CN1437698B - 科氏流量计用的低热应力平衡杆 - Google Patents

Abstract

一种单直管科氏流量计(200)，它有一个平衡杆(202，203)，其总长度可以根据变化的热状态而自由变化，而不将应力传递给通过撑杆(210，211)被平衡杆两端联接的流量管(201)。该平衡杆有多个独立的区段(202，203)，其长度可以变化而不影响平衡杆的总长度。这些独立的平衡杆区段具有一个降低的谐振频率，等于带有物料流的充满物料的振动的流量管的谐振频率。这些平衡杆区段的这个降低的频率使它们能够有一个响应平衡杆的科氏偏转的物料流的科氏状偏转。这些平衡杆区段的科氏状偏转与流量管的并联部分是相位相反的，因此流量计对物料流的灵敏度由于固定在流量管上的传感器(LPO，RPO)的振幅增大而提高。

Description

科氏流量计用的低热应力平衡杆

技术领域

本发明涉及一种科氏流量计，它有一个能够承受范围广泛的热状态而不会对其上联接平衡杆的流量管产生应力的平衡杆。

背景技术

单独直管科氏流量计通常具有一个与流量管共轴线的同心的平衡杆。该平衡杆相对于流量管以异相180度振动，从而抵消流量管的驱动模式振动。平衡杆和充满物料的流量管组成一个以其谐振频率振动的动力平衡的结构。平衡杆的两端通过环形撑杆刚性地固定在流量管上。称为节点的无振动区位于撑杆中，它们界定流量管工作部分的两端。

流量管外表面和平衡杆内表面之间的径向距离通常保持很小，既为了结构紧凑，也为了调准平衡杆的谐振频率。流量管和平衡杆之间的直径的小的差别，产生一种非常坚固的连接。

平衡杆的先有技术的设计的一个问题是，它们将一个显著的热应力加在流量管上。科氏流量管的热应力有三种明显不同的类型。第一种是热震。如果一个在寒冷气候中的科氏流量计突然接受热的物料，该热的流量管试图膨胀，但受到围绕的冷的平衡杆和流量计外壳的限制。先有技术设计使用一个弹性模数很低的钛流量管。钛的低的热膨胀率和高的屈服强度使流量管能够承受热震的高应力而不受损坏。

第二类型的热应力是由科氏流量计的升高的或降低的均匀温度产生的。这种热应力在化学工厂或食品工厂中是普遍的，在那里科氏流量计外壳是绝缘的或加热的，以便将整个仪表保持在物料的温度。如果整个科氏流量计是钛做的，那么均匀的仪表温度不会产生任何应力，但钛太贵，不能用于整个仪表。大多数先有技术的科氏流量计用钛流量管，因为钛的膨胀率和弹性模数都很低。由于费用原故，它们采用一个不锈钢的平衡杆和外壳，即使钛是最佳材料。这些科氏流量计在升高的均匀温度下产生热应力，因为这些不同的材料具有不同的膨胀模数。一个在70度时设有应力的科氏流量计在均匀的200度时有显著的应力，因为不锈钢的平衡杆和外壳的膨胀率是钛流量管的膨胀率的两倍多。

在第三类型的热负荷中，加在流量管上的应力是由于一种其中物料和环境具有不同温度的稳态热状态而产生的。一种在寒冷气候中测量热物料的科氏流量计最终达到热平衡状态，此时钛流量管达到物料温度而平衡杆只是稍许冷一些。但是，外壳可能冷得多，这取决于环境条件。例如，如果外壳暴露在冷风中，外壳的温度可能仅比环境温度高几度。当冷的外壳限制平衡杆和流量管试图的膨胀时，应力就产生了。当不锈钢平衡杆试图以钛流量管的两倍膨胀率膨胀时，应力也会产生。

商售的单独直管科氏流量计必须能够经受所有三种类型的热负荷而不会遇到永久性损坏，而且在物料测量中理想地不会有过大误差。平衡杆两端是通过撑杆刚性地固定在流量管上的。这有效地将流量管划分为三个部分。在两个撑杆之间并位于平衡杆内部的中央部分是流量管的工作部分。这一部分相对于平衡杆异相振动。流量管的从平衡杆的两个轴向端部延伸到外壳两端的两个部分不会振动，是流量管的非工作部分。

当上述先有技术的科氏流量计暴露于第一类型的热负荷即热震时，流量管的工作部分和非工作部分两者经受同样的热应力。这是由于，不管是限制流量管的工作部分的平衡杆还是限制流量管的非工作部分的外壳，其温度或长度都没有变化，而流量管的三个部分迅速达到像物料一样的升高温度，并具有同样的热应力。当先有技术的科氏流量计暴露于具有均匀的升高温度的第二类型热负荷时，流量管的三个部分再一次经受同样的热应力。平衡杆和外壳两者都是不锈钢并以同一膨胀率膨胀。钛流量管试图以不同的膨胀率膨胀，但受平衡杆和外壳的限制。

在第三种热负荷的热状态下，流量管和平衡杆几乎达到物料温度，而外壳仍然是冷的。热的平衡杆膨胀其长度，而冷的外壳并不膨胀。流量管的非工作部分位于外壳两端和伸长的平衡杆之间。平衡杆和外壳两者的横截面积比流量管大得多，迫使流量管的非工作部分缩短长度。因为流量管的非工作部分是热的，如果不受限制，它将增加长度，长度的被迫缩短会产生应力，该应力甚至可能超过钛流量管的屈服强度。同时，流量管的工作部分由于连接在热的不锈钢平衡杆上而在其两端受到限制。不锈钢的膨胀系数比钛流量管的大得多。取决于平衡杆和流量管之间的温度差，流量管的工作部分可能处于张力之下，因为平衡杆温度近似地等于流量管温度。当平衡杆温度低于流量管温度时，它也可能受到压紧。

流量管的非工作部分由于温度梯度而受到高度的应力，这种状况是先有技术科氏流量计的一个问题。在先有技术的科氏流量计中该问题通常是通过限制科氏流量计可能操作的温度范围来解决的。这是不希望有的，因为许多顾客希望在超过由热应力规定的限度的温度下测量物料的流动速率。

