CN1244804C - 陀螺质量流量计 - Google Patents

Abstract

一种质量流量计具有第一实施例(1500)，它利用陀螺力来确定材料流的材料流信息。流管(400)的内部限定了一个螺旋状元件(300)，它使得流管内的材料流产生转动。驱动器产生的横向流管振动与给予材料流的转动一起在流管内产生周期性陀螺力。由陀螺力产生的流管偏转的幅值与材料流的幅值相关并进行测量以便确定材料流信息。流量计的第二实施例(1600)的功能是检测作用于振动流管上的科里奥利力并由所检测的科里奥利力产生材料流信息。基于科里奥利的材料流信息和基于陀螺的材料流信息都被加于相关的计量电子电路上，该计量电子电路使用这两组信息以便进行比较和差错检验以及用于其它目的如进行补偿。

Description

陀螺质量流量计

技术领域

本发明涉及一种流量计，特别是一种对振动流管内的材料流施加转动并测量所产生的陀螺力以便确定关于材料流的信息的流量计。

问题

质量流量计测量材料的质量流率，而非材料的体积流率。质量流率更为理想的原因是化学反应、处方、密闭输送以及许多其它应用场合中常常需要进行质量测量。另外，质量流量计的准确性不受材料密度、温度或粘度变化的影响。科里奥利效应质量流量计已经上市至少有二十年的时间。由于它们的准确性以及除了测量质量之外还能测量密度的能力，它们深受欢迎。然而，科里奥利流量计的高成本限制了市场对它们的接受能力。

在现有技术的单直管科里奥利质量流量计中，流管在两端处都连接在一根平行的平衡杆上。流管在谐振频率下相对于平衡杆在驱动平面内受到异相地振动。电磁驱动器维持着所需的振动幅值。流管和平衡杆彼此相互平衡以便建立一个动态平衡的结构。速度传感器位于沿流管的两个位置上以便测量流管和平衡杆的相对速度。速度传感器通常位于从流管的中点向上游及向下游距离相等的位置处。

振动流管对流管的上游和下游半部施加转动。转动与流管的振动方向一起停止和改变方向。流管的固定端为转动的枢轴点而流管的纵向中心为最大幅值点。通过流管的转动段的材料产生一个科里奥利力，该科里奥利力使流管发生变形并在速度传感器输出的信号之间产生一个相位延迟。速度传感器输出信号之间的相位延迟与材料的质量流率成比例。

现有技术的单直流管科里奥利质量流量计具有一根弯曲时非常坚硬的短直流管。高硬度导致流管振动的较高模式产生高频率。振动的驱动模式常常为具有最低频率的模式，第一弯曲模式。在这种模式下，流管和平衡杆都在驱动平面内彼此异相振动。这种振动模式的形状与振动的吉他弦的形状相同。最大振动幅值位于中心而节点(固定点)位于端部。驱动器使流管和平衡杆保持振动并且位于流管和平衡杆的中心。

对于直流管几何形状，科里奥利力使流管在第二弯曲模式的形状下弯曲。第二弯曲模式形似一个伸展的S，并且具有三个节点。两个节点位于流管端部而第三个节点位于中心。当流管在第二弯曲模式下振动时，流管的两个半部(位于中心驱动器的任一侧)看来似乎是彼此异相振动。第二弯曲模式的谐振频率几乎为第一弯曲模式的三倍。它具有高谐振频率的原因是流管非常坚硬因而难以使流管在第二模式的形状下弯曲。

科里奥利力在驱动频率(第一弯曲模式的谐振频率)下施加于流管上。假定流管为水平并且在第一弯曲模式下在垂直驱动平面内振动，则流管的科里奥利变形也位于驱动平面内并且具有第二弯曲模式的形状。如果材料从左向右流动并且流管中心在向下行进时经过零位移点，则流管的左半部上的科里奥利力沿向上方向，而流管的右半部上的科里奥利力沿向下方向。当流管在向上行进时经过零位移点时，科里奥利力的方向则相反。科里奥利力在驱动频率下以正弦曲线方式(相对于时间)施加于流管上。当流管速度处于其峰值时，科里奥利力处于其峰值，当流管速度随着改变方向而变为零时，科里奥利力为零。

科里奥利力使得流管在第二弯曲模式形状但在第一模式(驱动)频率下偏转。驱动频率远低于第二弯曲模式的谐振频率因此由于科里奥利力而产生的流管最大偏转非常低。科里奥利偏转的幅值可以与通过静态施加科里奥利力而产生的静态偏转相比。因此由于材料流而产生的科里奥利力不得不在远离第二弯曲谐振频率的频率(第一弯曲)下在非常坚硬的模式形状(第二弯曲)下使坚硬的流管发生变形。结果是流管产生极小的科里奥利偏转因而两个速度传感器所产生的信号之间的相位差非常小。由通过典型的量计的最大流率所产生的典型时间延迟(相位差除以频率)为10微秒。如果量计在最大流率的百分之十下误差不超过0.15％，则时间延迟的测量准确度不得不好于1.5纳秒(1.5×10^-9秒)。准确地测量如此小的时间增量需要非常精密昂贵的电子电路。

美国专利U.S.Patent No.5,557,973公开了一种安装于流体流经的管道中的质量流传感器。这种质量流传感器包括用于安装到管道上的凸缘、一根单测量管、一根外部支承管、以及一个内部支承元件。测量管在其端部处固定于凸缘上并且包括一个具有圆形恒定节距螺旋形状的振动部分。外部支承管包括固定于测量管或者凸缘上的外部支承管端部。内部支承元件包括固定于测量管上邻近凸缘的位置处的内部支承元件端部。质量流传感器还包括沿测量管的振动部分均匀分布的连接元件，互连着测量管的振动部分和内部支承元件，并且只容许测量管的振动部分的以下这些模式，即在这些模式下，振动部分的中心线会尽可能地大致保持于模式的静止位置圆柱形包络面上。质量流传感器还包括一个机构，用于激励测量管的振动部分垂直于其中心线进行谐振振动。

专利FR 1,139,048公开了一种概念上的陀螺流量计，它具有一个刚性的螺旋状流管，用于使所接收的材料流发生转动。利用材料流对流管轴线施加作用力就会产生一个陀螺力，其幅值与材料流相关。该专利缺少详细描述，而是仅仅考虑了可以如何操纵流量计以利用陀螺力产生材料流信息。

解决方案

本发明通过在材料流测量中使用陀螺力而非科里奥利力而克服了现有技术的科里奥利质量流量计存在的问题。根据本发明的一种可能的示例性实施例，提供了一种单直管陀螺流量计，除了其流管具有一个内部螺旋状导流板之外，它看似上述的科里奥利流量计，而当材料流过管中时，该导流板使得材料绕着流管的纵向轴线旋转。旋转中的材料使得流管能够起陀螺的作用。陀螺计不同于科里奥利流量计之处还在于它的速度传感器位于流管的纵向中心而非象科里奥利流量计那样位于中心的上游和下游。

为了理解如何能够利用旋转材料的陀螺力来测量流，首先利用两个实例来研究陀螺行为和力的本性。第一实例示出了当陀螺轴不受约束时由施加于陀螺轴上的转矩产生的运动(进动)。第二实例使得能够计算当第一实例的陀螺运动(进动)通过约束加以防止时陀螺轴施加于其安装上的转矩。就是这种产生的转矩使得本发明的流管发生变形并能够测量质量流率。

陀螺为具有绕着一根轴线(称作旋转轴线)转动的质量的装置，从而使其具有角动量。典型的陀螺具有一安装于一根细轴上的圆形盘状质量。旋转圆盘的角动量的守恒给予陀螺它们独有的性能。在理解本发明时，只需要理解陀螺的行为方式，而无需理解它们具有这种行为方式的原因。因此，下文只限于描述关于本发明的陀螺流量计的陀螺行为。

