CN1556916A

CN1556916A - 振动传感器

Info

Publication number: CN1556916A
Application number: CNA028185684A
Authority: CN
Inventors: 马丁・安克林; 马丁·安克林; 雷德・文格尔; 阿尔弗雷德·文格尔
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: RU2291401C2; CA2461101A1; EP1427998B1; WO2003027616A1; EP1427998A1; JP2005529307A; CN100565127C; DK1427998T3; CA2461101C; RU2004111974A; EP1296119A1

Abstract

本发明涉及一种振动传感器(1)，其包含至少一个具有可预定的腔管的至少暂时振动的测量管(101)用于引导流体。测量管(101)经由在入口端终结的入口管部分(103)和在出口端终结的出口管部分(104)与连接管连通，并且在操作中围绕连接入口及出口端的振动轴执行挠性振动。测量管(101)具有至少一个弓形管段(101c)，该弓形管段具有可预定的三维形状，在入口端和出口端连接至直管段(101a、101b)。直接在弓形管段(101c)上或者在其附近，固定用于稳定三维形状的至少一个刚性元件(111)以及可选的附加刚性元件(112)。这些刚性元件(111、112)充分减小了振动传感器(1)对于压力，特别是压力变化的通常不期望的交叉敏感度，从而提高了传感器测量的精确度。

Description

振动传感器

技术领域

本发明涉及一种振动传感器，其特别适合于科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量计-密度计。

背景技术

在测量和自动化技术中，管道中流动的流体，特别是液体，的质量流速和/或密度通常是利用这样的仪表确定的：其使用振动传感器和与其相连的测量及控制电路，感应流经传感器的流体中的反作用力，特别是对应于质量流速的科里奥利力和对应于密度的惯性力，并由此得出代表流体的相应质量流速和/或相应密度的测量信号。

在例如WO-A 01/33174、WO-A 00/57141、WO-A 98/07009、美国专利5796011、美国专利5731527、美国专利4895030、美国专利4781069、EP-A 1 001 254、EP-A 553 939或EP-A 1 154 243中公开了这种科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量计-密度计。这种科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量计-密度计使用振动传感器提供了相应的测量信号，该振动传感器包括至少一个可预定腔管的测量管，该测量管用于引导流体、具有一入口端和一出口端、至少分段弯曲、并且至少暂时地振动，并且：

-允许流体贯穿流过，经由在入口端终结的入口管部分和在出口端终结的出口管部分与连接管连通；并

-在操作中，为了使测量管的腔管变形，围绕连接入口及出口端的第一振动轴执行挠性振动。

为了生成并保持至少一个测量管的振动，每一传感器都具有至少一个激励组件，该激励组件由前面提到的测量及控制电路激励。激励组件包括第一振动激发器，其优选的为电动或电磁的，由交流激励电流横贯并将激励电流转换为作用于测量管的激励力，该交流激励电流特别地为双极性的。

弯曲测量管，例如在管道平面弯曲成U形或V形的测量管，特别是科里奥利质量流量计的管道，通常以所谓的有效模式激励为悬臂振动，使得受到弹性形变的测量管围绕传感器的第一振动轴振荡。为此，振动激发器通常放置在传感器中，使得在有效模式的波腹处作用于测量管，特别是在管道的中点区域处作用于测量管。

作为绕纵向轴悬臂振动的结果，在流体中引起科里奥利力，然后导致所谓的科里奥利模式的悬臂振动被添加到所激励的有效模式悬臂振动上，科里奥利模式的悬臂振动的频率与有效模式的相等。在所述类型的传感器中，由科里奥利力引起的这些悬臂振动通常对应于绕第二振动轴的扭转振动，第二振动轴特别的是与第一轴垂直的轴，第二轴基本上平行于传感器的虚垂直轴。

具有了弯曲的管道形状，热膨胀将几乎没有或者仅非常微弱的引起测量管本身和/或连接管内的机械应力，特别是如果使用具有高热胀系数的材料。另外，测量管可以作得比较长，特别是具有一突出部分，使得即使安装长度相对较短，特别是在相对较低的激励功率下，也可以得到传感器对于要测量的质量流速的高敏感度。