发明内容

本发明利用一种使流量管的工作部分和非工作部分中的应力在任何热状态下都尽可能低的平衡杆来克服上述和其它问题。该平衡杆的中间区段沿轴向是可以变动的，因此平衡杆两端的长度变化不会在流量管上施加显著的轴向力。这保证流量管的工作部分和非工作部分上的热应力始终相等。这种应力相等的状态是流量管的可能应力最小的状态。由于轴向可以变动的平衡杆，流量管中的剩余应力只是流量管和外壳之间的差别膨胀的函数。平衡杆的膨胀和收缩被消除了，不会对流量管产生应力。

本发明的平衡杆的再一个优点是费用。大多数先有技术的科氏流量计需要一个不锈钢的平衡杆来使费用保持合理。为了扩展科氏流量计的温度范围，要求先有技术的平衡杆的膨胀系数尽可能接近流量管材料(钛)。最好的先有技术平衡杆完全用钛制成。但是，一个大尺寸科氏流量计中的钛平衡杆的费用可能大到不锈钢平衡杆的六倍。本发明的平衡杆具有增大的轴向柔量，它不会在流量管上施加轴向力。平衡杆的热膨胀无关紧要，因此可以用不太贵的材料制造并具有宽的温度范围。

本发明有几个可能的示范性实施例。第一实施例是一个具有两个独立的端部部分和一个空的中央部分的平衡杆。每个端部部分紧固在一个相应的撑杆上，并通过撑杆固定在流量管的工作部分的两端上。这两个独立的平衡杆端部部分的行为像悬臂梁，它们被设计成具有充满物料的流量管的谐振频率。该中央空区段能够将平衡杆的驱动方式频率降低到流量管的驱动方式频率，而不需要先有技术仪表的附加的平衡杆块体。它是通过从平衡杆除去刚性来做到这一点的。这使科氏流量计达到动力平衡。驱动器包括一个驱动线圈，由于平衡杆的中央部分是一个空区段，该驱动线圈紧固在外壳上，而一个磁铁紧固在流量管上。这两个独立的平衡杆端部部分根据流量管的驱动方式振动而受撑杆运动的被动驱动。这两个独立的平衡杆端部部分响应流量管的驱动方式振动，并对撑杆区施加一个转矩，该转矩抵消由流量管工作部分的两端施加在撑杆上的转矩。平衡杆两端部分的编转也抵消振动的流量管的动量。

该平衡杆设计除了节省费用和扩展温度范围而不对流量管产生应力外还有一个附加的优点。一个先有技术单管流量计中的平衡杆能够抵消流量管的驱动方式的振动，但是它不能平衡在物料流动状态期间由施加在流量管上的科氏力产生的流量计的振动。科氏力和偏转施加在一个带有物料流的振动流量管上。流量管的两个轴向半部具有反方向施加的科氏力。流量管的两个轴向半部的产生的科氏偏转也是方向相反的。这些力和偏转正比于物料流动速率，它们产生的振动不能够用常规平衡杆上的固定重量来抵消。

由于平衡杆的两个端部部分的独立性，本发明的平衡杆能够抵消这些科氏力。平衡杆中央的空区段降低平衡杆两端端部的处于彼此异相振动方式中的谐振频率。这种方式由于其形状而被称作科氏状方式。该中央空区段将这种方式的谐振频率降低到低于驱动频率。每个平衡杆端部部分相对于处在驱动方式振动频率中的流量管产生异相谐振。因为流量管的科氏偏转发生在驱动方式频率，所以这两个独立的平衡杆端部部分响应这些科氏偏转就像响应驱动方式偏转一样容易。这两种响应的驱动力是同样的。它是两个撑杆的运动。左平衡杆端部部分对科氏激发具有像它对驱动方式激发所有的那样的同样响应。这两种激发方式之间的差别在于，驱动方式激发是一种振幅恒定的激发，流量管工作部分的两端彼此同相。科氏激发的振幅正比于流动速率，流动工作部分的两端彼此异相180度。独立的平衡管两端部分具有有效地抵消流量管的科氏力的科氏状偏转。当流动速率(以及因此而科氏力)增大时，异相的科氏状偏转增大平衡杆的振幅而与流量管的科氏振动异相。

科氏力振动被平衡杆两端部分的抵消产生一种更精确的科氏流量计。先有技术科氏流量计的未平衡的科氏力产生一种科氏流量计在驱动方式频率下的摇动。这种正比于流动速率的摇动改变物料流的科氏加速度和传感器产生的输出信号。可以对这种误差进行补偿，除了它依赖于科氏流量计的安装的刚度以外。一种具有刚性安装的科氏流量计存在微小的误差，而一种具有软性安装的科氏流量计具有较大的误差。因为商业用途的科氏流量计的安装条件不知道，所以通常不可能对它们进行补偿。

本发明的另一个实施例具有被驱动线圈架弱联接的平衡杆两端部分。这些托架使驱动器能够安装在轴向中央部分，使得驱动器的线圈和磁铁能够以相反相位驱动平衡杆两端部分和流量管。这些托架用足够薄的金属制成，其几何尺寸能使平衡杆两端部分阻力很小地沿轴向膨胀和收缩。这些可以弯曲的托架也便于两个平衡杆端部分的抵消所加科氏力的异相运动。

另一个替代的实施例便于两个平衡杆端部部分的膨胀和收缩，但并不便于两个端部部分的异相运动。这允许一起使用一种不贵的平衡杆材料，并提供一个大的温度范围。该实施例并不便于平衡杆两端端部的抵消科氏力的异相运动。

又一个实施例提供一种具有通过可以弯曲的侧条而联接在一个中心区段上的独立的两端部分的平衡杆。中央区段和平衡杆两半部中的切口增大了轴向柔量。

概括地说，本发明通过断开平衡杆的两个端部部分而解决平衡杆的三个问题。它允许平衡杆用不贵的材料制造。它允许有一个较宽的温度范围而在流量管上产生较小的轴向应力，而且它通过抵消施加在流量管上的科氏力而提供一种更精确的科氏流量计。

