CN1335934A - 用于大质量流量测量的小规格科里奥利流量计 - Google Patents

用于大质量流量测量的小规格科里奥利流量计 Download PDF

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Abstract

一个科里奥利流量计检测器(5),它能够处理大的质量流速,并有小标记尺寸。为了减少标记尺寸,流量管(103A－103B)在入口和出口之间形成一个大体半圆的弧(150)。支撑板(120－121)安装于流量管上靠近入口和出口处,以分开流量管的振动频率。传感检测器(105－105’)安装于流量管的大体半圆弧(150)上,其位置使得检测器对要求具有小标记尺寸的流量管(103A－103B)的低幅度和高频率振动的检测能力达到最大化。

Description

用于大质量流量测量的小规格科里奥利流量计
发明领域
本发明涉及科里奥利(Coriolis)流量计。更具体而言，本发明涉及通过使用带有一套支撑板和一大体半圆弧的流量管来减小科里奥利流量计的标记(flag)尺寸。再具体而言，本发明涉及各部件的结构，这些部件通过保持零稳定性和减少流量管的振动幅度来减少作用于支撑板上的压力。
存在问题
众所周知，用科里奥利质量流量计测量质量流量和流经管道的材料的其它信息已公开于1985年1月1日授予J.E.Smith的美国专利4,491,025和1982年2月11日授予了J.E.Smith的专利31,450中。这些流量计有一个或多个弧形结构的流量管。科里奥利质量流量计的每个流量管结构有一套自然振动模式，它可以是单一的弯曲扭转型或耦合型。每个流量管在其中一种自然模式中因驱动而产生共振。振动的材料填充系统的自然振动模式一部分取决于流量管和流量管中的材料的总质量。材料从与流量计入口侧相连接的管道流入流量计，而后材料被导经流量管，并从流量计排出到与其出口侧相连接的管道。
驱动器对流量管施加作用力，以促使流量管以所希望的模式振动。正常情况下，所希望的振动模式是第一异相弯曲模式。当没有材料流经流量计的时候，所有沿着流量管的点以同等的相位振动。当材料开始流入的时候，科氏加速度使每个点沿着流量管以不同于其它点的相位振动。流量管入口处的相位滞后于驱动器，而出口处的相位领先于驱动器。检测器设置于流量管上以产生正弦信号，该正弦信号表示流量管的动作。两个检测器信号之间的相位差与流经流量管的材料的质量流速成比例。与检测器相连的电子装置部件利用相位差和信号频率来决定材料的质量流速和其它特性。
科里奥利流量计优于其它质量流量测量设备的优点是，在正常情况下，采用流量计计算材料的质量流速的误差小于0.1％。其它常规型式的质量流量检测设备，例如测流孔、涡轮机(turbine)、和涡流流量计，通常有0.5％或更大的流速测量误差。虽然科里奥利质量流量计比其它型式的质量流速设备更精确，科里奥利流量计的制造更昂贵。流量计的用户经常选择更便宜的流量计，以节约成本的目的丧失对精确度的要求。所以，科里奥利流量计的制造商希望能够生产成本较低并且实际质量流速的精确度在0.5％误差之内的科里奥利流量计，以生产出比其它质量流速测量设备更有竞争力的产品。
科里奥利流量计比其它设备更昂贵的一个原因是需要各部件减少作用于流量管上的不必要的振动。其中的一个部件是集合管，它将流量管连接在管道上。在一个双管的科里奥利流量计中，集合管还将管道中的材料流分成两股不同的流并将它们导入不同的流量管中。为了减少由外部(例如连接于管道上的泵)造成的振动，集合管必须有足够的强度去吸收振动。大多数常规的集合管由铸造金属制成以便有足够的质量。进一步来说，在集合管之间有一个间隔确定装置，以保持入口和出口集合管之间的距离。这个间隔确定装置同样是由金属或其它坚硬的材料制成，以防止外部的力振动流量管。大量用于制造这些铸件的金属提高了流量计的成本。然而，不必要振动的消除大大提高了流量计的精确度。
对于本领域的技术人员来说，第二个问题在于流量计的标记尺寸过大，导致在某些情况下无法运用。为了这次讨论的目的，标记尺寸是流量管环圈从管道向外延伸的长度。当空间大小受限制或空间大小很宝贵的时候，带有正常标记尺寸的流量计不适合这些受限制的空间。
具体问题是减小处理大流速的科里奥利流量计中的流量管的标记尺寸。为了这次讨论的目的，大流速为每分钟700磅或更多。减小标记尺寸的一个原因是处理大流速流量计中的流量管必须有大的直径。大直径流量管比小直径流量管有更高的驱动频率，并且当减小标记尺寸时更难设计。在制造小标记尺寸时大直径流量计会导致零稳定性的问题。由于这些原因，特别的问题是制造一个能够处理大流速的双流量管科里奥利流量计。
技术方案