前面提到的情况也允许一条或多条测量管由具有高热胀系数和/或高弹性模数的材料制成，例如特种钢。

在美国专利5,796,001和WO-A 01/33174中公开的两个平行且基本同样形状的测量管被基本上连续地弯曲，即，它们实际上任何地方都不是直的。

相对比的，在例如美国专利5,731,527、美国专利5,301,557、美国专利4,895,030、WO-A 00/57141、WO-A 01/33174或EP-A 1 154 243中显示的传感器的测量管，每一个都具有至少两个直的管段，这两个直管段经由一弓形管段，特别是圆弧形段，连接。与连续弯曲的测量管相比，这种具有直管段的弯曲测量管具有这样的优点：它们可以利用非常简单的弯曲工具而以低成本制造。连续弯曲的测量管通常具有突出的弓形管段并且在多数情况下管段具有不同的曲率半径，而具有直管段的测量管还可以使用具有单一曲率半径和/或较小的曲率半径的弓形管段制成。

优选地，在操作中，测量管以自然瞬时谐振频率振动，特别是以恒定值调整的振幅振动。由于自然谐振频率也由流体的瞬时密度决定，所以商业上可用的科里奥利质量流量计也可以测量例如流动流体的密度。

为了在本地感应测量管的振动并生成相应的传感器信号，每一传感器都包括一传感器装置，其包括至少一个入口侧和至少一个出口侧的振动传感器，例如电动振动传感器。由于有效模式和科里奥利模式重合，所以利用入口及出口侧的传感器装置感应的测量管振动以及相应的传感器信号表现了相位差，该相位差也由质量流速决定。

利用上述的测量及控制电路，可以以本领域技术人员所熟悉的方式测量这个相位差，即通过例如确定幅度差而直接或间接测量该相位差，并且该相位差被用于生成代表流体的质量流速的测量信号。另外，测量及控制电路可以通过考虑两个传感器信号中的至少一个的瞬时频率而确定流体的密度。

众所周知，在操作中，传感器，特别是至少一个测量管，除了受到上面说明的期望的反作用力之外，还受到其它物理量的作用，特别是不能被影响的量的作用。例如，由于测量管的热膨胀，测量管的温度(在多数情况下不能保持恒定)自动导致传感器除了表现其对于基本被测量即质量流速和密度的敏感度之外，还表现了对于当前在传感器中存在的温度分布的交叉敏感度。为了补偿这种由温度引起的干扰效果，科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量计-密度计通常还包括至少一个温度传感器，用于测量例如测量管的温度或管道周围的环境。

还知道，这种振动传感器除了具有上述对于传感器内部存在的温度的空间及时间分布的敏感度之外，还表现出对于在测量管的腔管中存在的静态内压力或者对于在管道的腔管和环境之间存在的压差的显著的交叉敏感度。这个事实在例如美国专利5,731,527、美国专利5,301,557、WO-A 95/16897和WO-A 98/07009中也被指出。这种交叉敏感度可以归于以下事实：根据内压力或压差的幅度，流体以不同大小的力抵消振动中的测量管的形变。

不幸的是，传感器的这种对于压力的交叉敏感度可能导致对应于科里奥利力的从压力到质量流量的干扰，这通常是不期望的。为了保证所需要的高测量精度(通常应当至少在准确质量流速或准确密度的大约±0.15％之内)，需要额外的测量来补偿测量信号对于压力的相关性，特别是如果内压力可能在很大的范围中(例如大于5巴)变化。

为了解决这个问题，例如美国专利5,301,557提出了使用具有相对较大的壁厚的测量管，以利用可能非常高但是充分恒定的力对抗各自测量管的弹性形变。然而，这特别的因为导致测量管质量增加，而导致传感器对于基本被测量，即质量流速和密度，的敏感度与对于压力的交叉敏感度一同被减小。美国专利5,731,527提出了一种类似的解决方案，其中直管段具有各向异性材料，特别是加强玻璃纤维，的管状刚性元件，该刚性元件用于根据相应管段中作用的机械应力的定向而赋予直管段刚度，从而使得测量管更加抗压，同时保持对于科里奥利力的良好敏感度。