本发明的一个方面是一种适合于在一个入口处接受物料流并通过流量管机构将所述物料流延伸到科氏流量计的一个出口处的科氏流量计；所述科氏流量计还包括：

一个平衡杆，其位置平行于所述流量管机构；

撑杆，用于将所述平衡杆的第一和第二端联接在所述流量管机构上；

一个驱动器，它使所述流量管机构和平衡杆以相反的相位振动；

传感器机构，联接在所述平衡杆和所述流量管机构上，以产生代表所述带有物料流的振动流量管机构的科氏响应的信号；

一个轴向中央部分，包括驱动线圈架机构和弹簧机构；

所述平衡杆包括一个第一部分，它从所述撑杆的第一撑杆朝向所述轴向中央部分轴向向内延伸；

所述平衡杆包括一个第二部分，它从所述撑杆的第二撑杆朝向所述轴向中央部分轴向向内延伸；以及

所述轴向中央部分将所述第一平衡杆部分联接于所述第二平衡杆部分，

其中所述弹簧机构垂直于所述流量管机构的轴线定向，并且将所述驱动线圈架机构联接在所述平衡杆的所述第一和第二部分的轴向内末端上，并且所述弹簧机构具有轴向柔量，该柔量能根据科氏流量计的热变化使所述平衡杆改变长度，而不将任何附加的轴向应力传递给所述流量管机构。

另一个方面是，所述科氏流量计包括一个外壳，其特征在于，所述流量管机构包括一个直流量管。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述平衡杆与所述直流量管共轴线。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述传感器机构包括一对速度传感器，所述传感器的第一个联接在所述平衡杆的所述第一端部部分和所述流量管上，而所述传感器的第二个联接在所述平衡杆的第二端部分和所述流量管上。

另一个方面是，所述科氏流量计，所述外壳包围所述直流量管、所述撑杆和所述平衡杆。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述流量管机构为单根流量管，所述传感器机构包括一对速度传感器，所述速度传感器中的第一个联接于所述第一平衡杆部分和所述单根流量管，所述速度传感器中的第二个联接于所述第二平衡杆部分和所述单根流量管。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述驱动器包括：

所述驱动线圈架机构与所述流量管机构共轴线，并且其轴向长度小于所述第一和第二平衡杆部分之间的距离；

轴向延伸的支承杆将所述第一和第二平衡杆部分联接在所述驱动线圈架机构上；

所述延伸的支承杆位于所述平衡杆的一个振动中性平面内，并且其取向平行于所述流量管机构的纵轴线；

所述驱动线圈架机构在所述驱动线圈架机构的壁中限定一些第一槽，所述第一槽平行于并靠近所述驱动线圈架机构的轴向外端；

通过所述驱动线圈架机构的壁限定并定位在所述第一槽和所述驱动线圈架机构的轴向外端之间的一组第一组弹簧，所述第一组弹簧根据平衡杆的轴向长度变化而弯曲。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，

所述弹簧机构的第一端连接于所述驱动线圈架机构；

所述弹簧机构的第二端连接于所述第一和第二平衡杆部分；

所述弹簧机构根据所述第一和第二平衡杆部分的轴向长度变化而弯曲。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述驱动线圈架机构包括：

一个第一驱动线圈架，具有平行于所述流量管机构纵向轴线的平直表面；

一第二驱动线圈架，具有平行于所述流量管机构的所述纵向轴线的平直表面；

所述弹簧机构包括将所述第一驱动线圈架连接于所述第一和第二平衡杆部分的第一组弹簧；

所述第一驱动线圈架的所述平直表面适合于接纳所述驱动器的线圈；

一驱动磁铁连接于所述流量管机构并与所述驱动线圈磁耦合；

所述弹簧机构还包括将所述第二驱动线圈架连接于所述第一和第二平衡杆部分的第二组弹簧；和

一固定于所述第二驱动线圈架的所述平直表面的块体。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述第一和第二组弹簧具有连接于所述第一和第二平衡杆部分的端部。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述驱动线圈架机构包括：

一个第一驱动线圈架，固定在所述平衡杆的顶部；

一个第二驱动线圈架，固定在所述平衡杆的底部上；

所述弹簧机构将所述第一驱动线圈架联接在所述第二驱动线圈架上；并且

所述弹簧机构适合于根据所述平衡杆的轴向长度变化而围绕其端部弯曲。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述弹簧机构包括：

一个联接在所述第一驱动线圈架上的所述弹簧机构的第一端部；

一个联接在所述第二驱动线圈架上的所述弹簧机构的第二端部。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，还包括：

一个第一块体，固定在所述平衡杆的轴向内端的下部上；

一个第二块体，固定在所述平衡杆的所述轴向内末端的上部上。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于，所述驱动器包括：

一个第一驱动线圈，固定在所述第一驱动线圈架的一个表面上；

一个第一磁铁，与所述第一驱动线圈保持磁耦合，并固定在所述流量管机构上；

一个第二驱动线圈，固定在所述第二驱动线圈架的一个表面上；

一个第二磁铁，与所述第二驱动线圈保持磁耦合，并固定在所述流量管机构上；

所述第一和第二驱动线圈和所述第一和第二磁铁根据驱动信号的接受起作用，以使所述流量管机构和所述平衡杆以相反的相位振动。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于：

所述第一和第二平衡杆部分的壁限定出一些沿圆周取向的第二槽；

一组第二组弹簧定位在所述第二槽和所述轴向延长支承杆之间的壁中，所述第二组弹簧根据所述平衡杆的轴向长度变化沿轴向弯曲。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于：

所述支承杆与所述第一组和第二组弹簧限定一些弹簧，它们根据所述平衡杆的轴向长度变化而弯曲，而不将任何附加的轴向应力传给所述流量管机构。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于：

