技术，特别是就上述第一按时探测器而论，这种测量电路要更简单些。

为了达到这一目的，本发明提供一种科里奥利氏质量流量/密度计的质量流率测量电路，所述的科里奥利质量流量/密度计包括一个质量传感器，所述的质量传感器包含至少具有一根待测量的流体在其内流动的流管，所述的流管在运行中以其材料和尺寸决定的频率振动，但此频率由于流体的密度的不同而变化，所述频率等于或接近流管的瞬时机械共振频率，所述的流管上面安装了第一和第二电磁振动传感器，其位置在流体流动方向上相互隔一定距离，这两个传感器分别输出正弦的第一和正弦的第二传感器信号，所述的流管还设有一个振动器，和所述的流管外面套了一个支承框或一根支承管，

所述测量电路包括：

一个第一阻抗匹配装置，第一传感器信号输入所述的第一阻抗匹配装置，所述的第一阻抗匹配装置有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端；

一个第二阻抗匹配装置，第二传感器信号输入所述的第二阻抗匹配装置，所述的第二阻抗匹配装置有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端；

一个中间转换器，所述的中间转换器有与第一阻抗匹配装置的输出端相连接的一个第一输入端，和与第二阻抗匹配装置的输出端相连接的一个第二输入端；

一个第三阻抗匹配装置，接收所述的中间转换器的一个第一输出端的馈送信号，所述的第三阻抗匹配装置具有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端，

一个第四阻抗匹配装置，接收所述的中间转换器的一个第二输出端的馈送信号，所述的第四阻抗匹配装置具有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端，

一个第一低通滤波器，具有与所述的第三阻抗匹配装置的输出端连接的一个输入端，所述的第一低通滤波器还有一个输出端、一个通带和一个上截止频率，和

一个第二低通滤波器，具有与所述的第四阻抗匹配装置的输出端连接的一个输入端，所述的第二低通滤波器还有一个输出端、一个通带和一个上截止频率，所述的第一低通滤波器的上截止频率与所述的第二低通滤波器的上截止频率相差10％-15％，和所述的第一低通滤波器和所述的第二低通滤波器的通带至少覆盖运行中发生的频率值；

一个第一零交叉探测器，接收所述的第一低通滤波器的输出，所述的第一零交叉探测器有一个输出端，和

一个第二零交叉探测器，接收所述的第二低通滤波器的输出，所述的第二零交叉探测器有一个输出端；

一个时间—数字转换器，有一个开始输入端，一个停止输入端，和一个时钟输入端和传送一个数字信号，所述的开始输入端与第一零交叉探测器的输出端连接，和所述的停止输入端和所述的第二零交叉探测器的输出端连接；

一个高频时钟脉冲发生器，具有与所述的时间—数字转换器的一个时钟输入端连接的一个输出端；和

一个微处理机，所述的微处理机根据数字信号和计算校准因数的信号生成计算质量流率的信号并控制中间转换器的转换。

本发明的一个优点是上面提到的异或门和上面提到的第一按时探测器为两个通带滤波器所代替。另一个优点是与上述50兆赫振动器的频率提高到1千兆赫级的频率有关的问题由于使用时间数字转换器而不复存在。例如，假如频率记录为50兆赫，这种时间数字转换器的时间分辨率一般为100皮秒。

附图说明

结合附图阅读下面的实施例的说明，本发明及其他优点会更明显。附图中：

图1是有一根流管的质量流量计的质量流量传感器的部分剖切的正视图。

图2是根据使用于例如图1的质量流量计的本发明测量电路的方框图。

具体实施方式

参看图1，图中显示了适用于实现本发明方法的科里奥利氏质量流量计的质量流量传感器1的部分剖切的正视图，所述传感器用例如法兰2、3安装于具有一定直径的待测量的液态、气态或汽态流体流经其中的管子(为简化绘图未示出)中。也可以不使用法兰，而使用诸如三点夹具(Triclamp)或螺钉之类的连接用具把质量流量传感器1连接到所述管子上。

图1的质量流量传感器1有一根直的流管4，其流体进口端，例如，通过流体进口端板13连接到法兰2上，其流体出口端，例如通过流体出口端板连接到法兰3上。流管4与端板13、14之间是紧配合，特别是，例如用高温焊接、低温焊接或辊压方法完成的真空紧配合。见美国专利5,610,342号。