考虑一种典型的玩具陀螺，它具有一个在一根轴上旋转的飞轮，轴与垂直方向成三十度。在所考虑的第一安装条件中，即实例1中，陀螺轴的顶端可以沿各个方向自由运动，而轴的底端固定于一点因而不能平移但可沿各个方向自由转动或枢转。如果飞轮不转动，陀螺将会由于其重量乘以其质心离轴底点的水平偏移量所得的翻转转矩而直接跌落。但是，飞轮的转动给予了能克服翻转转矩的陀螺角动量。相反，翻转转矩使得轴的顶端绕垂直轴线作圆周运动。这种圆周运动又称作进动，其速率随着陀螺轴顶端慢慢向下盘旋而增大。总之，翻转转矩使得轴的顶端产生一个沿绕着垂直轴线的圆周方向的角加速度。进动速率的增大为常见的玩具顶轴线在其向下转动时的摇摆的增大。

在第二安装条件中，即实例2中，转动陀螺的轴最初位于坐标系(垂直)的Y轴上而轴的底端的平移又受到约束从而使其能够沿各个方向转动但不能平移。轴的顶端的运动被限于X-Y平面中从而使其不能沿Z方向运动。对轴的顶端的这种约束可以看作一条与X轴对齐的狭槽，轴的顶端可以在狭槽中自由运动。沿X方向(沿狭槽)对轴的顶端施加力就会使轴上端在狭槽中产生运动并使轴绕着轴底端(而非绕其转动轴线)在X-Y平面内产生转动。若不是狭槽防止进动的话，轴在X-Y平面内的这种转动将会使轴产生进动。相反，轴顶端沿负Z方向对狭槽的侧面施加一个陀螺力，G_F。该陀螺力可以计算出来，因为它是陀螺的角动量和轴在X-Y平面内转动的角速度的函数。对于本发明来说，重要的是要注意到轴在X-Y平面内的角速度与X-Y平面成直角同时也与陀螺轴线成直角对轴产生一个力G_F。

在本发明的流管中转动的材料使其象一对陀螺那样行为。一个流量计-陀螺从管入口向管中点延伸，而另一个流量计-陀螺从管中点向管出口延伸。陀螺旋转轴线对应于流管轴线而飞轮对应于流管的每个半部中的转动材料。通过驱动器施加于流管上的力对应于施加于实例2的狭槽中的轴的顶端的力。管在驱动平面内的振动使得流管中心线，或者说旋转轴线交替沿每个对应于狭槽方向的方向在驱动平面内转动。流管的固定端为两个流量计-陀螺旋转轴线的枢轴点。流管中点可被看作每个的自由(狭槽)端。然而，在实例2中约束着陀螺轴端的狭槽在流量计中并不存在。流量计-陀螺端部(管中心)也并不象实例1中那样自由。相反，流管的硬度阻碍着管中心运动出驱动平面但并不能防止这种运动。流量计-陀螺的行为介于实例1的陀螺和实例2的陀螺之间。陀螺力使得管中心发生驱动平面之外的偏转，偏转的大小与陀螺力G_F成比例。陀螺力G_F又与质量流率成比例。因此可以利用流管在驱动平面之外的偏转来确定流动材料的质量流率。

陀螺力G_F和陀螺力G_F引起的流管偏转的方向既垂直于驱动方向，又垂直于流管轴线。沿陀螺方向的偏转随着驱动振动的反向而改变符号。当沿驱动方向的管偏转经过零而沿驱动方向的速度处于其最大值时，沿陀螺方向的管偏转达到最大值。在驱动平面之外的管偏转的符号使角动量守恒。如果流管中的材料转动从一端观察时沿顺时针方向，则驱动和陀螺振动的组合作用使得两个流管半部都产生顺时针方向椭圆运动。流管中的质量的转动速率(与流率成比例)确定了管偏转沿陀螺方向的幅值。流率确定了产生的椭圆的窄(低流)宽(高流)程度。当驱动和陀螺力相等时，从一端观察时流管沿圆形路径。

沿陀螺方向的陀螺力G_F和流管偏转与旋转材料流的角动量成比例。角动量与质量乘以质量绕旋转轴线的速度成比例。由于质量和速度的积确定了陀螺力继而陀螺偏转，因此偏转与质量流率而非体积流率成比例。如果材料密度很低，则对于给定的质量流率，材料速度必须很高。相反，对于相同质量流率的高密度材料，材料速度必须很低。对于给定的质量流率，密度和速度的积不受密度的影响。因此，材料密度与质量流率的准确测量无关。

陀螺力G_F在三个方面显著不同于科里奥利力。第一，如前文中所讨论，陀螺力垂直于驱动平面而科里奥利力位于驱动平面之内。第二，陀螺力与流管的整个长度处于相同方向(这点将在下文中进行讨论)，而科里奥利力在流管的中心处改变符号。陀螺力沿流管的符号的均一性意味着陀螺计的流管变形为第一弯曲模式形状，而科里奥利计的变形为第二弯曲模式形状。对于给定的力，流管在第一弯曲模式下比在第二弯曲模式下易于弯曲得多，因此在陀螺计中流管偏转更多。第三，陀螺偏转在其模式形状(第一弯曲模式)的谐振频率下或其附近驱动，而科里奥利偏转在远离其模式形状谐振频率(第二弯曲模式)的频率下驱动。因此，由于在接近其谐振频率下驱动，陀螺偏转受到的幅值很大，而科里奥利偏转受到的幅值很小。这三点区别使得陀螺偏转大于科里奥利偏转并且容许使用不太昂贵的信号处理技术。

陀螺力的幅值与质量流率、螺旋状导流板所形成的转数以及驱动平面的振动幅值成比例。流量计的最大流率可以设定成在最大流率下的陀螺力与驱动器施加于流管上的力近似相等。这样，在最大流率下，流管就在驱动和陀螺力作用下沿圆驱动。在较低的流率下，陀螺力会变小因而圆变扁。为了确定流率，利用速度传感器来检测沿陀螺方向的速度而利用另一个速度传感器来检测沿驱动方向的速度。峰值速度的比(峰值陀螺速度/峰值驱动速度)就是流动的最大流率的分数。这种速度比方法易于实现并且可以同时避免出现测量纳秒单位的时间的难度和成本问题。

根据本发明的另一个可能的示例性实施例，流管内部并不使用螺旋件。相反，流管绕着一根硬棒盘绕成螺旋线的形状从而使得螺旋线和棒具有共同的纵向轴线。这就使得材料流绕着纵向轴线转动。流管和棒都在驱动器作用下在驱动平面内振动以便在一个垂直平面内产生陀螺偏转。另外，还可以将一对流管扭绞在一起以形成一对具有共同的螺旋(纵向)轴线的螺旋状构件。这就使得两根流管中的材料流绕着共同的轴线转动。然后这对扭绞的流管在驱动器作用下振动因而材料流产生如上所述的陀螺力。另外，也可以将单根流管盘绕成螺旋形以使材料流绕着流管的螺旋轴线产生转动。然后流管在驱动器作用下振动以通过材料流的转动作用而产生陀螺偏转。

根据本发明的另外一个可能的示例性实施例，速度传感器位于流管中心的上游和下游处以检测流管的科里奥利偏转。来自这些传感器的输出信号与陀螺传感器的信号一起用来提供一个既能产生陀螺信号又能产生科里奥利信号来确定材料流输出信息的流量计。

本发明的一个方面为一个流量计，它具有一个材料入口、一个材料出口和连接在所述入口与所述出口之间的流管设备，所述流量计适于在所述入口处接收材料流并将所述材料流通过所述流管设备送往所述出口；所述流量计还包括：

一个驱动器，用于通过在包括所述流管设备的纵向轴线的驱动平面内以驱动频率振动所述流管设备而使所述流管设备周期性地变形；

用于使得所述流管设备中的所述材料流绕着所述振动流管设备的所述纵向轴线进行转动的设备；

所述用于给予转动的设备包括所述流管设备；

其特征在于，所述流量计还包括：

所述流管设备响应于由所述驱动器作用下产生的所述流管设备的周期性变形并且响应于所述材料流的所述转动以在陀螺平面内产生所述流管设备的周期性陀螺模式变形；

所述陀螺模式变形的幅值与所述材料流的幅值相关；

传感器设备，响应于所述陀螺模式周期性变形而产生表示所述材料流的幅值的陀螺信号；

所述传感器设备包括一个第一传感器，用于产生代表所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号；

所述传感器设备还包括一个第二传感器，用于产生代表在所述驱动平面内的所述周期性流管变形的幅值的信号；

包括计量电子电路的设备，响应于由所述第一和第二传感器产生的所述信号的接收而确定在所述陀螺平面内的所述周期性流管陀螺模式变形的幅值相对于在所述驱动平面内的所述周期性流管变形的幅值的比；以及