在WO-A 98/07009或WO-A 95/16897中说明了减小传感器对于压力的交叉敏感度的另一可能。其中提出，在操作期间利用至少一个振动测量管的两个不同的瞬时或连续受激振动模式的谐振频率确定内压力或压差，并在生成代表质量流速的测量信号时考虑这个内压力或压差。为此，这里公开的激励组件除了具有通常的单一激发器之外，还至少具有第二振动激发器，其在距第一激发器给定距离处作用于测量管。显而易见，这涉及额外的机械组成以及测量及控制电路的可观的额外机械组成，在测量及控制电路中必须提供额外的计算能力。另一方面，这显著增加了这种科里奥利质量流量计-密度计的制造成本。另一方面，这种其中安装的硬件及实施的固件的组成的增加必然伴有误差概率或者甚至于故障概率的不成比例的增长，因此，需要监控组成的充分增加，以保证科里奥利质量流量计-密度计的期望可靠性。

发明内容

基于以上现有技术，本发明的目的是，提供适于在科里奥利质量流量计，特别是在科里奥利质量流量计-密度计，中使用的振动传感器，其一条测量管或多条测量管易于制造并且特别容易弯曲，并且其对于腔管内存在的内压力或者其振动的交叉敏感度可以利用相对简单且特别为低成本的装置而保持在较低的水平。

为了达到这个目的，本发明的第一变型提供了一种振动传感器，特别用于在流动的流体中生成由质量流速决定的科里奥利力，该振动传感器具有至少一个具有可预定的腔管的至少暂时振动的测量管，该测量管具有一入口端和一出口端并且用于引导流体。为了允许流体流经，测量管经由在入口端终结的入口管部分和在出口端终结的出口管部分与连接管连通。在操作中，为了使测量管的腔管变形，测量管围绕连接入口及出口端的振动轴执行挠性振动。所述测量管具有至少一个弓形管段，该弓形管段具有可预定的三维形状，将入口侧的第一直管段和出口侧的第二直管段相连。为了稳定至少一个弓形管段的三维形状，在所述弓形管段上固定至少第一刚性元件。

本发明的第二变型提供了一种振动传感器，特别用于在流动的流体中生成由质量流速决定的科里奥利力，该振动传感器具有至少一个具有可预定的腔管的至少暂时振动的测量管，该测量管具有一入口端和一出口端并且用于引导流体。为了允许流体流经，测量管经由在入口端终结的入口管部分和在出口端终结的出口管部分与连接管连通。在操作中，为了使测量管的腔管变形，测量管围绕连接入口及出口端的振动轴执行挠性振动。所述测量管具有至少一个弓形管段，该弓形管段具有可预定的三维形状，将入口侧的第一直管段和出口侧的第二直管段相连。为了稳定至少一个弓形管段的三维形状，至少第一刚性元件和至少第二刚性元件分别固定在第一直管段和第二直管段上。

在本发明的第一优选实施例中，至少第一刚性元件是环形的并且固定于测量管，以包围测量管。

在本发明的第二优选实施例中，至少第一刚性元件基本同轴地包围测量管。

在本发明的第三优选实施例中，测量管的内径大于40mm，特别地，大于50mm。

本发明的基本思想是：通过低质量的本地刚性装置，在至少一个弓形管段对于压力特别敏感的区域中，至少在截面中部分尽可能地保持测量管尺寸稳定，从而基本稳定整个测量管，使得由挠性振动引起的管道腔管形变几乎与存在的内压力或上述压差无关。由于测量管增加的质量相对较小，所以管道的总质量保持较低，而现有传感器所得到的对于基本被测量，质量流速和密度，的高敏感度被充分保持。