本发明的测量电路也可以用于根据1999年4月1日申请的先前的美国专利申请号09/283,401号的夹紧式科里奥利氏质量流量传感器或者用于美国专利6,006,609号说明的只有一根具有悬臂的流管的质量流量传感器。科里奥利氏质量流量/密度计可不用单一的直的流管，而用一根在一个平面内的弯流管，诸如圆扇形流管，例如美国专利5,705,754号所说明的那一种。

也可以用两根或两根以上的直流管，特别是两根直流管，如美国专利4,793,191号所说明的那样，或者用两根或两根以上的弯流管，特别是两根弯流管，如美国专利4,127,028号所说明的那样。

此外，本发明的测量电路还可以用于美国专利5,531,126号所说明的有一根流管和一根仿真管的质量流量传感器。最后，本发明的测量电路还可以用于美国专利5,557,973号或美国专利5,675,093号所说明的其质量流量传感器至少有一根螺旋形流管的质量流量/密度计。

在图1中，法兰2、3和端板13、14用螺钉固定在支承管15上或支承管15中，螺钉中的一个5在图的右上方剖视部分完全可见。在支承管15和法兰2、3之间也可不用螺钉连接而用其他适用的机械连接装置。

端板13、14可以用紧配合的方式，特别是以真空紧配合的方式高温或低温焊接于支承管15的内壁上。然而，也可把支承管15和端板13、14制成一个零件。不用支承管15，也可使用支承框。

作为激励流管4进入振动，特别是进入共振，优选地是进入弯曲共振的装置，振动器16特别是一个电磁振动器配置于法兰2、3和端板13、14的中间以及支承管15和流管4之间的空间内。振动器包括固定于支承管15的线圈162和安装于流管4上并在所述线圈内往复运动的永久磁铁161。

在图1中，振动器16激励流管4在纸平面内作弯曲振动，从而由于在流管4内有流体流动，就在此平面内产生科里奥利力，使流管4的进口侧断面和出口侧断面之间有时间差和相移。

而且，探测流管4振动的第一和第二振动传感器17、18配置于流管4和支承管15之间的空间里。振动传感器17安装在端板13和振动器16之间，振动传感器18则安装在端板14和振动器16之间；这两个传感器的位置最好距振动器16，即距流管4的中央，同样距离。

在图1中，振动传感器17、18是电磁传感器，每个传感器分别包含一个固定于支承管15上的线圈172、182和一块固定于流管4并在各自的线圈内往复运动的永久磁铁171、181。振动传感器17和18分别产生第一正弦传感器信号X₁₇和第二正弦传感器信号X₁₈。

在端板13上安装了一个传送计示流管4当时温度的温度信号X₁₉的温度传感器19。温度传感器19最好设置，例如，一个以粘合剂固定于端板13的铂电阻元件。也可以在支承管15上安装一个温度传感器。

在图1中，还显示了一个固定于支承管15并尤其是起到保护连接振动器16和振动传感器17、18的电线头作用的壳21。为了简化绘图这些线头没有显示。

壳21有一个颈状过渡部22，在其上固定了一个容纳质量流量/密度计的测量和运行电路的电子仪器罩23(仅部分显示)。

如果过渡部22和电子仪器罩23有碍于支承管15的振动，也可将其与质量流量传感器分开。在这种情况下，电子仪器与质量流量传感器以电缆连接。

图2是使用上述各种设计的本发明流管的质量流量/密度计的测量电路的方框图。所述测量电路包含输入第一传感器信号X₁₇的第一阻抗匹配装置31和输入第二传感器信号X₁₈的第二阻抗匹配装置32。这两个阻抗匹配装置31、32各有一个甚高输入电阻、一个低输出电阻和一个输出端。

中间转换器35的第一输入端与阻抗匹配装置31的输出端连接，第二输入端与阻抗匹配装置32的输出端连接。第三阻抗匹配装置33接收中间转换器35的第一输出端的馈送信号，第四阻抗匹配装置34接收接收中间转换器35的第二输出端的馈送信号。这两个阻抗匹配装置33、34各有一个甚高输入电阻、一个低输出电阻和一个输出端。

在中间转换器35的第一位置，其第一和第二输入端分别与其第一和第二输出端连接；在第二位置，其第一输入端与其第二输出端连接，其第二输入端与第一输出端连接。

第一低通滤波器37的输入端与阻抗匹配装置33的输出端连接，第二低通滤波器38的输入端与阻抗匹配装置34的输出端连接。低通滤波器37、38各有一个输出端、一个上截止频率和一个通带。