在本发明中，上述和其它的问题能够得到解决，更先进的技术是制造带有小标记尺寸的科里奥利流量计。本发明的科里奥利流量计有能够处理大质量流速的流量管。本发明的科里奥利流量计不带有常规的集合管和间隔确定装置。代替它们的是基本上环绕着集合管的间隔确定装置。这种结构减少了流量计的成本。本发明的科里奥利流量计还具有小标记尺寸，它使本发明的科里奥利流量计能使用在空间宝贵的区域和不能使用常规标记尺寸的常规科里奥利流量计的地方。
减小流量管的标记尺寸是通过在流量管的入口端和出口端之间形成基本上成半圆弧的流量管。这个基本半圆的弧减小了流量管的升高，  以降低标记高度。为了增加流量计的精确度，半圆弧的整个长度必须振动。
驱动器安装于流量管上，其在每个流量管半圆弧上的位置基本上垂直于包括流量管进口端和出口端的平面。驱动器安装于此位置是为了使驱动器作用于流量管的能量最大化，使流量管产生振动。驱动信号作用于驱动器上以使流量管以低幅度振动，以减少作用于安装在流量管上的支撑板的压力。驱动器必须使流量管以高于常规流量管的频率振动。
为了分开流量管振动时的振动模式，第一个支撑板安装于流量管上靠近入口端的位置，第二个支撑板安装于流量管上靠近出口端的位置。支撑板是金属部件，基本上安装于每个流量管的相同位置上。
为了检测振动流量管中的科氏效应，传感器安装于流量管上，它的位置使之能够检测到低幅度振动的最大科氏力。这样可以利用低幅度振动来减少作用于支撑板上的压力。
入口集合管和出口集合管可以安装于流量管的入口端和出口端，以将流量管连接于管道。每个集合管是单独铸造的部件，以减少材料成本。每个集合管可以有一个流量路径，它大致弯曲90度以将大体半圆弧的入口端和出口端连接到管道。
间隔确定装置安装于每个集合管，以保持各集合管之间的距离。间隔确定装置的结构有四个带有相对端部的面，端部安装于入口和出口集合管。间隔确定装置包围着一个中空凹腔。这减少了用于铸造集合管和间隔确定装置的材料量。间隔确定装置顶部的开口使得集合管与从间隔确定装置向外伸出的流量管半圆弧连接。
间隔确定装置的顶端可安装一个外壳以包围流量管。所存在的问题是外壳可能以与流量管振动频率相近的频率共振。这会产生不能精确辨认流经流量管的材料的特性的问题。为了改变外壳的共振频率，一个物体可安装于外壳上以改变外壳的共振频率。
附图描述
上述和其它的特征可从下面的附图和其具体的描述中得到理解：
图1示出具有小标记尺寸的科里奥利流量计；
图2示出本发明的科里奥利流量计安装于一个间隔确定装置；以及
图3示出科里奥利流量计安装于一个间隔确定装置并被包围于一个外壳中。
详细描述科里奥利流量计的整体—图1
图1示出科里奥利流量计5，它包括流量计检测器10和流量计电子装置20。电子装置20通过导线100连接于检测器10，提供通过路径26的密度、质量流速、体积流速、总质量流量、温度和其它信息。对于本领域的技术人员来说，本发明明显可用于任何类型的科里奥利流量计5，无论驱动器的数量、传感检测器的数量、振动的操作模式如何。进一步来说，本发明可用于任何振动两个流量管103A-103B的系统，以测量当材料流经流量管时的科氏效应，而后使用科氏效应来测量材料的特性。
流量计检测器10包括一对凸缘接头101和101’；集合管102-102’；流量管103A和103B；支撑板120-121；驱动器104；和传感器105和105’。凸缘接头101-101’安装于集合管102-102’。集合管102-102’安装于流量管103A-103B的相对端部。支撑板120-121安装于下述的流量管103A-103B。驱动器104安装于流量管103A-103B，其位置可使驱动器驱动流量管103A-103B沿相反的方向振动。传感器105-105’安装于流量管103A-103B的相对端部，以检测在流量管103A-103B相对端部振动的相位差。
凸缘接头101和101’安装于集合管102-102’，并将流量管103A和103B连接到管道(未显示)。当流量计检测器10插入带有被检测材料的管道系统中(未显示)时，材料通过入口凸缘接头101进入流量计检测器10，材料总量由入口集合管102分为两股流并被等同地导入流量管103A和103B中。而后材料经流量管103A和103B进入将分股合流的出口集合管102’。材料而后经出口凸缘接头101’从检测器10流出。集合管102和102’由最少量的材料制成。
流量管103A和103B经选定并适当安装于入口集合管102和出口集合管102’，以基本上具有相同的质量分布、惯性矩、和绕弯曲轴线W-W与W’-W’的弹性模量。流量管从集合管向外延伸，基本上与其成平行状。
流量管103A-B由驱动器104以相对于弯曲轴线W和W’的反向相位和流量计的第一个异相弯曲模式进行驱动。驱动器104可以为许多众所周知的装配形式之一，例如安装于流量管103A的磁铁和安装于流量管103B的反向线圈。交流电通过反向线圈，使两个流量管103A-B产生振动。适当的驱动信号是由流量计电子装置20经由导线110作用于驱动器104的。图1的描述仅仅作为科里奥利流量计运作的一个例子，不作为对本发明的限制。