所述驱动线圈架机构的一个顶部有一个平整表面，所述表面带有一个孔，用于容纳所述驱动器的一个线圈；

所述驱动器的一个磁铁与所述驱动器线圈保持电磁耦合，并联接在所述流量管机构上。

另一个方面是，所述科氏流量计，其特征在于：

所述驱动线圈架机构是圆筒形的，其直径等于所述平衡杆的直径。

附图说明

结合附图阅读下列详细描述可以更好地理解本发明，附图中：

图1公开一种先有技术的直管科氏流量计。

图2公开一种按照本发明的第一示范性实施例的直管科氏流量计。

图3、4、5公开按照本发明的流量管和平衡杆的振动方式的形状。

图6和7公开一种按照本发明的第二示范性实施例的直管科氏流量计。

图8和9公开一种按照本发明的第三示范性实施例的直管科氏流量计。

图10、11、12公开一种按照本发明的第四示范性实施例的直管科氏流量计。

具体实施方式

图1的描述

图1公开一种直管科氏流量计100，它有一个被平衡杆102围绕的直的流量管101，而流量管101和平衡杆102被外壳104围绕。撑杆110和111将平衡杆102的两端部联接在流量管101的外壁上。流量管101还包括流量管延长部件101A和101B。部件101是撑杆110和111之间的流量管工作部分。延长部件101A和101B是流量管的非工作部分，并将撑杆110和111连接到外壳端部108和109上。部件113和114可以看作是流量管的一部分，因为这两个部件通过预部105和115延伸到法兰112和112A上。部件106是流量计的物料输入口。部件107是流量计的物料输出口。仪表电子线路121经过路径123施加一个信号给驱动器D，以便以相反相位振动平衡杆102和流量管101。传感器(速度传感器)LPO和RPO检测带有物料流的流量管101的振动并产生指示科氏响应的相位的输出信号。传感器和输出信号经过路径122和124施加到仪表电子线路121上，后者在路径125上产生一个含有关于物料流的信息的输出。

平衡杆102通过撑杆110和111刚性联接在流量管101上。流量管101通过流量管部分101A和101B密封联接在外壳端部108和109上。在流量管温度相对于平衡杆102和外壳104突然提高的状态期间以及流量管温度不同于平衡杆102和/或外壳104的温度的稳态条件下，流量管在平衡杆上和外壳上的密封联接在流量管上产生热应力。

一个科氏流量计内有三种可能的热应力类型。第一类型是热震。在该类型中，流量管101可能突然接受一种热的(或冷的)物料。该热的流量管101试图膨胀，但受围绕的冷的平衡杆102和外壳104的限制。这个在此种条件下产生的应力导致流量管的工作部分101试图沿轴向膨胀得比冷的平衡杆更大。流量管的非工作部分101A和101B经受该应力并试图沿轴向膨胀得比外壳104更大。如果流量管用钛制成，那么由于钛的弹性模数小，热震产生的问题会减到最小。虽然使用钛流量管能将应力问题减到最小，但流量管上的应力能够改变流量管的刚性。这会使由振动的流量管产生的输出信息的精度变坏，并转而使科氏流量计的精度变坏。

当整个流量计受到均匀的升温或降温时，出现第二类型的热应力。即使使用钛流量管，流量管也会经受热应力，因为不锈钢的平衡杆102和外壳104的膨胀率大于钛流量管101的膨胀率的两倍。即使钛流量管能够经受此种应力而不产生永久性机械形变，其变化的刚度也会使产生的输出信息的精度变坏。

第三类型的热应力的特征是一种稳态热状态，在该状态下流动物料和环境具有不同的温度。一个在寒冷气候中测量热物料的科氏流量计最终达到一种热平衡状态，此时钛流量管达到物料的温度，而平衡杆仅仅稍冷一些。外壳可能冷得多，取决于环境条件，如在北极地区使用。当冷的外壳限制由平衡杆和流量管产生的膨胀要求时，应力就产生了。当不锈钢平衡杆试图以钛流量管膨胀率的两倍膨胀时，也产生应力。在这些条件下，热的平衡杆试图沿长度膨胀，而冷的外壳却并不。流量管的非工作部分101A和101B是连接在外壳两端和膨胀的平衡杆之间的。平衡杆和外壳两者的横截面比流量管大得多，它们迫使流量管的非工作部分101A和101B沿长度缩短。因为流量管的这两个非工作部分试图沿长度伸长，所以由更大的平衡杆施加的力对流量管部分101A和101B施加应力。该应力水平可能超过钛流量管的屈服强度。同时，流量管的工作部分101的两端受平衡杆和撑杆的束缚。不锈钢平衡杆的膨胀系数比钛流量管要大得多。因此，取决于不锈钢平衡杆和钛流量管之间的温差，流量管101的工作部分可能受到张力。当平衡杆温度低于流量管温度时，它也可能受到压缩力。

因此可见看到，图1中所示的先有技术的直管科氏流量计在流量管上受到热应力，这种热应力恶化流量计产生的输出信息，并在极端情况下还能永久性地损坏流量管。

图2的描述

图2公开本发明的第一可能的示范性实施例，包括一个直管科氏流量计200，它在许多方面与图1的先有技术科氏流量计100相似。差别是图2和平衡杆的中心区段已移去。

图2公开的直管科氏流量计200的流量管具有工作部分201与非工作部分201A和201B。科氏流量计200还包括平衡杆端部区段202、203和一个空的中央区段202V、一个外壳204和端部法兰212、212A。外壳204具有端部部分208和209，通过颈部205和215连接到端部法兰212和212A上。流量计的入口是左边的部件206，出口是右边的部件207。锥形连接环节213和214将颈部205和215的内壁联接到流量管部件201A和201B的外表面上。撑杆210和211将平衡杆区段202和203的沿轴向的外端部分联接在流量管201上。传感器LPO和RPO每个包括一个线圈C和一个磁铁M。驱动器D包括一个固定在流量管201上的磁铁217和连接在驱动器线圈架221的平整表面上的线圈216，托架221的支脚部分连接在外壳204的内壁220上。部件222是平衡杆区段202的沿轴向的内端；部件223是平衡杆区段203的沿轴向的内端。

