CN1254662C - 一种跳绳曲线型振管及采用该振管的科氏力质量流量计 - Google Patents

Abstract

一种跳绳曲线型振管及采用该振管的科氏力质量流量计。前述振管的中心线形状全部或部分为跳绳曲线或跳绳曲线的一部分线段。前述科氏力质量流量计包括上述跳绳曲线型振管、辅助机械装置、激振装置、检测装置和变送器。该技术主要用于测量流体的质量流量。本发明突出的技术进步在于：振管形状能保持长期稳定不变，采用该型振管的质量流量计能保持长期的精度稳定性。

Description

一种跳绳曲线型振管及采用该振管的科氏力质量流量计

技术领域

本发明属于测量仪器，具体涉及一种科氏力质量流量计及其振管。

背景技术

科里奥利力(以下简称科氏力)质量流量计是一种新型质量流量计，它可以直接测量介质的质量流量、密度、温度，配合智能变送器，用户还可得到其他计算参数，如质量总量、体积流量、体积总量等。目前，已有多种型式的科氏力质量流量计。从振管型式分有单管式、双管式。从形状上分有直管式和弯管式。而弯管又分为U型管、T型管、水滴型管、箭头型管、双环路型管、弓型管、Ω型管、S型管、B型管和螺线型管等管型。

弯管式质量流量计的振管一般为如图1中标号3所示的只在一个平面内上下或左右弯曲的管体，且左右对称，而在前后方向上没有任何弯曲。对双管式科氏力质量流量计，这样的振管有前、后两个，相互分开一定距离平行设置，图1中后面的振管被前面的挡着，因而未能画出。振管3(两振管共同)穿经隔振板2后其端部到达轴向连接座9，隔振板、轴向连接座分别与振管焊接连接。每个振管的两个管口分别与轴向连接座内的左右两个分水器连通，再由分水器连通到轴向连接座两端的法兰或接头8，由此与外部管道相连通。被测流体即沿着外部管道流进法兰、分水器、振管、分水器、法兰，再流进另一侧的外部管道。

上述隔振板、轴向连接座、分水器和法兰可合称为辅助机械装置。

振管的形状一般以管体的中心线的形状来定义，又分为：振管横截面的质量重心所连接成的质量中心线、按截面几何中心所连接成的几何中心线。这里所涉及的都是质量沿振管横截面径向均布的振管，因此其质量中心线与几何中心线相同，以下统称为中心线。对管径均匀的振管来说，振管的内侧或外侧管壁的弯曲形状与振管的中心线形状相同，只有较小的比例变化。

现有技术的科氏力质量流量计除了包括振管和前述辅助机械装置以外，还包括激励振管产生机械振动的激振装置、测取振管振动信号的检测装置，以及将检测到的振动信号变换为所需形式的测量结果的变送器。

目前所有弯曲振管的管型，其弯管中心线形状均为规整的几何形状，如：

1、U型管中心线形状是一半圆形和两条直线的组合。(肖素琴、韩厚义主编的《质量流量计》，中国石化出版社，1999年3月第一版。)

2、T型管中心线形状是半圆形、90度圆弧和直线的组合。(T型管质量流量计，中国专利号96209992.9，实用新型专利，中国测试技术研究院。)

3、箭头型管中心线形状是圆弧和直线的组合。(科氏力质量流量计用箭头型振动管，中国专利号98249891.8，实用新型专利，中国测试技术研究院。)

4、水滴型管中心线形状是曲线、圆弧和直线的组合。(科氏力质量流量计用水滴型振动管，中国专利号98249890.X，实用新型专利，中国测试技术研究院。)

5、弓型管中心线形状是段圆弧。(科里奥利质量流量计，中国专利号00129058.4，发明专利，株式会社椭圆(日本)。)

6、双环路型管中心线形状近似三角形。(双环路型科里奥利质量流量计，中国专利号98803311.9，发明专利，微动公司(美国)。)