低通滤波器37的上截止频率与低通滤波器38的上截止频率相差大约10％到15％，最好，滤波器37的上截止频率比滤波器38的高出此数值。这两个低通滤波器37、38的通带宽度至少要能覆盖流管4运行中振动频率的值。在质量流量传感器设一根直的流管并根据流体的类型和密度以800赫兹到1.3千赫的频率振动的情况下，低通滤波器37的上截止频率是1.7千赫，低通滤波器38的上截止频率是1.5千赫，因而，各自的通带宽度分别为0赫兹到1.7千赫和0赫兹到1.5千赫。

中间转换器35的转换电路一般由有源电子元件，例如，晶体管，特别是绝缘栅场效应晶体管实现的。这些元件都有不可忽视的开态电阻，其值由于制造上的不同在各个转换电路是不相同的。两个阻抗匹配装置33、34防止这种开态电阻分别加进低通滤波器37、38的输入电阻。

第一零交叉探测器39有一个输出端并接收低通滤波器37的输出端的馈送。第二零交叉探测器40有一个输出端并接收低通滤波器38的输出端的馈送。时间数字转换器41的开始输入端与零交叉探测器39的输出端连接，时间数字转换器41的停止输入端与零交叉探测器40的输出端连接。高频时钟脉冲发生器42向时间数字转换器41馈送时钟脉冲输入。

时间数字转换器与模拟数字转换器相比毫不逊色，允许时间差(代替使用模拟数字转换器情况下的模拟信号)以很高的分辨率转换为数字信号。商业上可以购得的时间数字转换器有，例如，TDC 10 000(制造厂家为德国慕尼黑的西门子)和TDC-GP 1(制造厂家为为德国卡尔斯鲁厄的acam-messelectronic gmbh)。对于本发明的测量电路要使用TDC-GP1。

因为任何测定时间的系统都只能测定确定的时间，所以在本说明书开始提到的电路包括第一按时探测器，它确定哪个传感器信号是先发出的。在本发明中，这无须决定，因为采取了措施保证与首先发生的传感器信号有关的开始信号总是出现于时间数字转换器41的开始输入端。

这是通过为低通滤波器37、38的上截止频率选择不同的值实现的。这样做导致两个低通滤波器处理的信号传播延迟不同，从而有低通滤波器37的输出信号和低通滤波器38的输出信号之间的传播延迟时间差δt_B。选定的传播延迟时间差δt_B要大到对于传感器信号X₁₇、X₁₈之间预期会发生的所有相移，特别是如果流体流动方向与优选方向相反，时间数字转换器41的开始输入端的信号总是先产生的。

这样做还产生了本发明的另一优点，无须向用户说明科里奥利氏质量流量/密度计的流向，因为该计在两种流向上都能正确测量。

在所述测量电路中，不仅在两个低通滤波器之间存在传播延迟时间差δt_B，还由于制造上的不同在各对类似的支电路中也有相应的传播延迟时间差：阻抗匹配装置33、34显现的传播延迟时间差δt_R，零交叉探测器39、40显现的传播延迟时间差δt_N。

因为传感器信号显现质量流率决定的传播延迟时间差δt_Q，在时间数字转换器41的开始输入端和停止输入端之间存在总传播延迟时间差δt_G：

              δt_G＝δt_B+δt_N+t_R+t_Q          (1)

由于中间转换器35的转换，此公式分为两个公式t_G1和t_G2，从而在一个转换位置，

              δt_G1＝δt_B+δt_N+δt_R+t_Q       (2)

在另一转换位置，

               δt_G2＝δt_B+δt_N+δt_R-δt_Q    (3)

中间转换器35转换位置后，在公式(3)里，δt_Q前面是减号；其他三项δt_B，δt_N，δt_R没有改变符号，因为它们不受转换的影响。

就阻抗匹配装置31、32而论，为了使传播延迟时间差降低到最小，把适当制造的元件，例如，模拟装置的运算放大器OP275用作阻抗匹配装置。

微型处理机43根据时间数字转换器41的数字信号生成计示质量流率的信号q，并控制中间转换器35的转换。

其过程如下：微型处理机43在时间数字转换器41的数字输出端连续出现数字信号的可以预定的数N期间把中间转换器置于一个位置。为了说明起见，假定这是处于公式(2)成立的位置，就是说，处于质量流率决定的传播延迟时间差δt_Q是正值的位置。微型处理机43把N数的信号累积于第一累积系列内，即把N数的信号加在一起。