包括所述计量电子电路的设备，响应于所述比值的所述确定而产生关于所述材料流的所述输出信息。

优选地，所述输出信息包括所述材料流的质量流率。

优选地，所述流量计还包括第一传感器，用于产生代表所述流管在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号；所述计量电子电路包括：

用于控制在所述驱动平面内的所述周期性流管变形的幅值的设备；以及

响应于代表所述流管在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号的所述产生而确定所述材料流的质量流率的设备。

优选地，所述驱动频率等于陀螺模式变形的谐振频率以便使得在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形达到最大。

驱动频率不需要等于陀螺模式变形的谐振频率以便改变材料流密度与在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值之间的关系。

所述流管设备可包括：

一根单直流管；

一个位于所述流管内部的螺旋件，所述螺旋件使得所述材料流绕着所述流管的所述纵向轴线进行所述转动以便产生在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形。

所述流管设备可包括：

单根流管，具有螺旋状，使得所述材料流绕着所述流管的所述纵向轴线进行所述转动。

所述流管设备可包括：

多根绕着一根共同纵向轴线扭绞在一起而具有拉长形状的流管，使得所述材料流绕着所述共同纵向轴线进行所述转动。

所述流管设备可包括：

一个杆和一根盘绕在所述杆上以形成盘旋状的流管，该盘旋状使得所述材料流绕着所述流管和所述杆的共同纵向轴线进行所述转动。

所述拉长杆可基本为直杆。

所述杆和所述流管可绕着所述共同纵向轴线扭绞在一起。

优选地，所述材料流在所述驱动平面内在所述振动流管设备上产生科里奥利力，所述科里奥利力使所述流管设备在所述驱动平面内产生科里奥利偏转；

其特征在于，所述流量计还包括：

位于所述流管设备上的传感器设备，用于检测所述科里奥利偏转并产生包含关于所述材料流的信息的科里奥利信号；

所述计量电子电路响应于所述科里奥利信号和所述陀螺信号的产生而产生关于所述材料流的输出信息。

优选地，所述流量计还包括：

一根平行于所述流管设备的平衡杆；

将所述平衡杆的端部连接于所述流管设备上的连接环设备；

所述驱动器使得所述流管设备和所述平衡杆在所述充有材料的流管设备和所述平衡杆的谐振频率下在所述驱动平面内反相周期性变形；

所述周期性陀螺模式变形使得所述充有材料的流管设备和所述平衡杆在周期性陀螺模式变形的谐振频率下在所述陀螺平面内振动。

所述陀螺平面垂直于所述驱动平面并垂直于所述流管的所述纵向轴线。

所述流量计还可包括：

一个封装着所述平衡杆和所述流管设备的外壳；

连接于所述外壳的端部的外壳端部；

所述流管设备的端部伸过所述外壳的所述外壳端部并连接于凸缘上；

所述凸缘的第一凸缘接收来自材料源的所述材料流并通过所述流量计传送所述材料流；

位于所述流管设备的输出端的所述凸缘的第二凸缘接收来自所述流管设备的所述材料流并将所述材料流传送至目的地。

所述连接环设备可包括：

第一和第二连接环，用于将所述平衡杆的每一端连接于所述流管设备上；以及

在所述驱动平面内位于所述连接环并固定于所述流管设备的侧向侧壁上的侧轴向伸出部分，用于改变在所述驱动平面内的所述流管设备变形和所述平衡杆变形与在所述陀螺平面内的所述流管设备和所述平衡杆的所述周期性陀螺模式变形的谐振频率区分。

优选地，平衡杆还包括位于所述平衡杆的壁中的开口，用于改变在所述驱动平面内的所述周期性变形与在所述陀螺平面内的所述流管设备和所述平衡杆的所述周期性陀螺模式变形的谐振频率的区分。

另一个方面为一种操纵流量计的方法，包括以下步骤：

通过使所述流管设备在所述驱动平面内振动而使所述流管设备发生周期性变形；

其特征在于，这种方法还包括以下步骤：

响应于所述材料流而使得所述材料流绕着所述流管设备的所述纵向轴线进行所述转动；所述转动使得所述流管设备在所述陀螺平面内进行所述周期性陀螺模式变形；

产生代表所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号；

确定所述流管设备在所述驱动平面内的周期性变形的幅值；

确定所述陀螺平面内的所述流管设备周期性陀螺模式变形的幅值相对于所述驱动平面内的所述流管设备周期性变形的幅值的比；以及

响应于所述比值的所述确定和所述信号的所述产生，而操纵所述计量电子电路产生关于所述材料流的输出信息。

优选地，控制所述流管设备在所述驱动平面内的周期性变形的幅值；可以操纵所述流量计从而使得所述驱动平面内的所述周期性流管设备变形的所述谐振频率等于陀螺模式变形谐振频率以便使在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值达到最大。

可以操纵所述流量计从而使得所述驱动平面内的所述周期性流管设备变形的所述谐振频率不等于陀螺模式变形谐振频率以便改变所述材料流的密度与在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值之间的关系。

所述流管设备可包括一根单直流管：

所述方法包括以下步骤，即将一根螺旋件插入所述流管内部，以便使得所述材料流绕着所述流管的所述纵向轴线进行所述转动。

所述流管设备可包括单根流管，并且其中所述方法还可包括以下步骤，即操纵所述流量计，而将其所述流管形成为限定有盘簧形状，使得所述材料流绕着所述流管的纵向轴线进行所述转动。

所述流管设备可包括多根流管，并且其中所述方法还可包括以下步骤：

将所述多根流管绕着一根共同纵向轴线扭绞在一起从而限定拉长形状，使得所述材料流进行所述转动。

所述流管设备可包括单根流管，并且其中所述方法还包括以下步骤，即将所述流管盘绕在一根拉长杆上以形成盘旋状，使得所述材料流绕着所述流管和所述杆共同的纵向轴线进行所述转动。

所述材料流在所述驱动平面内在所述振动流管设备上产生科里奥利力，所述科里奥利力使所述流管设备在所述驱动平面内产生周期性科里奥利偏转；其特征在于，所述方法还可包括：

操纵位于所述流管设备上的传感器，该传感器用于检测所述科里奥利偏转并产生关于所述材料流的输出信号；

响应于所述科里奥利信号和所述陀螺信号的产生操纵所述计量电子电路而产生关于所述材料流的输出信息。

所述流量计可包括一根平行于所述流管设备的平衡杆；

将所述平衡杆的端部连接于所述流管设备上的连接环设备；

所述方法还可包括：

操纵所述驱动器以使得所述流管设备和所述平衡杆在所述充有材料的流管设备和所述平衡杆的谐振频率下在所述驱动平面内反相振动；

操纵所述流量计以便在所述陀螺力作用下，使得所述充有材料的流管设备和所述平衡杆按照所述陀螺振动模式在所述充有材料的流管设备和所述平衡杆的谐振频率下在所述陀螺平面内振动。