本发明是在认识到测量管以所述方式弯曲的情况下描述的，形变对于压力的相关性基本集中于相对较短的弓形管段，但是应当注意，基本被测量的高精度确定中不能不考虑这一效应。

附图说明

通过下面对于实施例的说明，结合附图，可以更清楚地看出本发明及其进一步的优点。类似的部分在不同的附图中以类似的参考标记表示；如果有利于清晰表述，则已经分配的参考标记将在后续附图中省略。附图中：

图1是特别适用于科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量计-密度计的振动传感器的第一变型的透视图；

图2是特别适用于科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量计-密度计的振动传感器的第二变型的透视图；和

图3是图1和/或图2的传感器的测量管的侧视图。

具体实施方式

尽管本发明容许多种修改及变化形式，但是其示例性的实施例将通过附图中的例子显示，并且在这里进行具体说明。然而，应当理解，本发明不限于公开的特定形式，相反，本发明覆盖落在由权利要求所定义的本发明的精神和范围之内的所有修改、等同物以及变化。

图1和图2显示了振动传感器1的实施例，其特别响应于管道(未显示)中流动的流体的质量流速。如果例如用于科里奥利质量流量计中，则传感器将用于在其中流过的流体中产生科里奥利力，并感应这些力并且将它们转换为适于电子测定的测量信号。

为了引导待测流体，传感器1包含具有可预定腔管的弯曲第一测量管101。从图1至图3可以清楚地看出，测量管101具有在入口侧的第一直管段101a和在出口侧的第二直管段101b。两个直管段由具有可预定的三维形状的弓形，例如圆弧形，管段101c连接，优选地相互对齐，使得测量管101在一个平面上展开。适于测量管101的材料通常是这种测量管所惯用的所有材料，如特种钢、钛、钽、或锆合金。

测量管101优选地被弯曲为U形，或者如图1所示，弯曲为V形，在EP-A 1 154 243中也有所公开。适合测量管101的其它三维形状在例如上面参考的美国专利5,731,527、美国专利5,301,557、美国专利4,895,030、WO-A 01/33174或WO-A 00/57141中有所显示。

如图1至3所示，测量管101具有终结在入口端的入口管部分103和终结在出口端的出口管部分104。如果仪表安装在管道内，则入口管部分103和出口管部分104将分别与管道的入口侧部分和出口侧部分相连，管道传送流体并且通常为直管。于是两个管部分103、104优选地与连接二者的虚纵向轴A₁对齐。

优选地，测量管101和入口及出口管部分103、104由合适长度的单个管状半成品制成。该半成品可以由本领域技术人员所熟悉的方式，例如通过心轴弯曲或模压弯曲，制成期望的形状，然后切为需要的长度。

如果传感器要可拆卸地安装在管道中，则第一法兰107和第二法兰108将优选地分别形成在入口管部分103和出口管部分104上。然而，如果需要，入口管部分103和出口管部分104也可以例如通过熔接或者铜焊而直接固定在管道上。

在所示的实施例中，传感器1除了第一测量管101之外，还包括第二测量管102，其优选地与第一测量管101相同；第二测量管102不是绝对需要的，即，传感器可能仅包括单个弯曲的测量管，正如美国专利5,549,007和欧洲申请01 11 2546.5中所描述的，它们没有在本申请的提交日之前出版公布。

正如具有双测量管结构的这种传感器所常见的，在本实施例的传感器中，入口管部分103终结在入口歧管105，出口管部分104终结在对应的出口歧管106，这样使得在操作中，测量管101将经由入口及出口管部分103、104和入口及出口歧管105、106与连接管连通。测量管102也经由入口及出口歧管105、106与管道连通。