以图1中描述的同样方式，驱动器D使流量管201和平衡杆区段202、203以相反的相位振动。流量管201的振动通过撑杆210和211将振动力延伸到平衡杆端部区段202和203的端部，使它们就流量管的驱动方式振动而言，以与流量管201相反的相位振动。传感器(速度传感器)LPO和RPO检测带有物料流的振动流量管201的科氏响应，并产生指示该物料流的输出信号。这些输出信号经过路径122和124传送到仪表电子线路121，后者处理这些信号并产生指示该物料流的输出信号。

因为图2的科氏流量计200的平衡杆中央部分有一个空的区段202V，所以两个独立的平衡杆端部区段202和203固定在各自的撑杆210和211上，并通过这两个撑杆固定在流量管的工作部分201上。平衡杆端部区段202和203的行为像悬臂梁，而每个具有像充满物料的振动流量管一样的谐振频率。因为流量管和平衡杆端部区段202、203是以相反的相位振动的，而且因为它们具有相同的谐振频率，所以它们构成一个动力平衡的振动结构，该结构不会将振动从外部传递给流量计。

图2的科氏流量计200的另一个优点是，平衡杆的空的中央区段202V使平衡杆端部区段202和203能够响应变化的热状态而沿长度膨胀或收缩，并不将一个应力传递给流量管的工作部分201。结果，平衡杆使用的材料不需要是昂贵的不锈钢，而可以用一种较便宜的材料制造。图2的流量管上的唯一产生的热应力是由外壳的相对热膨胀或热收缩传递的热应力。

总结图2的实施例，位于平衡杆的两个端部区段202和203的半中间的空区段202V将区段202和203的驱动方式谐振频率降低到流量管201的谐振频率。空区段202V也将平衡杆的科氏状方式的谐振频率降低到低于驱动频率。该空区段由此增强了平衡杆端部区段202和203相对于流量管201的科氏状异相响应。这增强了科氏流量计的物料流灵敏度。流量计200要求驱动器D安装在外壳和流量管之间。图2的实施例也有利于该空区段202V保护流量管601免受因平衡杆端部区段202和203的轴向长度变化而产生的任何应力。

图3、4、5的描述

图3表示图2的独立的平衡杆区段202和203如何响应流量管201的驱动方式振动。该驱动方式振动产生由流量管施加在撑杆210和211上的转矩。该转矩延伸到平衡杆的端部区段202和203，使它们以与流量管201的相应部分相反的相位振动。平衡杆端部区段的这种偏转与振动流量管的偏转相反，使得流量管和平衡杆端部区段一起抵消彼此的振动和转矩，并产生一个动力平衡的振动结构。该平衡杆还有一个优点，就是它减少平衡杆所用材料的费用，并在扩展的温度范围内在流量管上产生较小的应力。

图1的科氏流量计的平衡杆抵消流量管的驱动方式的振动，但是它绝不平衡在物料流动期间由施加在流量管上的科氏力产生的流量计的振动。图4例示科氏力和在一个带物料流的振动流量管201上产生的偏转。箭头表明施加在工作流量管201的两半部上的科氏力方向相反。在图4中，流量管左半部上的科氏力箭头沿向上方向；后半部上的箭头沿向下方向。结果，流量管两半部上产生的科氏偏转方向相反。这些力和偏转与物料流动速率的大小成正比，不可能被平衡杆上的附加重量所抵消。而且，施加在流量管上的力其大小和方向以驱动方式频率正弦曲线连续变化。对于图4中所示的状态，可以看出，流量管201试图围绕其中心C沿顺时针方向转动，因为向上的力施加在其左半部303上，而向下的力施加在其后半部304上。在振动周期中的稍后时间，这些力改变方向，而流量管然后试图围绕其中心C沿反时针方向转动。这种流量管上转动力的振荡变化产生不希望有的振动，这种振动会有害地影响流量计产生的物料流信息的输出精度。

因为图3的科氏偏转是在驱动方式频率下出现的，所以由此可见，平衡杆端部区段很容易响应流量管的这些科氏偏转，就像它响应流量管的驱动方式偏转一样。这两种响应的驱动力是同一个。它是撑杆210。和211的振动运动。这示于图5中。可以看出，左平衡杆区段202具有像图3的平衡杆左半部一样的对同一激发的同样响应。这两种激发方式之间的差别是，驱动激发为恒定振幅而流量管201的工作部分的两端为彼此同相。科氏激发方式的振幅正比于物料流动速率，而平衡杆的两个端部区段202和203的振动彼此异相180度。平衡杆端部区段202和203有效地抵消流量管上的科氏力，因为当流动速率和科氏力增大时它们增大其振幅。在图5中可以看到，平衡杆端部区段202和203的偏转与它们的流量管201的相应部分的科氏偏转异相。结果，施加在带有物料流的振动流量管上的科氏力被它们的平衡杆端部区段202和203的相应部分的偏移的振动偏转有效地抵消。这种科氏力的抵消产生一种更精确的科氏流量计，因为先有技术科氏流量计的会产生科氏流量计以驱动频率摇动的非平衡科氏力，在本发明的科氏流量计中被消除了。

图6和7的描述

图6和7公开一种实施本发明的科氏流量计600的另一实施例。该实施例不同于图2实施例之处主要在于，两个平衡杆端部区段602和603被一个包括一可以弯曲的驱动线圈架640的中心区段联接。该托架640允许一个驱动器D的线圈作为平衡杆的一部分安装在惯常的位置中。流量管上的驱动器线圈和一个附属磁铁可以以与流量管601相反的相位直接驱动平衡杆端部区段。驱动线圈架640的结构包括可以弯曲的片簧638，后者允许平衡杆端部区段沿轴向膨胀和收缩，而不会在流量管上产生比使片簧638弯曲所需的力所伴随的那些应力更大的应力。片簧638也允许平衡杆端部区段602和603采取一种科氏状的响应，它与流量管的科氏响应异相，并抵消振动流量管的科氏偏转。