流量计电子装置20接收到分别显示在导线111和111’上的右边和左边速度信号。流量计电子装置20同时在导线110上产生驱动信号，使驱动器104振动流量管103A和103B。本发明能够对多个驱动器产生多个驱动信号。流量计电子装置20处理左边和右边的速度信号，以计算质量流速。路径26提供了使流量计电子装置20由操纵者控制的输入和输出装置。流量计电子装置20的内部部件是常规的。因此，为了简便，流量计电子装置20的完整描述在此省略。
科里奥利流量计检测器10的结构使得流量管103A-103B在将读数的精度保持在实际质量流速0.5％内的情况下，具有一个小的标记尺寸。标记尺寸是流量管环圈从与它垂直并包括相连管道的平面向外延伸的长度。科里奥利流量计检测器10结构的第二个优点是可使用成本低的集合管和间隔确定装置。
为了减小标记尺寸，流量管103A-103B在入口端151-151’和出口端152-152’之间有一个大体上半圆形的弧150-150’。大体半圆的弧150-150’由于在流量管103A-103B中形成了一个连续的弧线而减小了标记尺寸。大体半圆的弧150必须被使用，以便使流量管103A-103B形成足够的直径来处理流经科里奥利流量计5的材料的大流速。为了将流量管103A-103B顺序地接入管道，入口集合管102和出口集合管102’必须在流动路径中基本上成90度弯曲，以将流体从管道导入大体半圆的弧150-150’中。
为了取得零稳定性和分开流量管103A-103B的振动模式，第一个支撑板120和第二个支撑板121安装于流量管103A和103B。第一个支撑板120安装于流量管103A-103B、靠近入口端151处，以连接流量管103A和103B，从而控制流量管103A-103B的振动。第二个支撑板121安装于流量管103A-103B、靠近出口端152，以连接流量管103A和103B，从而控制流量管103A-103B的振动。在优选的示范实施方案中，第一个支撑板120和第二个支撑板121安装于流量管103A-103B，在大体半圆的弧150上的间隔基本上成180度。
驱动器104安装于流量管103A和103B，其在半圆弧150上的位置基本上是处于流量管103A-103B的入口151和出口152之间的中点。这个位置使得驱动器104使用最小的能量而对流量管103A-103B施加最大的力。驱动器104通过路径110从流量计电子装置20接收信号，使驱动器104以所希望的幅度和频率振动。在优选的示范实施方案中，振动频率基本上等同于流量管103A-103B的第一个异相弯曲模式，这是一个比常规的科里奥利流量计更高的频率。为了减少来自高频率的应力，我们希望在优选示范实施方案中保持低振动幅度。
为了使流量管103A-103B以高频率和低幅度振动，传感检测器105-105’必须安装于流量管103A-103B上，其位置必须能够检测到流量管103A-103B中的最大振动量。这使得传感检测器105-105’能检测到由流经材料所产生的科氏力的最大效应。在优选实施方案中，传感检测器安置于与W-W'轴线基本上成30度角的位置。然而，当使用常规电子装置驱动流量计的时候，传感检测器可安置于与W-W'轴线成25度至50度的任何位置。安装于集合管102和102’的间隔确定装置—图2
图2示出一间隔确定装置200，它安装于流量计检测器10。间隔确定装置200在入口集合管102和出口集合管102’之间保持一个恒定距离。不同于科里奥利流量计中的常规间隔确定装置，间隔确定装置200是由最少量的材料制成的。间隔确定装置200在相对两端具有方形端部190-191。在优选示范实施方案中，方形端部190-191被铸造为在集合管102-102’中的方形板。由分隔层201-202代表的四个分隔层连接该方形板190-191的各边缘，形成一个封闭件。开口210使得流量管103A-103B的大体半圆的弧150-150'从间隔确定装置200中伸出。流量管103A-103B的外壳—图3
图3示出用于包围流量管103A-103B(如图1所示)的外壳300。外壳300结构的内部是中空的，与流量管103A-103B相吻合，并且以焊接或螺母与螺栓的方式安装于间隔确定装置200。外壳300阻止空气进入封闭件。
外壳300共振的频率可以基本上与流量管103A-103B所希望振动模式的频率相同。如果这样，我们希望可以改变外壳300的共振频率，以防止错读流量管103A-103B的振动。一个技术方案是将材料体301安装于外壳300的基本上平坦的部分302上。本领域的技术人员会辨别出此材料体是附加在外壳300上的一部分。
上述是关于具有最小标记尺寸的科里奥利流量计的描述。本领域的技术人员可以设计其它的科里奥利流量计，其从字面上而言或通过等同原理侵犯了下述权利要求中的本发明。