优选地，传感器1具有支架116，用于支撑测量管101或测量管101、102。支架116具有盖(未显示)，用于管段从中突出。

在操作中，以有效模式激励两个测量管101、102绕基本平行于传感器的纵向轴A₁的振动轴，特别是以特征模式的自然谐振频率，挠性振动，使得正如这种传感器所常见的，测量管101主要以测量管102的逆相位至少在管段101a、101b、101c的区域中振荡。已经知道，由此在流经测量管101、102的流体中引起的科里奥利力导致测量管101、102的额外的弹性形变，该弹性形变也由待测的质量流速决定，并且添加于由有效模式的挠性振动引起的测量管101、102的形变上。再次，应当再次强调，在测量管101的振动期间，特别是在有效模式中的挠性振动期间，每一测量管101a、101b、101c都至少在截面上横向移位，并且在过程中至少在截面上弹性形变，例如轻微弯曲和/或扭曲。

如果需要，可以例如通过利用入口侧上的至少第一节点板109和出口侧上的至少第二节点板110，将入口管部分103和出口管部分104中由振动的测量管101、102引起的任何机械应力最小化，正如这种传感器中所常见的。

为了驱动测量管101、102，传感器1包括至少一个振动激发器113。后者用于将由合适的测量及控制电路2(例如，上面提到的科里奥利质量流量计的电路)提供的电激励功率P_exc转换为激励力，例如，脉动或谐和力，该激励力对称，即同时，且均匀地以相反方向作用于测量管101、102，从而产生了测量管101、102的逆相位振动。可以以本领域技术人员熟悉的方式，例如利用电流和/或电压调节电路调节激励力的幅度，并且利用例如锁相环调节激励力的频率；参见美国专利4,801,897。应当注意，测量及控制电路2容纳在合适的电子设备箱(未显示)内，该电子设备箱可以例如直接安装在传感器上或者远离传感器。

为了感应振动中的测量管101、102的振动，传感器1具有入口侧第一振动传感器114和出口侧第二振动传感器115。两个振动传感器114、115响应于测量管101、102的动作，特别是横向偏转和/或管的形变，并分别提供相应的第一和第二振动信号s₁₁₄和s₁₁₅。两个振动传感器优选地结构相同；它们也可以与振动激发器113的结构基本相同。

如上所述，有效模式中的挠性振动自己导致了测量管101，至少管道截面，的弹性形变。该形变特别影响了弓形管段101c的三维形状，并因而改变了这个区域中管道腔管的形状，特别是截面。

测量管101的形变，特别是弓形管段101c的形变，可能根据测量管1中各自的静态内压力或者相应的压差而不同。如果内压力或压差变化，例如，这些不同的形变可能导致由有效模式产生的科里奥利力幅度不同，而与不变的质量流速无关，即，所述类型的现有传感器也可以表现对于压力特别是静态压力的交叉敏感度，其大小不可忽略。

发明人惊奇地发现，这种交叉敏感度很大程度上是由于弓形管段的相对较小的区域中测量管三维形状由压力决定的变化，特别是截面变化。

根据本发明，为测量管101提供了至少第一刚性元件111，以消除或至少减少传感器1的这个交叉敏感度，并且由此减少对应于科里奥利力的从压力到质量流量的干扰。如图1或2所示，这个刚性元件111在弓形管段101c的区域中固定在测量管101上。刚性元件111用于稳定振荡中的管段101c的三维形状，特别是横截面形状，使得振荡中的管段101c将与测量管的腔管中变化的静态压力无关地、以与其三维形状的改变几乎相同的方式响应于基本恒定的质量流速。为此，刚性元件111以这样的方式固定于测量管101：与没有这样的刚性元件的同样形状的现有测量管相比，测量管101的横向振动动作基本不受影响。

因此，刚性元件111仅固定于测量管101，使得与例如节点板109、110不同，它除了质量惯性以外不抵消测量管101的振动，其质量惯性被保持在最小。换言之，为了稳定管段101c的三维形状，刚性元件111应当既不例如经由弹性和/或阻尼元件与任何第二测量管102链接也不例如经由弹性和/或阻尼元件与任何支架116链接，使得测量管101以及特别地其管段101a、101b、101c可以仍然基本自由地振动。然而，如果需要，刚性元件111也可以用作振动激发器113的夹具，例如图1和2所示。