驱动线圈架结构640包括一个平整表面646，其上安装驱动器线圈644。该结构640包括四个片簧638，后者有一个在其下端弯曲的直角，并被固定在支承杆642上，支承杆642组成平衡杆端部区段602和603的内端636、637的延伸部。部件640A是一个有一孔641的托架，它安装块体643。托架640A用一组下面的片簧638A联接到支承杆642上。块体动力平衡驱动线圈644的质量。

图6和7的实施例的流量计结构的其余部分与图2的实施例的其余部分相似并包括下述部件：外壳604、外壳端部608和609、入口606、颈部605和615、锥形连接部件613和614、包括其非工作的端部部分601A和601B的流量管601、具有在平面之外的弯曲部件634的外壳连接环节631和632、包括侧壁延伸部610A主611A的撑杆610和611、外壳604的内壁620、传感器LPO和RPO以及驱动器D、磁铁托架639、安装在托架639上的磁铁M、线圈644、平衡杆端部区段602和603的内壁602A和603A，以及出口607。这些部件全都类似于图2实施例中它们的对应部件并完成同一功能。

图6和7的片簧638具有热膨胀性能，当平衡杆端部区段602和603长度变化时，片簧638不会对流量管601产生应力。平衡杆端部区段的伸长或缩短使片簧支脚弯曲。由于片簧很薄，这种弯曲只在片簧支脚中产生很小的应力。流量管上的唯一应力是伴随使片簧638弯曲所需的很小的力的应力。该实施例将平衡杆端部区段602和603的驱动方式谐振频率降低到流量管601的谐振频率。它也将平衡杆的科氏状方式的谐振频率降低到低于驱动频率。平衡杆端部区段602和603的降低的谐振频率使它们能够具有一种其相位与流量管601的科氏偏转相反的科氏状响应。平衡管端部区段的这种科氏状响应增大图6和7的实施例的科氏流量计的物料流灵敏度，并平衡流量管上的科氏力。

以图1实施例中描述的同样方式，仪表电子线路121通过路径123发送一个信号给驱动器D，从而使平衡杆602和流量管601以相反相位振动。传感器LPO和RPO检测带有物料流的流量管601的振动，并产生指示科氏响应的大小和相位的输出信号。该传感器的输出信号经过路径122和124传送到仪表电子线路121上，后者在路径125上产生一个含有关于物料流的信息的输出。

总结图6和7的实施例，在平衡杆端部区段602和603的半中间的可以弯曲的驱动线圈架640。将区段602和603的驱动方式的谐振频率降低到流量管601的谐振频率。可弯曲的驱动线圈架640也将平衡杆端部区段602和603的科氏状偏转方式的谐振频率降低到低于驱动频率。这增强了平衡杆端部区段602和603相对于流量管601的科氏状异相响应。这增大了科氏流量计的物料流灵敏度。但是，必须小心地设计驱动线圈架640，以防止产生不需要的振动，后者可能会对科氏流量计的输出数据或精度产生有害的影响。该实施例的优点是，根据平衡杆端部区段602和603的轴向长度的变化，支脚片簧638很容易弯曲并保护流量管601免受轴向应力。

图8和9的描述

图8和9公开包括实施本发明的科氏流量计800的又一个示范性实施例。除了平衡杆端部区段802和803之间的平衡杆中部的驱动线圈架结构以外，该实施例在许多方面与图2、6、7的实施例相似。图2的实施例有一个空区段202V作为平衡杆的中央区段；图6和7的实施例有一个可以弯曲的驱动线圈架640作为平衡杆的中央区段。图8和9的流量计800有一个中央驱动线圈架841，它连接平衡杆端部区段802和803的轴向内末端836和837。

驱动线圈架841有一个外圆周表面843，其顶部上的一个平面838可以安装驱动器D的线圈844。驱动线圈架841还有槽842。驱动线圈架841通过支承杆835连接到平衡杆端部区段802和803的轴向内末端836和837上。平衡杆端部区段802有靠近其右端的槽833；平衡杆端部区段803有靠近其左端的槽833。两个平衡杆端部区段的槽833和驱动线圈架841的相应槽842形成支脚弹簧846，后者提供一个适应平衡杆端部区段802和803的热膨胀和收缩的轴性柔量。平衡杆端部区段的后侧和驱动线圈架841的后侧有类似的槽，它们在该图中看不见。由支脚弹簧846提供的柔量没有上述两个实施例的大。但是，这个柔量能够显著地减小流量管中由平衡杆的膨胀和收缩产生的应力。槽832和833也减小平衡杆端部区段802和803的谐振频率，从而也便于弹簧确定这些部件的平衡，给平衡杆端部区段802和803提供一个较低的谐振频率，后者允许这些部件具有一个与流量管801的科氏偏转相位相反的科氏状响应。图8和9的实施例的其余部件与图2和图6、7的实施例中已经描述的相似。这些部件包括外壳804、外壳端部808和809、颈部805和815、入口806、出口807、锥形连接部件813和814、流量管区段801A和801B、具有平面之外的弯部834和834A的外壳连接环节831和832、撑杆810和811连同撑杆内壁延伸部810A和811A、传感器LPO和RPO、驱动器D、外壳804的内壁820。

以像对图1实施例描述的同样方式，仪表电子线路121经过路径123对驱动器D施加一个信号，以便使平衡杆802和流量管801以相反的相位振动。传感器LPO和RPO检测带有物料流的流量管801的振动，并产生指示科氏响应的大小和相位的输出信号。传感器的输出信号经过路径122和124传送到仪表电子线路121，后者在路径125上产生一个含有关于物料流的信息的输出。

总结图8和9的实施例，在平衡杆端部区端802和803半中间的可以弯曲的驱动线圈架841将区段802和803的驱动方式谐振频率降低到流量管的谐振频率。它也将科氏状偏转方式的谐振频率降低到低于驱动频率。这增强了平衡杆端部区段802和803相对于流量管801的科氏状异相响应，并增大了科氏流量计的物料灵敏度。但是，必须小心地设计驱动线圈架841，以防止产生不需要的振动，后者可能会对科氏流量计的输出数据或精度产生有害的影响。该实施例的优点是，由槽833和842形成的支脚弹簧846起弹簧的作用，根据平衡杆端部区段802和803的轴向长度的变化，该弹簧发生弯曲并保护流量管801免受轴向应力。