当弯管振动时，除了沿振管曲线切线方向所受的应力，和管中介质流动使振管扭转的科里奥利力外，还会产生惯性力。切向应力和惯性力处于同一平面，科里奥利力与上述力的平面垂直。理论上，科里奥利力不受切向应力和惯性力的影响，但如果振管平面内的应力和惯性力不能处于平衡状态，力的长期作用，将使振管形状发生微小改变。如振管截面因长期受力不均，会由圆形变为椭圆。如果双管式振管的两振管形变不一致，将使两管所产生的科里奥利力不对称，因而会引起振动偏差，使测量结果出现误差，导致质量流量计的长期稳定性变坏，使用一段时间，其不确定度指标会偏离出厂的检定结果。而目前所有弯管式科氏力质量流量计的缺点即在于此。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种应力和惯性力在各处都相互平衡，从而能使形状保持长期稳定不变的振管，进而提供一种采用该振管，能保持长期精度稳定性的质量流量计。

本发明实现上述目的的技术方案：

一种科氏力质量流量计的振管，其特征是所述振管的中心线形状全部或部分为跳绳曲线或跳绳曲线的一部分线段。

一种科氏力质量流量计，包括振管、辅助机械装置、激振装置、检测装置和变送器，其特征是所述振管的中心线形状全部或部分为跳绳曲线或跳绳曲线的一部分线段。

采用上述技术方案，本发明突出的技术进步在于：振管的中心线形状是依据振管在振动时的应力和惯性力相平衡计算出来的，具有长期稳定性、重复性及工艺性好等特点，振管形状能保持长期稳定不变，采用该振管的质量流量计能保持长期的精度稳定性。

附图说明

图1、现有科氏力质量流量计的机械结构示意图

图2、曲线型振管受力分析示意图

图3、本发明的跳绳曲线型振管的中心线示意图

图4、本发明的科氏力质量流量计机械结构示意图

具体实施方式

实施例1：

本实施例专门涉及振管部分，经过下述分析计算，获得类似跳绳时的柔性绳索的曲线函数式，并提出使振管弯制成其中心线类似上述跳绳曲线的加工方法。

以振管的中心线绘出的曲线如图2所示，该振管的振动可看成绕X轴以角速度ω转动。因为该曲线对Y轴对称，这里仅取X为正的右半部来分析。将振管视为完全柔性，则图2中曲线顶部水平张力为F₀，切向张力S的两个分量为：

Sy＝S·sinθ       ------------------------(1)

Ax＝S·cosθ       ------------------------(2)

在曲线上取一微小长度dl，其上作用着惯性力dpy：

dpy＝-γ·dl·y·ω²  ---------------------(3)

γ跳绳曲线振管的线密度，单位：kg/m；

ω跳绳曲线振管的转动角速度，单位：1/s；由几何关系知：

$\mathrm{dl}=\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}\·\mathrm{dx}---\left(4\right)$

对跳绳曲线来说，在以上各力的作用下，该曲线各处都应处于上述各力平衡状态，因此得：

∑Fx＝0；Sx-F₀＝0 --------(5)

∑Fy＝0； $\mathrm{Sy}-{\∫}_0^X\mathrm{dPy}=0---\left(6\right)$

由图1可知曲线边界条件为：

x＝0时； $\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=0---\left(7\right)$

x＝0时；y＝-H  -------------(8)

由上述公式(1)至(8)联立求解，可获得跳绳曲线上斜率与纵坐标高的几何关系：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\±\sqrt{{[\frac{K}{2}{H}^2(1-\frac{y^2}{H^2})+1]}^2-1}---\left(9\right)$

式中： $K=\frac{\mathrm{\γ}\·{\mathrm{\ω}}^2}{F_0},$ 单位：1/m²；

由(9)式积分得：

$x\left(y\right)={\∫}_{-H}^Y\frac{\±1}{\sqrt{{[\frac{K}{2}{H}^2(1-\frac{y^2}{H^2})+1]}^2-1}}\·\mathrm{dy}---\left(10\right)$