附图说明

通过阅读结合附图所进行的以下详细描述，可以对本发明的特征的以上及其它优点有更清楚的理解，其中：

图1为一种具有一进动旋转轴线的陀螺的图；

图2为一种已防止进动发生的陀螺的图；

图3公开了一种螺旋状导流板；

图4公开了一种位于流管内部的螺旋状导流板；

图5公开了一对相互扭绞的流管；

图6示出了扭绞在一起的一根流管和一根实心杆；

图7示出了一种扭绞缠绕于一根直杆上的流管；

图8示出了一种盘绕形的流管；

图9、10和11公开了一种带有转动的材料流的振动悬臂流管；

图10和11为图9的流管的端视图，示出了带有流和不带流的流管的运动；

图12示出了一种概念上的振动流管；

图13示出了一对振动悬臂管；

图14公开了一种带有转动的材料流的两端都固定的振动流管；

图15公开了一种陀螺流量计横截面的一种可能的优选示例性实施例；

图16公开了一种组合式陀螺/科里奥利流量计横截面的一种可能的优选示例性实施例；

图17公开了一种连接环的详细情况；

图18公开了一种平衡杆的详细情况；

图19公开了计量电子电路1520的第一可能实施例；

图20公开了计量电子电路1520的第二可能实施例；以及

图21公开了计量电子电路1620的第一可能实施例。

具体实施方式

图1和2

为了更清楚地理解本发明用来测量流的装置，需要弄清陀螺力以及将其应用于振动流管的方式。图1示出的陀螺100具有飞轮101和长度为L的轴102。飞轮和轴以角旋转速度ω绕着与轴102的中心线重合的旋转轴线103转动。轴102的长度为L，与坐标系104的Y轴105(垂直方向)成一定角度。飞轮101具有回转半径r，该回转半径r即陀螺的质量可以集中于该半径处以产生与飞轮101和轴102的延伸质量相同的转动惯量。陀螺的下端固定于点P上，以便可以沿所有方向自由转动但不能沿任何方向平移。图1的陀螺通过重力(图中未示出)而作用，重力施加一个转矩以便翻转陀螺。翻转转矩使得陀螺轴线沿路径108绕Y轴作圆周运动，如图中所示。这种绕Y轴的圆周运动称为进动。

图2中所示的陀螺带有一根垂直轴线。轴102的顶端穿过块体210中的狭槽209而伸出。块体固定就位而不能运动。狭槽沿X方向延伸并且约束着轴102的顶端只能沿X方向运动。轴102的下端固定，如同图1中的轴一样，以便使其能够转动但不能平移。

图2中的轴102的顶端被施加以一个沿X方向的力(图中未示出)，使其具有速度V。由于轴下端固定于点P，因此轴在X-Y平面内产生一个角速度V/L。陀螺轴线的角速度将使得轴象图1中一样进动，除了狭槽209防止进动之外。相反，轴102沿负Z方向对狭槽的侧面施加一个陀螺力G_F。应当指出，陀螺力G_F垂直于旋转轴线103和轴102顶端的速度方向。

转矩GL的方程式在关于机械动力学方面的任一本好点的教科书中都能查到，包括Kent所著的机械工程师手册(Mechanical Engineer’sHandbook)，第十二版，第7-18页。转矩在方程式1中给出。

方程式1

$\mathrm{GL}={\mathrm{mr}}^2\left(\frac{\mathrm{\πN}}{30}\right)\left(\frac{V}{L}\right)$

其中：

GL＝作用于轴上的转矩

m＝飞轮的质量

r＝回转半径

N＝飞轮的每分钟转数

V＝轴的顶端的速度

L＝轴的长度

给出以上陀螺工作情况的实例以及陀螺力方程式的目的是为了便于更清楚地理解陀螺力施加于包含转动中的材料的振动流管上时的情况。然而，陀螺与本发明的流管之间具有显著的差别，当这些出现时再进行讨论。

图3

为了使流管中的材料流显示出陀螺属性，必须使其旋转。图3示出了插入流管中以便使材料在流动时发生转动的装置300的一个可能的优选实施例。装置300为一根经扭绞后插入或者铜焊于流管内部的金属条带。条带301保证材料流在穿过流管时绕纵向轴线310经过已知数目的转动。当材料流率增大时，材料流速度和材料流转动速度增大并且产生的陀螺属性增大。

图4

图4示出了图3的条带301铜焊于流管401中之后的情况。这种几何形状也可以通过将适当的材料直接挤压成所要求的形状从而形成一种组合式流管和螺旋管而实现。挤压方法是塑料陀螺计的理想加工方法。驱动器D在驱动平面中振动流管401而螺旋状条带405保证材料流在穿过流管长度时绕纵向轴线410经过已知数目的旋转。

图5-8

图5示出了用于保证材料流在穿过流管长度时绕纵向轴线510经过已知数目的转动的备选流管设备500。设备500通过将直径较小的多根流管501和502扭绞并铜焊于一起形成一合成式流管500而成。流管500具有加工简单便宜的优点，但是具有当材料穿过量计时产生高压降的缺点。高压降的产生是因为多管所要求的较小管直径。驱动器D在驱动平面内振动设备500。

图6示出了用于保证材料流在穿过流量计时绕纵向轴线610经过已知数目的转动的备选流管设备600。设备600包括扭绞在一起的一根空心管601和一根实心长杆602。设备600的优点在于流管可具有足够大的直径以便提供所需的材料流能力，而同时与之缠绕的杆602可为设备600的流管601提供足够的刚性。驱动器D垂直于纸平面在驱动平面内振动设备600。

图7提供了用于保证材料流在穿过流量计时绕纵向轴线710经过已知数目的转动的备选流管设备700。设备700示出了一根缠绕于直杆702上的盘绕式流管701，直杆702给予流管701以刚性。流管701可以具有足够大的直径以便提供所需的材料流能力。流管和杆的左端标为元件706和705而右端标为元件703和704。驱动器D垂直振动设备700。

图8提供了用于保证材料流在穿过流量计时绕纵向轴线810经过已知数目的转动的备选流管设备800，所公开的设备800为流量计的一部分。设备800由驱动器D垂直振动。设备800包括一根具有左端803和右端802的盘绕式流管801。

图9-11

图9示出了作用于包含转动中的材料的振动悬臂流管901上的陀螺力。这种几何形状可以用作流量计，但是在这里主要用于帮助理解并填补图2的陀螺与其流管两端都固定的本发明流量计之间的空挡。流管901处于X轴方向，其自由端908在驱动器D作用下沿垂直方向或者说Y方向谐振地振动。固定端904连接于一个固定块体902上。流管901中包含一个螺旋状导流板905(类似于301)，它使得材料流绕纵向轴线910按路径903所示的运动而转动。所示的流管901沿由实线所示的向下方向经过的位移为零。它沿向下方向(-Y)具有速度V。虚线906和907示出了流管901沿正负Y方向的最大位移。流管沿Y方向的振动使得流管(及其旋转轴线)绕其固定端904在X-Y(驱动)平面内交替转动。振动给予材料旋转轴线的转动可与图2中的陀螺旋转轴线的角速度V/L相比。力G_F为当流管向下弯曲时，转动中的材料施加于悬臂流管901上的陀螺力。力G_F既垂直于速度V，又垂直于管轴线。在其行进路径的上下限处，流管停止运动并反向。这使得流管轴线绕其固定端904在X-Y平面内的转动也反向。当流管在X-Y平面内的转动反向时，陀螺力G_F也反向。这样，力G_F可以看作一个正弦曲线力，其与流管速度V同相，但其方向既垂直于流管速度V，又垂直于流管轴线。

图9的悬臂管有几个方面不同于图2的陀螺。在图2中，图2的陀螺的整根轴转动量相同，而流管轴线在驱动平面内的转动沿其长度变化。悬臂管转动从固定端904处的零增大为自由端908处的最大值。图9对振动流管的陀螺力也沿流管轴向分布，在固定端力为零而在自由端为力的最大值。陀螺转矩的方程式，即方程式1，用于求解作用于整根轴线转动量相同的刚性轴的转矩。因此方程式1不能直接应用于弯曲的流管。

作用于弯曲流管上的陀螺转矩的方程式易于通过计算确定。流管被分成长度和质量非常非常小的小段。因为曲率如此之小，所以每小段可以看成一个直管段。然而，需要利用整个变形的管的曲率来确定每个流管段的转动量。幸运地，振动流管变形后的形状与均匀加载的悬臂梁变形后的形状几乎相同。对于均匀加载的梁，变形量(从水平方向的偏转)与管离固定端的距离的立方成比例。对于正弦曲线振动，速度与位移成比例。因此，沿管的速度分布与管离固定端的距离的立方成比例。这意味着方程式1中所用的每个流管段的峰值振动速度也与管离固定端的距离的立方成比例，并且作用于每段上的陀螺力G_F也与管离固定端的距离的立方成比例。陀螺力G_F沿振动管的分布情况如箭头G_F所示。净陀螺转矩G_FL通过沿流管的长度对转矩积分而确定。峰值陀螺转矩的结果方程式由方程式2给出。

方程式2

$G_{F}L=1/3{\mathrm{mr}}^2\left(\frac{\mathrm{\πN}}{30}\right)\left(\frac{V_{\max }}{L}\right)$