图10、11和12的描述

图10、11和12公开了一种实施本发明的又一个示范性实施例的科氏流量计1000。该实施例不同于先前描述的实施例之处仅在于组成平衡杆中央部分的中央驱动线圈架1040的细部，平衡杆的另外两个区段是左端部分1002和右端部分1003。驱动线圈架1040包括一对驱动器D1和D2、在平衡杆端部区段1002的右端上的块体部件1041、在平衡杆端部区段1003的左端上的块体1035、线圈架1042和1043、连接驱动线圈架1042和1043的片簧1045、驱动器线圈1044和1045及相关磁铁1202和1204、流量管托架1042，后者具有平整表面1046，能够安装线圈1044和1044A。如图12中详细示出的，驱动线圈架1042的顶部表面1046有一个拱形切口1208，用于容纳磁铁1202。片簧1045的顶端固定在驱动线圈架1042的右垂直表面1209上。

为了尽可能减小图形的复杂性，图10上的固定在平衡杆区段1003上的块体1035和驱动线圈架1043在图12上没有示出。但是，该技术的专业人员可以清楚，图12上的驱动器D2的线圈1044将固定在驱动线圈架1043上，而片簧1045的下端将固定在驱动线圈架1043的左垂直表面上。

片簧1045可动地联接平衡杆区段1002和1003的中央端部部分，以使它们能够根据变化的热状态而改变长度。平衡杆区段1002和1003的这种长度变化导致片簧1045弯曲而不会在流量管上产生应力。换句话说，平衡杆区段1002和1003的长度变化只导致片簧1045弯曲，而除了伴随弯曲弹簧1045所需的小力的应力外，不会产生施加在流量管1001上的任何应力。

图12公开了撑杆1010及其横向突出部1001A的细节，突出部1001A将流量管1001的侧面紧密地联接在平衡杆区段1002、1003的内壁1002A的侧面上。这种联接提高流量管的不希望有的横向振动的频率，因此它们不会干扰从速度传感器来的驱动频率信号。

图10、11和12的实施例具有良好的热响应，因为可以弯曲的弹簧1045允许平衡杆区段1002和1003自由改变长度而并不对流量管1001传递产生的应力。中央驱动线圈架1040具有最小的乱真振动方式。片簧1045联接平衡杆区段1002和1003的内端部1036和1037，从而防止它们具有显著的彼此异相的运动。结果，在平衡杆区段1002和1003中不会诱生科氏状偏转。因此，图10、11和12的实施例并不具有先前描述的实施例的物料流灵敏度。

块体1035和1041通过使围绕垂直于驱动平面并包含流量管轴线的平面的质量分布成对称而提高精度。例如，块体1041的重量等于驱动线圈1044驱动器驱动线圈架1042的重量。没有这些增加的块体，沿轴向传递给仪表的振动产生一个错误的流量信号，因为它将一个科氏状偏转传递给平衡杆。

图10、11和12上示出的科氏流量计的其余部分与先前实施例中已经描述的相似。这些部件包括外壳1004、外壳端部1008和1009、外壳颈部1005和1015、流量管入口1006和流量管出口1007、锥形连接部件1013和1014、流量管1001的非工作部分1001A和1001B、具有连接到外壳1004的内壁1020上的侧向末端1033的外壳连接环节1031和1032、传感器LPO和RPO、一对驱动器D1和D2、驱动线圈架1042和1043、块体1041和1035、在外壳连接环节1031和1032中的在平面之外的弯曲部1034。

以像对图1实施例描述的同样方式，仪表电子线路121经过路径123对驱动器D施加一个信号，以便使平衡杆1002和流量管1001以相反的相位振动。传感器LPO和RP0检测带有物料流的流量管1001的振动，并产生指示科氏响应的大小和相位的输出信号。传感器的输出信号经过路径122和124传送到仪表电子线路121，后者在路径125上产生一个含有关于物料流的信息。

总结图10、11和12的实施例，在平衡杆端部区段1002和1003半中间的可以弯曲的驱动线圈架1040的优点在于，根据平衡杆端部区段1002和1003的轴向长度变化，片簧1045易于弯曲，并保护流量管1001免受轴向应力。与先前的实施例不同，该实施例的片簧不能足够地降低科氏状偏转的频率，因而不能增大流量计的灵敏度。

可以清楚地理解，请求保护的本发明不限于可能的优选的示范性实施例的描述，而包括在本发明概念的范围和精神实质内的其它改进和变化。例如，虽然本发明公开为包括一个单独直管科氏流量计的一部分，但可以理解，本发明不限于此而可以用于包括不规则构型或弯曲构型的单管流量计的其它类型的科氏流量计以及有多个流量管的科氏流量计。

Claims (18)

1.一种科氏流量计，适合于在一个入口接受一种物料流并使所述物料流通过流量管机构长度到达所述科氏流量计的一个出口，所述科氏流量计还包括：

一个平衡杆，其位置平行于所述流量管机构；

撑杆，用于将所述平衡杆的第一和第二端联接在所述流量管机构上；

一个驱动器，它使所述流量管机构和平衡杆以相反的相位振动；

传感器机构，联接在所述平衡杆和所述流量管机构上，以产生代表所述带有物料流的振动流量管机构的科氏响应的信号；

一个轴向中央部分，包括驱动线圈架机构和弹簧机构；

所述平衡杆包括一个第一部分，它从所述撑杆的第一撑杆朝向所述轴向中央部分轴向向内延伸；

所述平衡杆包括一个第二部分，它从所述撑杆的第二撑杆朝向所述轴向中央部分轴向向内延伸；以及

所述轴向中央部分将所述第一平衡杆部分联接于所述第二平衡杆部分，

其中所述弹簧机构垂直于所述流量管机构的轴线定向，并且将所述驱动线圈架机构联接在所述平衡杆的所述第一和第二部分的轴向内末端上，并且所述弹簧机构具有轴向柔量，该柔量能根据科氏流量计的热变化使所述平衡杆改变长度，而不将任何附加的轴向应力传递给所述流量管机构。