根据边界条件，y＝0时， $\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_0,$ 代入(9)式得：

${\mathrm{tg\θ}}_0=\±\sqrt{{(\frac{K}{2}{H}^2+1)}^2-1}---\left(11\right)$

或： $\frac{K}{2}{H}^2=\sqrt{{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\θ}}_0+1}-1=\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_0}-1---\left(12\right)$

将式(12)代入式(10)得：

$x\left(y\right)={\∫}_{-H}^y\frac{\±1}{\sqrt{{[(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_0}-1)\·(1-\frac{y^2}{H^2})+1]}^2-1}}\·\mathrm{dy}---\left(13\right)$

(13)式即为跳绳曲线函数式的积分表达公式。由该式可知，只要确定了曲线的起始角θ₀和高H，就可通过数值积分获得唯一的跳绳曲线，而与振管的线密度和水平张力无关。

若选取起始角为60度，曲线高为168.6mm时的跳绳曲线计算公式如下：

$x\left(y\right)={\∫}_{-168.6}^y\frac{\±1}{\sqrt{{\left\{\right[\frac{1}{\cos (60\·\frac{\mathrm{\π}}{180})}-1]\·(1-\frac{y^2}{{168.6}^2})+1\}}^2-1}}\·\mathrm{dy}$

图3为用该组数据和相应函数式绘出的跳绳曲线的完整图形，图中底部所标为X坐标数值，左侧所标为Y坐标数值。

起始角θ₀和高H的选取原则为：

1、根据弯管工艺所能弯曲的最小弧度，或弯管进出口之间的最大距离，来初步确定起始角θ₀；

2、依据振动频率、弹性模量和惯性矩等计算出的振管长，来初步确定高H；跳绳曲线的线长由下式确定：

$2\×{\∫}_{-H}^0\sqrt{1+{\left\{\frac{1}{\sqrt{{[(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_0}-1)(1-\frac{y^2}{H^2})+1]}^2-1}}\right\}}^2}\·\mathrm{dy};$

3、通过多次试算，最后确定满足上述1、2两条的起始角θ₀和高H。

由跳绳曲线的推导过程可知，该曲线各处的应力和惯性力都相互抵消平衡，因此以该曲线为中心线的振管也不会再受不平衡力的影响。

应用中，振管的中心线可以全部为跳绳曲线，也可以只在其中某一部分采用跳绳曲线或跳绳曲线的一部分线段，如将U型管的直管段和少部分圆弧过渡段保留，大部分圆弧段改为跳绳曲线，等等。

实际上，不仅是中心线，振管的内侧或外侧管壁的弯曲形状也可以全部或部分是跳绳曲线或跳绳曲线的一部分线段。

加工制造中心线为跳绳曲线的振管的方法有两种，方法1：通过对(13)式的数值积分，可得到等间隔的曲线上各点坐标数值。采用适当的工装和数控弯管机等设备，可制成中心线为跳绳曲线型的振管。方法2：采用圆弧和分段直线来使振管中心线逼近跳绳曲线。

实施例2：

采用实施例1中所述的跳绳曲线型振管，和其他必要组成部分如辅助机械装置、激振装置、检测装置和变送器等相结合，即构成本发明的科氏力质量流量计，附图4为本发明的科氏力质量流量计的机械结构示意图。图中标号说明(为能看清内部结构，图4中未画壳体部分)：

1、温度探头，2、隔振板，3、跳绳曲线型振管，4、检测装置组件，5、稳定块，6、支撑杆，7、激振装置组件，8、法兰，9、轴向连接座。

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Claims (2)

1、一种科氏力质量流量计的振管，其特征是所述振管的中心线形状全部或部分为跳绳曲线或跳绳曲线的一部分线段。

2、一种科氏力质量流量计，包括振管、辅助机械装置、激振装置、检测装置和变送器，其特征是所述振管的中心线形状全部或部分为跳绳曲线或跳绳曲线的一部分线段。

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