其中：

V_max＝流管端部的峰值速度。

方程式2表明作用于振动悬臂流管上的峰值转矩仅为方程式1的作用于转动陀螺上的转矩的三分之一。值的不同是由于流管的弯曲对陀螺轴的一致转动的不同。由方程式2得到的转矩非常重要，因为它使流管弯出驱动平面(X-Y平面)并为材料流的测量提供准备。

整个期间施加于流管的陀螺力G_F的方程式只要将峰值转矩乘以振动频率与时间之积的余弦即可。

方程式3

$G_{\mathrm{FL}}=1/3m{r}^2\left(\frac{\mathrm{\πN}}{30}\right)\left(\frac{V_{\max }}{L}\right)\cos \left(\mathrm{wt}\right)$

图10和11公开了图9的振动悬臂流管901的端视图。图10为振动流管901没有材料流因而没有材料转动的情况时的端视图。端部908的实线圆代表零位移的流管。虚线代表沿正负方向的最大位移。在没有材料流的情况下，流管振动保持于驱动平面的平面内。图11为振动流管901带有材料流时的端视图。陀螺力迫使流管901振动出垂直平面之外并成椭圆运动。顶部和底部的虚线圆1101和1102表示沿正负驱动方向的最大位移。左右虚线圆1103和1104表示流管沿正负陀螺方向的最大位移。中间的实心圆表示流管静止时的位置，而其内部的箭头表示材料旋转的方向。由圆1103-1104构成的椭圆宽度W与流管901的陀螺转矩成比例。宽度W也与材料流的质量乘以材料的转动速度成比例(参见方程式1-3)，因此与材料的质量流率成比例。当净陀螺转矩与驱动器施加于流管上的转矩相等时，椭圆就变为圆。应当指出，驱动位移和陀螺位移相互垂直。并且当一个为最大值时，另一个为零。两者的平面振动之和就产生了图11中所示的椭圆运动。

图9、图10和图11的悬臂流管901在来自驱动器D的正弦曲线力作用下振动。因为能量效率的原因，正弦曲线力的频率设定为与流管的第一弯曲模式谐振频率相等。在谐振状态下，维持很大的振动幅值只需要非常小的驱动力。由于流管对称，因而弯曲中的流管沿驱动方向和陀螺方向的谐振频率都相同。正弦曲线陀螺力象驱动力一样，在谐振(驱动)频率下通过流动的材料而施加于流管上。由于陀螺力沿陀螺方向在流管的谐振频率下施加于流管上，因此这就沿陀螺方向形成较大幅值的流管变形。

图12和13

陀螺流量计的一个优选实施例使得流管两端处都固定。图12和13用来示出悬臂流管上的陀螺力分布与两端处都固定的流管上的陀螺力分布的不同。在图12中，流管1201在两端1202和1203处都固定。流管1201，象悬臂流管901一样，包含使得材料流转动的螺旋状导流板(图中未示出)。流管1201如虚线1204所示沿驱动方向处于其最大值偏转。图13示出了一对悬臂管1308L和1308R，每个都类似于图9-11的悬臂流管901。悬臂管1308L和1308R同样如虚线1205L和1205R所示沿驱动方向处于其最大值偏转。

图12和13的偏转的管的形状比较显出了显著的差异。悬臂管1305L和1395R的轴的斜度向着两根管的自由(中心)端不断增大。然而，连续管1201的轴线的斜度开始时增大，但随后在管的中心处降低为零。这种变形的模式形状的差别造成了驱动振动过程中驱动平面内的管中心线转动量的差别。连续流管具有一个并不在驱动平面内随着振动而转动而仅上下平移的中心段。中心段在驱动平面内没有转动意味着在中心段中正在流动和转动的材料不会产生陀螺力。相反，悬臂管在其自由端处具有其最大斜度因而具有最大的转动和陀螺力。

图14

图14示出了作用于两端处都固定的带有螺旋状导流板(图中未示出)的流管上的陀螺力分布情况。流管1401的方位使得驱动运动沿进出纸平面的方向(Y方向)进行。驱动磁体D示于流管中心处。流管在其第一弯曲谐振频率下驱动。速度传感器1405示于流管中心下方，在该处它可以测量沿陀螺方向的流管速度。用实线表示的流管沿陀螺方向(Z)经过零位移。用虚线表示的流管沿陀螺方向(Z)处于位移最大值。流管1401在驱动平面内的振动(在本图中看不到)导致流管轴线的左半部分绕其左端1402转动而流管轴线的右半部分绕其右端1403转动。管的纵向中心不转动，而是平移。转动中的材料流和流管驱动平面振动一起产生将要与驱动平面和流管轴线都成九十度施加于流管上的陀螺力。示出的陀螺力G_F沿流管1401的分布情况(箭头)为当流管沿陀螺方向经过零偏转点时。陀螺力在沿流管长度的大约25％和75％处处于其峰值。力在流管的两端处以及中心处变为零，因为在这些位置处没有驱动模式管轴线转动。

尽管力为非均匀分布，流管1401仍在陀螺平面内在其第一弯曲模式(象驱动模式一样)下偏转。由于第一弯曲模式为变形全部沿相同方向(全部为正或者全部为负)进行的唯一模式，因此第一弯曲模式被激励。此外，陀螺力在驱动频率下通过材料而施加于流管上。驱动频率也是第一弯曲模式沿陀螺方向的谐振频率。由于流管由陀螺力在谐振状态下或者接近谐振状态下驱动，因而第一弯曲模式下的陀螺响应非常大。

图15

图15示出了本发明的一个优选示例性实施例。它包括一个平衡杆1502，平衡杆1502通过其端部的连接环1503和1504而连接于流管1501上。图15的平衡杆和流管由驱动器D反相驱动，驱动器D在驱动平面(垂直于纸平面)内在它们的共有谐振频率下驱动它们。平衡杆1502设计成在驱动和陀螺两个方向上使流管1501平衡，从而将流管与连接环1503和1504相连的区域(结点)固定于流管的活动部分的端部。平衡杆1502第一弯曲模式的谐振频率等于或略低于流管1501第一弯曲模式的谐振频率。平衡杆1502可为一管状构件，通过增加质量和切块1514而降低谐振频率。切块的位置和影响在后文中结合图18进行讨论。图15的平衡杆还可以具有四通对称(驱动平面和陀螺力平面中的两个方向)因而沿驱动和陀螺方向具有相等的谐振频率。使得谐振频率相等，就使量计的陀螺振动幅值继而流动敏感性达到最大化。

利用材料流，陀螺力激励流管1501在相同(驱动)频率下沿陀螺方向(在纸平面内)振动。流管1501沿与驱动方向成九十度角的陀螺方向的运动通过连接环1503，1504而沿陀螺方向激励平衡杆，该连接环1503，1504将平衡杆1502的端部紧固于流管1501的活动部分的端部。由于平衡杆在其谐振频率或接近谐振频率下被驱动，因此平衡杆沿陀螺方向与流管异相振动并且其幅值一直增大直到其使流管的陀螺运动平衡为止。因此，流管1501既在驱动平面内振动，又在陀螺平面内振动，并且由平衡杆1502沿两个方向进行动态平衡。

相反，单流管科里奥利流量计只在驱动模式下进行动态平衡。大多数商用的科里奥利流量计不对科里奥利力进行平衡。科里奥利力在驱动频率下在驱动平面内施加于流管上，但是科里奥利力在驱动器的任一侧具有相反的符号。这种科里奥利分布试图激励平衡杆的第二弯曲模式并使科里奥利力平衡。然而，平衡杆第二弯曲模式谐振频率几乎为驱动频率的三倍。这样，平衡杆并未在第二弯曲模式下激励并且科里奥利力并未得到充分平衡。公开于美国专利U.S.patent.5,987,999中的敏感性增强的平衡杆为一个例外，因为它解决了这个问题。美国专利U.S.patent.5,987,999中提出的平衡杆的第二弯曲模式下的平衡杆谐振频率得以降低以便接近驱动频率。对于其它商用流量计，由于这种频率差异，平衡杆的第二弯曲模式并未充分激励并且科里奥利力并未得到平衡。没有平衡是科里奥利计的一个问题，因为它会引起量计晃动并导致计量不准确。陀螺计并不存在这个问题，因为流管的陀螺振动已由平衡杆进行了平衡。