此后，微型处理机43在时间数字转换器41的数字输出端连续出现N数外的信号期间把中间转换器35转换到另一位置。这时，公式(3)成立，在其中，质量流率决定的传播延迟时间差δt_Q是负值。微型处理机43把N数外的信号累积于第二累积系列内，即也把这些N数外的信号加在一起。

其次，从第一积累系列的和中减去第二积累系列的和，即，得出公式(2)和公式(3)的差：

          δt_G1-δt_G2＝δt_B+δt_N+δt_R+δt_Q

                         -δt_B-δt_N-δt_R+δt_Q

          δt_G1-δt_G2＝2δt_Q                     (4)

然后将所得的差除以2N。其商乘以计示校准因数的信号k，校准因数馈送到微型处理机43。所得到的积就是计示质量流率的信号q，此信号传输到输出端。应该注意零交叉探测器37、38在正到负和负到正的零交叉时都各自生成输出信号，特别是输出脉冲。因此，每个零交叉探测器在每个振动周期都发出两个输出信号。

微型处理机43控制时间数字转换器41的方法是使后者只处理正到负的零交叉或只处理负到正的零交叉或处理这两种零交叉。在后一种情况下，N必须是偶数。

虽然本发明是以图和前面的文字详细说明的，但应认为这些图和文字说明是示范性的而不是限制性的，应该理解只是举了一些示范性的实施例加以显示和说明，在本发明精神范围内的一切变化和修改都要求保护。

Claims (1)

1.一种科里奥利氏质量流量/密度计的质量流率测量电路，所述的科里奥利氏质量流量/密度计包括一个质量传感器，所述的质量传感器包含至少具有一根待测量的流体在其内流动的流管，所述的流管在运行中以其材料和尺寸决定的频率振动，但此频率由于流体的密度的不同而变化，所述频率等于或接近流管的瞬时机械共振频率，所述的流管上面安装了第一和第二电磁振动传感器，其位置在流体流动方向上相互隔一定距离，这两个传感器分别输出正弦的第一和正弦的第二传感器信号，所述的流管还设有一个振动器，和所述的流管外面套了一个支承框或一根支承管，

所述测量电路包括：

一个第一阻抗匹配装置，第一传感器信号输入所述的第一阻抗匹配装置，所述的第一阻抗匹配装置有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端；

一个第二阻抗匹配装置，第二传感器信号输入所述的第二阻抗匹配装置，所述的第二阻抗匹配装置有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端；

一个中间转换器，所述的中间转换器有与第一阻抗匹配装置的输出端相连接的一个第一输入端，和与第二阻抗匹配装置的输出端相连接的一个第二输入端；

一个第三阻抗匹配装置，接收所述的中间转换器的一个第一输出端的馈送信号，所述的第三阻抗匹配装置具有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端，

一个第四阻抗匹配装置，接收所述的中间转换器的一个第二输出端的馈送信号，所述的第四阻抗匹配装置具有一个有甚高输入电阻的输入端和一个有低输出电阻的输出端，

一个第一低通滤波器，具有与所述的第三阻抗匹配装置的输出端连接的一个输入端，所述的第一低通滤波器还有一个输出端、一个通带和一个上截止频率，和

一个第二低通滤波器，具有与所述的第四阻抗匹配装置的输出端连接的一个输入端，所述的第二低通滤波器还有一个输出端、一个通带和一个上截止频率，所述的第一低通滤波器的上截止频率与所述的第二低通滤波器的上截止频率相差10％-15％，和所述的第一低通滤波器和所述的第二低通滤波器的通带至少覆盖运行中发生的频率值；

一个第一零交叉探测器，接收所述的第一低通滤波器的输出，所述的第一零交叉探测器有一个输出端，和

一个第二零交叉探测器，接收所述的第二低通滤波器的输出，所述的第二零交叉探测器有一个输出端；

一个时间—数字转换器，有一个开始输入端，一个停止输入端，和一个时钟输入端和传送一个数字信号，所述的开始输入端与第一零交叉探测器的输出端连接，和所述的停止输入端和所述的第二零交叉探测器连接的输出端；

一个高频时钟脉冲发生器，具有与所述的时间—数字转换器的一个时钟输入端连接的一个输出端；和

一个微处理机，所述的微处理机根据数字信号和计算校准因数的信号生成计算质量流率的信号并控制中间转换器的转换。

Images