2.权利要求1的科氏流量计，包括一个外壳，其特征在于，所述流量管机构包括一个直流量管。

3.权利要求2的科氏流量计，其特征在于，所述平衡杆与所述直流量管共轴线。

4.权利要求2的科氏流量计，其特征在于，所述传感器机构包括一对速度传感器，所述传感器的第一个联接在所述平衡杆的所述第一部分和所述直流量管上，而所述传感器的第二个联接在所述平衡杆的第二部分和所述直流量管上。

5.权利要求2的科氏流量计，所述外壳包围所述直流量管、所述撑杆和所述平衡杆。

6.根据权利要求1的科氏流量计，其特征在于，所述流量管机构为单根流量管，所述传感器机构包括一对速度传感器，所述速度传感器中的第一个联接于所述第一平衡杆部分和所述单根流量管，所述速度传感器中的第二个联接于所述第二平衡杆部分和所述单根流量管。

7.权利要求1的科氏流量计，其特征在于，所述驱动器包括：

所述驱动线圈架机构与所述流量管机构共轴线，并且其轴向长度小于所述第一和第二平衡杆部分之间的距离；

轴向延伸的支承杆将所述第一和第二平衡杆部分联接在所述驱动线圈架机构上；

所述延伸的支承杆位于所述平衡杆的一个振动中性平面内，并且其取向平行于所述流量管机构的纵轴线；

所述驱动线圈架机构在所述驱动线圈架机构的壁中限定一些第一槽，所述第一槽平行于并靠近所述驱动线圈架机构的轴向外端；

弹簧机构包括一组第一组弹簧，所述第一组弹簧通过所述驱动线圈架机构的壁限定并定位在所述第一槽和所述驱动线圈架机构的轴向外端之间，所述第一组弹簧根据平衡杆的轴向长度变化而弯曲。

8.权利要求1的科氏流量计，其特征在于，

所述弹簧机构的第一端连接于所述驱动线圈架机构；

所述弹簧机构的第二端连接于所述第一和第二平衡杆部分；

所述弹簧机构根据所述第一和第二平衡杆部分的轴向长度变化而弯曲。

9.权利要求8的科氏流量计，其特征在于，所述驱动线圈架机构包括：

一个第一驱动线圈架，具有平行于所述流量管机构纵向轴线的平直表面；

一第二驱动线圈架，具有平行于所述流量管机构的所述纵向轴线的平直表面；

所述弹簧机构包括将所述第一驱动线圈架连接于所述第一和第二平衡杆部分的第一组弹簧；

所述第一驱动线圈架的所述平直表面适合于接纳所述驱动器的线圈；

一驱动磁铁连接于所述流量管机构并与所述驱动线圈磁耦合；

所述弹簧机构还包括将所述第二驱动线圈架连接于所述第一和第二平衡杆部分的第二组弹簧；和

一固定于所述第二驱动线圈架的所述平直表面的块体。

10.权利要求9的科氏流量计，其特征在于，所述第一和第二组弹簧具有连接于所述第一和第二平衡杆部分的端部。

11.权利要求1的科氏流量计，其特征在于，所述驱动线圈架机构包括：

一个第一驱动线圈架，固定在所述平衡杆的顶部；

一个第二驱动线圈架，固定在所述平衡杆的底部上；

所述弹簧机构将所述第一驱动线圈架联接在所述第二驱动线圈架上；并且

所述弹簧机构适合于根据所述平衡杆的轴向长度变化而围绕其端部弯曲。

12.权利要求11的科氏流量计，其特征在于，所述弹簧机构包括：

一个联接在所述第一驱动线圈架上的所述弹簧机构的第一端部；

一个联接在所述第二驱动线圈架上的所述弹簧机构的第二端部。

13.权利要求12的科氏流量计，其特征在于，还包括：

一个第一块体，固定在所述平衡杆的第一部分的轴向内末端的下部上；

一个第二块体，固定在所述平衡杆的第二部分的所述轴向内末端的上部上。

14.权利要求13的科氏流量计，其特征在于，所述驱动器包括：

一个第一驱动线圈，固定在所述第一驱动线圈架的一个表面上；

一个第一磁铁，与所述第一驱动线圈保持磁耦合，并固定在所述流量管机构上；

一个第二驱动线圈，固定在所述第二驱动线圈架的一个表面上；

一个第二磁铁，与所述第二驱动线圈保持磁耦合，并固定在所述流量管机构上；

所述第一和第二驱动线圈和所述第一和第二磁铁根据驱动信号的接受起作用，以使所述流量管机构和所述平衡杆以相反的相位振动。

15.权利要求7的科氏流量计，其特征在于：

所述第一和第二平衡杆部分的壁限定出一些沿圆周取向的第二槽；

弹簧机构包括一组第二组弹簧，该第二组弹簧定位在所述第二槽和所述轴向延伸的支承杆之间的壁中，所述第二组弹簧根据所述平衡杆的轴向长度变化沿轴向弯曲。

16.权利要求15的科氏流量计，其特征在于：

所述支承杆与所述第一组和第二组弹簧限定一些弹簧，它们根据所述平衡杆的轴向长度变化而弯曲，而不将任何附加的轴向应力传给所述流量管机构。

17.权利要求16的科氏流量计，其特征在于：

所述驱动线圈架机构的一个顶部有一个平整表面，所述表面带有一个孔，用于容纳所述驱动器的一个线圈；

所述驱动器的一个磁铁与所述驱动器线圈保持电磁耦合，并联接在所述流量管机构上。

18.权利要求16的科氏流量计，其特征在于：

所述驱动线圈架机构是圆筒形的，其直径等于所述平衡杆的直径。

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