科里奥利力产生于陀螺计的振动流管中。然而，它们对陀螺测量并没有影响，因为它们及其产生的流管科里奥利偏转现象都位于驱动平面内，因而位于中心的陀螺速度传感器并不会觉察到。而且，驱动/科里奥利平面内的未平衡的振动不会对陀螺平面内的陀螺幅值测量造成影响。

图15的量计在流管和平衡杆的纵向中心处具有一个驱动磁体D和一个驱动线圈(图中未示出)。驱动幅值传感器(速度传感器)1508位于流管的与驱动磁体相对的一侧。驱动幅值传感器具有一个输出，该输出与流管1501沿驱动方向相对于平衡杆1502的速度或振动幅值成比例。它用来控制振动流管的驱动幅值。

陀螺幅值传感器(速度传感器)1511位于流管1501的中心并与驱动器D成九十度。该速度传感器具有一个输出，该输出与流管沿陀螺方向相对于平衡杆的速度或振动幅值成比例。由于沿陀螺方向的流管振动幅值既与驱动幅值成比例，又与质量流率成比例，因此陀螺速度传感器输出不能单独用作质量流率的指示器。驱动振动幅值也必须已知。优选的方法并未精确地控制驱动振动幅值，而是精确地测量驱动振动幅值。陀螺速度传感器1511的幅值输出除以精确测量的驱动传感器1508的幅值输出得到的比用于确定质量流率。这种方法本质上测量的是流管的椭圆路径的长宽比。椭圆的长宽比与质量流率成比例并且不依赖于椭圆尺寸和驱动幅值。

图15的流量计1500包括一根流管1501和一根平衡杆1502，平衡杆1502的两端通过连接环1503和1504连接于流管1501上。流管1501的不活动流管部分1501L和1501R沿轴向伸出连接环1503和1504之外并穿过外壳1505的两端1509。管的末端为凸缘1506和1507。外壳连接器1512将平衡杆1502的两端与外壳1505的内壁1509连接起来。

计量电子电路1520控制着流量计1500的操作。这样做时，它通过路径1521发送信号以致动驱动器D，驱动器D使流管1501和平衡杆1502在垂直于纸平面的平面内反相振动。驱动振动的幅值通过驱动传感器1508测量并且驱动振动信号沿路径1522传送至电子电路1520。利用通过振动流管的材料流，就产生如前所述的陀螺力。这些力使得流管和平衡杆在纸平面内反相振动。这些陀螺振动通过传感器1511检测并且由其产生的信号通过路径1523而发送至计量电子电路1520。计量电子电路对通过路径1522和1523接收的信息进行处理并通过路径1526产生包含属于材料流的信息的输出信号。元件1510包括凸缘1507和1506的颈部。

陀螺流量计1500可能具有一平衡杆和流管对，其沿驱动方向的谐振频率与沿陀螺方向的谐振频率不同。沿驱动方向与陀螺方向谐振频率不同的实施例比谐振频率相同的实施例更具优势。例如，可以用一个具有不同谐振频率的量计来补偿量计流敏感性随流动材料密度的变化。

敏感性随密度而变化的现象常见于科里奥利计中，并且在沿驱动和陀螺方向谐振频率相等的陀螺流量计中也存在。敏感性变化的原因在于在驱动模式下流管与平衡杆之间的幅值比的密度发生变化。幅值比变化有助于通过在材料密度增大时减小流管驱动幅值，并且增大平衡杆驱动幅值以便维持相同的组合振动幅值，从而使量计得以保持平衡。这种幅值比变化通过保持动量而维持驱动平面内的量计平衡。随着密度增大，越重的管运动量越少，而保持不变的平衡杆运动量越多。幅值比随密度的变化为好的流量计设计的几何中所固有。然而，流管幅值减小会导致对于同样的流率产生的陀螺力变小。陀螺力变小意味着对于高密度材料而言，沿陀螺方向的流管振动幅值低于低密度材料。最后结果是陀螺流量计对较高密度流动材料的流敏感性比较低密度的更低。这种效应在美国专利US Patent 5,969,265中进行了详细讨论。

一种用于补偿量计流敏感性随密度变化的方法是在量计的设计中使得沿驱动方向的谐振频率高于沿陀螺方向的谐振频率。较高密度材料引起驱动谐振频率减小。如果沿陀螺方向的谐振频率足够低于驱动频率，则驱动频率的降低使得陀螺力在接近于陀螺谐振频率的频率下施加。由于振动的幅值在驱动频率接近振动构件的谐振频率时增大，因此驱动频率的降低使得沿陀螺方向的振动幅值增大并且抵消了由于材料密度增大而引起的幅值减小。

通过使得动态结构沿驱动方向比沿陀螺方向更坚硬或者更柔软，就易于区分驱动和陀螺平面的谐振频率。举例来说，图15的平衡杆于振动驱动模式下具有较低弯曲应力而于振动陀螺模式下具有较高弯曲压力的位置处，具有位于平衡杆中的狭槽1514。这个位置处的孔降低了陀螺谐振频率而保持驱动谐振频率基本不变。

图16

图16公开的流量计1600几乎每个方面都与图15的流量计1500相同。流量计1600利用1600系列的参考数字来表示，在某种意义上也是为了表示其与图15的具有1500系列数字的对应元件相对应。流量计1600按照与流量计1500相同的方式对陀螺力的产生作出响应并通过路径1622和1623传送陀螺和驱动振动幅值的信号，而振动幅值又代表了流量计1600内的材料流率。图15与图16的流量计之间的一个区别在于，图15的流量计使用平衡杆中的狭槽来将陀螺谐振频率降低至驱动频率之下，而图16的流量计使用位于连接环1604上的延伸部1616来提高驱动频率。这两种方法都起相同的作用，即区分沿驱动和谐振方向的谐振频率从而使得流量计敏感性不受材料密度影响。连接环1616在图17中进行详细讨论。

图15和图16的流量计之间的另一个区别在于流量计1600另外还具有固定于流管1601上的传感器LP0和RP0。这些传感器对由带有材料流的流管1601的振动所产生的科里奥利力作出响应。科里奥利力通过传感器LP0和RP0进行检测并通过路径1624和1625传送至计量电子电路1620，该计量电子电路1620利用科里奥利信号输入来确定流率。这样，计量电子电路1620就利用两种分离的方法来确定流率：科里奥利和陀螺力。由独立的传感器输入和方法计算而得的这两个流率可以用来通过取平均值或差错检验而提高准确性。举例来说，在某些操作情况下，例如极端温度条件下，这两组信息可能并不一致，因而在这种情况下，可以利用一组的输出信息而排除另一组信息。在其它操作情况下，这两组输出信息可以组合使用并取平均值以向路径1626提供准确性提高的材料流信息。另外，利用两种流测量方法，就能够通过为一种测量方法发生故障的情况提供备用方法而提高流量计的可靠性。

图17

图17公开了一种连接环1700，它可以有利地用作图15和16的流量计1500和1600的连接环1503、1504及1603和1604。连接环1700基本上为一个具有一个圆形外表面1701的圆形构件，带有一个中心开口1706以及伸出的侧元件1616。连接环1700套装于流管1501和1601上，流管延伸穿过中心开口1706。内表面1707通过铜焊之类方法固定于流管的外表面上。连接环1700的外表面1701通过铜焊之类方法联接于平衡杆1502和1602的内壁1519和1619上。连接环1700的主要功能是为将平衡杆端部的振动联接至流管上提供路径。

连接环1700插于流管上以便使得伸出的侧部1616位于流管的顶部和底部，如图16中所示。就驱动振动谐振频率而论，伸出部分缩短了流管的振动长度，而同时保持沿陀螺方向的振动长度因而谐振频率不受影响。这就改变了驱动振动的谐振频率相对于陀螺振动的谐振频率的区分情况。频率区分作用使得流量计能够补偿流敏感性随密度的变化。当需要相对于陀螺频率提高驱动频率时，就将连接环伸出部分固定于流管的顶部和底部，如图16中所示。相反，当需要相对于驱动频率提高陀螺频率时，就转动连接环1700以便使得伸出侧部1703固定于流管的侧面，如图15中所示。