Claims (11)

1.一种具有小标记尺寸的科里奥利流量计(5)，包括：
第一个流量管(103A)；
第二个流量管(103B)；
一个大体半圆的弧(150-150’)，它处于各第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)的入口端和出口端之间；
一个驱动器(104)，它安装于第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)上，其位置处在基本垂直于第一个和第二个流量管的弯曲轴线的大体半圆的弧上，在此，驱动器驱动第一个流量管和第二个流量管朝相反的方向振动；
安装于第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)上靠近入口端处的第一个支撑板(120)；
安装于第一个流量管和第二个流量管上靠近出口端处的第二个支撑板(121)；以及
安装在第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)上的传感检测器(105-105’)，其位置使传感检测器能够检测到最低幅度振动下的最大科氏力。
2.权利要求1的科里奥利流量计，其特征在于，还包括：
一个入口集合管(102)，它安装于第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)的入口端，以将第一个流量管(103A)和第二个流量管连接到管道。
3.权利要求2的科里奥利流量计，其特征在于，还包括：
一个处在通过入口集合管的流动路径中的基本成90度的弯头。
4.权利要求1的互补流量管，其特征在于，还包括：
一个出口集合管(102’)，它安装于第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)的出口端，以将第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)连接到管道。
5.权利要求4的科里奥利流量计，其特征在于，还包括：
一个处在通过出口集合管的流动路径中的基本成90度的弯头。
6.权利要求1的科里奥利流量计，其特征在于，还包括：
一个入口集合管(102)，它安装于第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)的入口端，以将第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)连接到管道；
一个出口集合管(102’)，它安装于第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)的出口端，以将第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)连接到管道；以及
一个间隔确定装置(200)，它安装于入口集合管和出口集合管，以在入口集合管和出口集合管之间保持恒定的距离。
7.权利要求6的科里奥利流量计，其特征在于，所述的间隔确定装置包括：
一个入口端(190)，它安装于入口集合管(102)；
一个出口端(191)，它安装于出口集合管(102’)；
在入口端和出口端之间的一个顶面(202)，一个底面(204)，一个前面(201)，和一个后面(203)；以及
贯穿间隔确定装置(200)的顶面(202)的开口(210)，第一个流量管(103A)和第二个流量管(103B)通过间隔确定装置(200)安装于所述入口和出口集合管。
8.权利要求7的科里奥利流量计，其特征在于，还包括：
一个外壳(300)，它包围着安装于间隔确定装置顶面上的所述第一个流量管和第二个流量管。
9.权利要求8的科里奥利流量计的外壳，其特征在于，包括：
一个前侧壁；
一个后侧壁；以及
一个安装于所述前侧壁和后侧壁上的材料体，以改变外壳的振动模式。
10.权利要求1的科里奥利流量计，其特征在于，所述传感检测器的位置与所述第一个和第二个流量管的弯曲轴线基本上成25-30度角。
11.权利要求10的科里奥利流量计，其特征在于，所述传感检测器的位置与所述第一个和第二个流量管的弯曲轴线成30度角。
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