刚性元件111所用的材料可以例如与测量管101所使用的相同。由于刚性元件111不接触流体，所以例如比测量管101所用的质量低的金属或金属合金也足够，当然，要假设例如其热特性与测量管101所选的材料符合。

在本发明的优选实施例中，刚性元件111是环形的，并且固定于测量管101，使得如图1和2所示，测量管101被包围并且特别地由刚性元件包围，优选地是基本同轴地包围的。

特别的，如果刚性元件111是环形的，它可以利用例如热胀冷缩而安装在测量管101上。它也可以通过熔接或焊接，特别地通过例如铜焊，在测量管101上滑动并且安装于该测量管101，或者在制造期间由上述管状半成品形成或加工而成。换言之，至少一个刚性元件111优选地固定于测量管101，使得它可以抵消测量管101中甚至特别地由压力波动或低压而引起的力或应力，否则该力或应力将导致横截面的不期望的形变或者特别地为径向的扭曲，以及管段101c直径的部分减小。

根据本发明的优选第一变型，至少一个刚性元件111直接提供在测量管101的弓形管段101c上，见图1。

根据本发明的优选第二变型，在弓形管段101c附近，在入口侧直管段101a上提供刚性元件111，见图2。至少在本发明的这个变型中，传感器还包括用于测量管101的第二刚性元件112，其与刚性元件111基本相同。如图2所示，第二刚性元件112优选地固定在直管段101b上，也在弓形管段101c附近，特别是与刚性元件111距离测量管中央的距离相等。然而，从图1可以容易地看出，也可以在上述第一变型中为弓形管段101c提供两个刚性元件111、112。

研究也已经显示，如果测量管101具有充分高于40mm，特别为高于50mm，的内径，刚性元件111的使用对于对应于科里奥利力的从压力到质量流量的干扰的减少有特别有益的效果。

本发明的另一优点在于以下事实，这种刚性元件可以对于已经生产的现有传感器设计或传感器类型，容易地以低成本更新，从而即使在现有类型的科里奥利质量流量计的情况，也可以以简单的方式充分提高测量精度。

尽管已经在附图和前面的说明书中具体描述和说明了本发明，但是该描述和说明应当看作示例性而非限定性的，应当理解，显示和说明的仅是示例性的实施例，并且落在这里说明的发明的精神和范围内的所有改变和修改都应当认为是受到保护的。

Claims

1.一种振动传感器，特别用于在流动的流体中生成由质量流速决定的科里奥利力，具有至少一个具有可预定的腔管的至少暂时振动的测量管，该测量管具有一入口端和一出口端并且用于引导流体，该测量管

-为了允许流体流经，经由在入口端终结的入口管部分和在出口端终结的出口管部分与连接管连通，并且

-在操作中，为了使其腔管变形，围绕连接入口及出口端的振动轴执行挠性振动，

-该测量管具有至少一个具有可预定的三维形状的弓形管段，该弓形管段将入口侧的第一直管段和出口侧的第二直管段相连，

-为了稳定三维形状，在该弓形管段上固定至少第一刚性元件。

2.根据权利要求1所述的振动传感器，其中至少第一刚性元件是环形的，并且固定于测量管以包围测量管。

3.根据权利要求2所述的振动传感器，其中至少第一刚性元件基本同轴地包围测量管。

4.根据权利要求1所述的振动传感器，其中测量管的内径大于40mm，特别地，大于50mm。

5.一种振动传感器，特别用于在流动的流体中生成由质量流速决定的科里奥利力，具有至少一个具有可预定的腔管的至少暂时振动的测量管，该测量管具有一入口端和一出口端并且用于引导流体，该测量管

-为了稳定三维形状，具有分别固定在第一直管段和第二直管段上的至少第一刚性元件和至少第二刚性元件。

6.根据权利要求5所述的振动传感器，其中至少第一刚性元件是环形的，并且固定于测量管以包围测量管。

7.根据权利要求6所述的振动传感器，其中至少第一刚性元件基本同轴地包围测量管。

8.根据权利要求5所述的振动传感器，其中测量管的内径大于40mm，特别地，大于50mm。