图18

图18公开一种谐振频率降低的平衡杆1800。在平衡杆的纵向中心处为沿陀螺方向和驱动方向的孔。图中只有孔1805、1809和1811可见，但是应当理解还有两个与孔1805和1809相对的看不到的孔。这种四通对称结构同等降低了沿驱动和陀螺方向的谐振频率。

如果我们假定孔1805的轴线沿驱动方向，则另两对孔1810、1806和1808、1807的轴线处于陀螺方向。在驱动振动模式下，它们的位置使其置于中性轴线上。这就对驱动模式谐振频率造成了细小的影响。然而，这两对孔位于平衡杆的侧面，从而使得峰值应力出现于陀螺振动模式下。它们的位置降低了陀螺振动模式下的谐振频率。通过利用这些孔来降低沿陀螺方向的平衡杆谐振频率，就能够将驱动方向谐振频率与陀螺方向谐振频率区分开，而这样就能增强流量计补偿流敏感性随密度变化的能力。

图19

图19的计量电子电路1900公开了图15的计量电子电路1520的一个实施例的更多细节。实施例1900通过路径1521将驱动信号加于图15的驱动器D上以便使得流管1501和平衡杆1502反相振动。驱动信号通过驱动器幅值控制元件1901产生。实施例1900还通过路径1522和1523接收传感器信号。路径1522接收的信号由驱动器传感器1508的输出接收并加于元件1902上。元件1902通过路径1905将路径1522接收的信号传送至驱动器幅值控制单元1901。这种信号使得元件1901能够产生图15的驱动器D所需的信号。元件1902还通过路径1904将路径1522上的驱动器传感器输出信号传送至元件1907。

元件1903通过路径1523接收元件1511的陀螺传感器输出。这种信号代表流管1511在陀螺平面内的陀螺模式偏转的幅值。元件1903通过路径1906将这个信号传送至元件1907，元件1907确定路径1523上的陀螺传感器信号相对于路径1522上的驱动器传感器信号的比。元件1907通过路径1908将所确定的比传送至元件1909，而元件1909利用矩形1909中所示的表达式产生流动的材料的质量流率，其中M为质量流率。随后通过路径1526将计算而得的质量流率传送至图中未示出的应用电路。

图20

图20公开了图15的计量电子电路1520的第二可能示例性实施例。前文中已经描述了图19中所示的计量电子电路1520的实施例1900利用确定陀螺振动幅值与驱动器振动幅值的比来计算质量流率的方法。计量电子电路1520的图20中的实施例2000产生质量流率信息时不需要象实施例1900的情况一样确定驱动幅值。图20的驱动传感器寄存器2003通过路径1522接收来自驱动器传感器元件1508的信号并通过路径2002将接收到的信号传送至驱动器幅值控制器2001，而它又通过路径1521将精确控制的幅值信号发送至图15的驱动器D。驱动器幅值控制器2001与图19的对应元件1901的不同之处在于元件2001所产生的驱动信号的信号幅值受到精确控制。因此，元件2000不需要确定陀螺模式信号相对于驱动模式信号的幅值比来计算质量流率。由于驱动器幅值控制器2001的幅值受到精确控制，因此该值已提前获知并且可以由元件2007内部使用以便只需要利用代表流管1501的陀螺模式振动幅值的信号就能够计算质量流率。该信息从图15的陀螺传感器1511处接收并通过路径1523传送至陀螺传感器元件2004，并且随后通过路径2006继续传送至元件2007。元件2007接收陀螺模式振动幅值并将其直接用于质量流率的计算。随后通过路径1526将该质量流率信息传送至图中未示出的应用电路。

图21

图21示出了图16的计量电子电路1620的一种可能的优选示例性实施例。回述前文，图16的流量计利用代表流管1601的科里奥利偏转的信号以及通过利用代表流管1601在陀螺平面内的偏转的信号来产生材料流信息。科里奥利信号通过传感器LP0和RP0产生并通过路径1624和1625传送至计量电子电路1620特别是元件2114。陀螺模式材料流信息通过图16的传感器1611产生并通过路径1623传送至元件2106。元件2100还为图16的驱动器D产生驱动信号。该信号由驱动器幅值控制电路2101产生并通过路径1621传送至驱动器D。路径1622接收代表图16的驱动器D的振动幅值的信号。该信号通过路径1622传送至驱动传感器寄存器2103，而驱动传感器寄存器2103又通过路径2102和2104将信号传送至元件2101和2108。路径2101上的信号控制着由元件2101所产生的驱动信号的幅值。路径2104上的信号将驱动器幅值信息加于元件2108。代表流管1601的陀螺模式振动的幅值的信号通过陀螺传感器输出元件1611加于路径1623上。路径1623上的信号通过通向元件2108的路径2107传送至元件21096。元件2108按照对图19的元件1907所述的方式起作用以确定陀螺模式信号相对于驱动模式信号的幅值比。所确定的幅值比通过路径2109传送至元件2111，而元件2111按照与元件1909相同的方式产生质量流率信息。然后，陀螺质量流率信息通过路径2112传送至元件2113，元件2113的功能随后进行描述。

科里奥利模式输出信号由元件2114通过路径1624和1625接收。然后这些信号通过路径2116传送至元件2117，元件2117测量来自传感器LP0的科里奥利信号和来自传感器RP0的科里奥利信号之间的时差Δt。该时差信息通过路径2118传送至元件2119，元件2119利用所示的表达式计算质量流率，其中时差Δt的幅值与质量流率M的幅值成比例。来自元件2119的质量流率信息通过路径2121传送至元件2113。

元件2113接收来自两个不同的代表材料质量流率的源的信息。路径2121上接收的信息代表利用流管1601的科里奥利模式偏转所确定的质量流率。路径2112上的信号代表利用流管1601的陀螺模式偏转的幅值所确定的质量流率。元件2113接收这两组质量流率数据并对它们进行比较以便确定它们的数据一致。元件2113还起在该数据不一致的情况下进行差错检验以及利用补偿技术校正数据的作用。

应当明白本发明的陀螺流量计的有利之处在于流率与两个电压(速度传感器的输出)之间的比成比例，而这两个电压可以利用简单的电子电路而变得足够大以便进行准确的流测量。这些电子电路比科里奥利流量计所需的电子电路便宜得多并且稳健得多。另外，陀螺流量计易于进行设计以便具有不受材料密度影响的流敏感性。

应当清楚地理解根据权利要求的本发明并不限于所述的优选实施例，而是包括其它改动。举例来说，尽管所公开的本发明包括一部分单直管流量计，但是应当理解本发明并不限于此，而是可以使用其它类型的流量计，包括不规则或曲线构型的单管流量计以及具有多个流管的流量计。本文中所用的词项“轴线”应当理解为物体绕其进行实际或者假想转动的一根想象的或者实际的直线。

Claims (27)

1.一种流量计(1500、1600)，具有一个材料入口(1500、1606)、一个材料出口(1507、1607)和连接在所述入口与所述出口之间的流管设备(1501、1601)，所述流量计适于在所述入口处接收材料流并将所述材料流通过所述流管设备送往所述出口；所述流量计还包括：

一个驱动器(D)，用于在包括所述流管设备的纵向轴线的驱动平面内以驱动频率振动所述流管设备从而使所述流管设备周期性地变形；

用于使得所述流管设备中的所述材料流绕着所述振动流管设备的所述纵向轴线(310、410、510、610、710、810)进行转动的设备；

所述用于给予转动的设备包括所述流管设备；

其特征在于，所述流量计还包括：

所述流管设备响应于由所述驱动器作用下产生的所述流管设备的周期性变形并且响应于所述材料流的所述转动以在陀螺平面内产生所述流管设备的周期性陀螺模式变形；

所述周期性陀螺模式变形的幅值与所述材料流的幅值相关；

传感器设备(1511、1611)，响应于所述流管设备的所述周期性陀螺模式变形而产生表示所述材料流的幅值的陀螺信号；

所述传感器设备包括一个第一传感器，用于产生代表所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号；

所述传感器设备还包括一个第二传感器(1508、1608)，用于产生代表在所述驱动平面内的所述流管设备的所述周期性变形的幅值的信号；

包括计量电子电路(1520、1620)的设备(1907、2108)，响应于由所述第一和第二传感器产生的所述信号的接收而确定在所述陀螺平面内的所述流管设备的所述周期性陀螺模式变形的幅值相对于在所述驱动平面内的所述流管设备的所述周期性变形的幅值的比；以及

包括所述计量电子电路的设备(1909、2111)，响应于所述比的所述确定而产生关于所述材料流的输出信息。

2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述输出信息包括所述材料流的质量流率。

3.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计还包括所述第一传感器(1511、1611)，用于产生代表所述流管在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号；

所述计量电子电路包括：

用于控制在所述驱动平面内的所述流管设备的所述周期性变形的幅值的设备(2001)；以及

响应于代表所述流管在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号的所述产生而确定所述材料流的质量流率的设备(2007)。

4.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述驱动频率等于所述周期性陀螺模式变形的谐振频率以便使得在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值达到最大。

5.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述驱动频率不等于周期性陀螺模式变形的谐振频率以便改变材料流密度与在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值之间的关系。

6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流管设备包括：

一根单直流管(400)；

一个位于所述流管内部的螺旋件(300)，所述螺旋件使得所述材料流绕着所述流管的所述纵向轴线(310)进行所述转动以便产生在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形。

7.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流管设备包括：

单根流管(800)，具有螺旋状，使得所述材料流绕着所述流管的所述纵向轴线(810)进行所述转动。

8.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流管设备包括：

多根绕着一根共同纵向轴线扭绞在一起而具有拉长形状的流管(500)，使得所述材料流绕着所述共同纵向轴线(510)进行所述转动。

9.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流管设备包括：

一个杆(604、704)和一根盘绕在所述杆上以形成盘旋状的流管(601、701)，该盘旋状使得所述材料流绕着所述流管和所述杆的共同纵向轴线(610、710)进行所述转动。

10.根据权利要求9所述的流量计，其特征在于，所述杆(704)基本为直杆。

11.根据权利要求9所述的流量计，其特征在于，所述杆(702)和所述流管(701)绕着所述共同纵向轴线扭绞在一起。

12.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述材料流在所述驱动平面内在所述振动流管设备上产生科里奥利力，所述科里奥利力使所述流管设备(1601)在所述驱动平面内产生科里奥利偏转；

其特征在于，所述流量计还包括：

位于所述流管设备上的传感器设备(LPO、RPO)，用于检测所述科里奥利偏转并产生包含关于所述材料流的信息的科里奥利信号；

所述计量电子电路(1620)响应于所述科里奥利信号和所述陀螺信号的产生而产生关于所述材料流的输出信息。

13.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计还包括：

一根平行于所述流管设备的平衡杆(1502、1602)；

将所述平衡杆的端部连接于所述流管设备上的连接环设备(1503、1603)；

所述驱动器使得所述流管设备和所述平衡杆在所述充有材料的流管设备和所述平衡杆的谐振频率下在所述驱动平面内反相周期性变形；

所述流管设备的所述周期性陀螺模式变形使得所述充有材料的流管设备和所述平衡杆在周期性陀螺模式变形的谐振频率下在所述陀螺平面内振动。

14.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述陀螺平面垂直于所述驱动平面并垂直于所述流管的所述纵向轴线。

15.根据权利要求13所述的流量计，还包括：

一个封装着所述平衡杆和所述流管设备的外壳(1505、1605)；

连接于所述外壳的端部的外壳端部(1509、1609)；

所述流管设备的端部(1501L、1601L、1501R、1601R)伸过所述外壳的所述外壳端部并连接于凸缘(1506、1606、1507、1607)上；

所述凸缘的第一凸缘(1506、1606)接收来自材料源的所述材料流并通过所述流量计传送所述材料流；

位于所述流管设备的输出端的所述凸缘的第二凸缘(1507、1607)接收来自所述流管设备的所述材料流并将所述材料流传送至目的地。

16.根据权利要求13所述的流量计，其特征在于，所述连接环设备包括：

第一和第二连接环(1503、1603、1504、1604)，用于将所述平衡杆的每一端连接于所述流管设备上；以及

在所述驱动平面内位于所述连接环上并固定于所述流管设备的侧向侧壁上的侧轴向伸出部分(1616)，用于改变在所述驱动平面内的所述流管设备变形和所述平衡杆变形与在所述陀螺平面内的所述流管设备和所述平衡杆的所述周期性陀螺模式变形的谐振频率区分。

17.根据权利要求13所述的流量计，还包括位于所述平衡杆的壁中的开口(1805、1806、1807、1808、1809、1810、1811)，用于改变在所述驱动平面内的所述周期性变形与在所述陀螺平面内的所述流管设备和所述平衡杆的所述周期性陀螺模式变形的谐振频率的区分。

18.一种操纵根据权利要求1所述的设备的方法；所述方法包括以下步骤：

通过使所述流管设备在所述驱动平面内振动而使所述流管设备发生周期性变形；

其特征在于，这种方法还包括以下步骤：

响应于所述材料流而使得所述材料流绕着所述流管设备的所述纵向轴线进行所述转动，所述转动使得所述流管设备在所述陀螺平面内进行所述周期性陀螺模式变形；

产生代表所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值的信号；

确定所述流管设备在所述驱动平面内的周期性变形的幅值；

确定所述陀螺平面内的所述流管设备周期性陀螺模式变形的幅值相对于所述驱动平面内的所述流管设备周期性变形的幅值的比；以及

响应于所述比的所述确定和所述信号的所述产生，而操纵所述计量电子电路产生关于所述材料流的输出信息。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：

控制所述流管设备在所述驱动平面内的周期性变形的幅值。

20.根据权利要求18所述的方法，包括以下步骤，即操纵所述流量计从而使得所述驱动平面内的所述流管设备周期性变形的所述谐振频率等于陀螺模式变形谐振频率以便使在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值达到最大。

21.根据权利要求18所述的方法，包括以下步骤，即操纵所述流量计从而使得所述驱动平面内的所述流管设备周期性变形的所述谐振频率不等于陀螺模式变形谐振频率以便改变所述材料流的密度与在所述陀螺平面内的所述周期性陀螺模式变形的幅值之间的关系。

22.根据权利要求18所述的方法，其中所述流管设备包括一根单直流管：

所述方法包括以下步骤，即将一根螺旋件插入所述流管内部，以便使得所述材料流绕着所述流管的所述纵向轴线进行所述转动。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述流管设备包括单根流管，并且其中所述方法还可包括以下步骤，即操纵所述流量计，而将其所述流管形成为限定有盘簧形状，使得所述材料流绕着所述流管的纵向轴线进行所述转动。

24.根据权利要求18所述的方法，其中所述流管设备包括多根流管，并且其中所述方法还包括以下步骤：

将所述多根流管绕着一根共同纵向轴线扭绞在一起从而限定拉长形状，使得所述材料流进行所述转动。

25.根据权利要求18所述的方法，其中所述流管设备包括单根流管，并且其中所述方法还包括以下步骤，即将所述流管盘绕在一根拉长杆上以形成盘旋状，使得所述材料流绕着所述流管和所述杆共同的纵向轴线进行所述转动。

26.根据权利要求18所述的方法，其中所述材料流在所述驱动平面内在所述振动流管设备上产生科里奥利力，所述科里奥利力使所述流管设备在所述驱动平面内产生周期性科里奥利偏转；

其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

操纵位于所述流管设备上的传感器，该传感器用于检测所述科里奥利偏转并产生关于所述材料流的科里奥利信号；

响应于所述科里奥利信号和所述陀螺信号的产生操纵所述计量电子电路而产生关于所述材料流的输出信息。

27.根据权利要求18所述的方法，其中所述流量计可包括一根平行于所述流管设备的平衡杆；

将所述平衡杆的端部连接于所述流管设备上的连接环设备；

所述方法还包括：

操纵所述驱动器以使得所述流管设备和所述平衡杆在所述充有材料的流管设备和所述平衡杆的谐振频率下在所述驱动平面内反相振动；

操纵所述流量计以便在所述陀螺力作用下，使得所述充有材料的流管设备和所述平衡杆按照所述陀螺振动模式在所述充有材料的流管设备和所述平衡杆的谐振频率下在所述陀螺平面内振动。

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