CN1643347A - 具有减少的高温制造方法产生的轴向热应力的平衡杆 - Google Patents

Abstract

一种制造工艺，可防止钛流管和周围的钢平衡杆之间因铜焊操作产生应力。设有钛流管(103)的直管科里奥利流量计(100)被分开的半平衡杆(101，102)组成的平衡杆包围。半平衡杆通过位于半平衡杆两侧的细长侧通道(104，106)互相连接。细长侧通道与半平衡杆径向间隔开，但通过管状销(107)连接到半平衡杆，该管状销延伸到侧通道的孔中。流管用铜焊通过连接环(105)连接到半平衡管和销的内端。销的径向外端插入侧通道的孔中并进行焊接。侧通道的环形焊缝和槽减少了焊缝冷却时侧通道的轴向收缩。防止了流管的轴向应力。

Description

具有减少的高温制造方法产生的轴向热应力的平衡杆

技术领域

本发明涉及一种科里奥利流量计，具体地，涉及一种具有连接到周围平衡杆的单个流管的科里奥利流量计。本发明还涉及设有平衡杆的直流管科里奥利流量计，平衡杆的设计和结构可减少流管的残余热应力，热应力是操作温度超过流量计的正常工作温度的制造工艺造成的。

背景技术

已知道科里奥利流量计具有单个直流管，直流管的一部分被平衡杆围绕。这种平衡杆使振动的流管平衡，平衡杆和流管一起形成动态平衡结构。平衡杆的外轴向端通过连接环连接到流管的外表面。这些连接的实现是通过高温连接操作，如铜焊或钎焊。

流管在一般操作条件下承受的热应力和腐蚀性流体要求流管用钛制造。钛流管容易铜焊到钛平衡杆，由于两构件具有相同的热膨胀系数，冷却的组件具有非常小的残余热应力。遗憾的是，钛平衡杆价格很高。平衡杆可以用便宜的钢材来制造，但高温铜焊带来问题。钢的热膨胀系数非常接近钛，所以在一般流管操作温度下，流管和平衡杆都没有由于热膨胀差而出现过应力。但是连接部件的高温铜焊操作(超过摄氏746度)使钢平衡杆的膨胀超过钛流管很多。当这些部件开始冷却，铜焊材料在超过流量计的正常操作温度范围很多的温度下固化。连续的冷却使钢平衡杆的轴向收缩超过钛流管。收缩差可导致平衡杆长度上每米具有超过2.3毫米的应变。这种收缩幅度使受压的钛流管具有0.23Gpa的应力，能够损害流量计的性能，在某些条件下，该应力甚至超过流管的屈服强度。

作了许多的尝试以克服热膨胀/收缩差的问题，该问题涉及到使用钛流管和由钢这样的不同材料制造的平衡杆。但是这些尝试未能完全成功，并导致其他的问题。一个尝试涉及使用由两半部分组成的平衡杆，用作为中间部分的波纹管连接起来。这个方案不理想，因为波纹管是轴向均衡的，难以控制平衡杆的振动模式。另一个方案是通过片弹簧连接分开的平衡杆部分。这个方案也带来平衡杆的振动特性问题。

因此从上面可以看出，难以使具有钛流管和钢平衡杆的科里奥利流量计在涉及使用高温连接操作的制造过程中不出现结构损害。

通过将平衡杆结构设置成分开的两个独立半部分，解决了残余热应力的问题。这些半部分在中间区互相分离，这样在钎焊炉中，半平衡杆可膨胀和收缩，互相不接触，使流管不产生压力。这时，半平衡杆通过位于轴向外端的连接环铜焊到流管。

发明内容

本发明的重要方面涉及一种方法，其使半平衡杆在进行铜焊步骤后互相连接。这种连接的必要性出于许多原因。首先，出于平衡杆-流管组件的振动模式的调整，该组件是分散的质量-刚度系统，因此有无限多的振动模式。一个重要的振动模式是驱动模式，其中流管和平衡管相互不同相地沿驱动面方向以第一弯曲模式振动。还有另一种振动模式，其类似于驱动模式，但发生在正交于驱动模式的方向。这种模式称作横向模式。如果横向模式频率过于接近驱动模式频率，流量计的精度下降。现有技术的波纹管连接方式在驱动和横向方向上具有相等的弯曲刚度，导致几乎相等的共振频率。本发明通过在两个半平衡杆之间设置连接机构将这两个频率分开，使驱动方向的弯曲比横向方向有更高刚度。这样可提高驱动模式频率，并超过横向模式频率。

连接两个半平衡杆可用单个驱动器使得两个半平衡杆在驱动模式下进行驱动。这很重要，因为两个驱动器要求精确的配合，以防止流管的形状变形适应流体流。这样变形可给出错误的流动读数。

本发明克服了上面讨论的和其他的高温导致的流管应力问题，高温应力是在通过连接环将平衡杆铜焊到流管的外壁的过程中产生。新工艺包括提供由分开的半平衡杆组成的平衡杆的步骤。这个新工艺包括步骤：提供具有分开的半平衡杆的平衡杆；通过连接环连接半平衡杆的外轴向端到流管的外壁；通过侧通道件将半平衡杆互相连起来，侧通道件平行于半平衡杆的纵轴线并被驱动模式下的组件的中性面(驱动模式下的中性面定义为弯曲件的既不受压应力也不受拉应力的理论平面)分成两半，单管流量计的理论平面由管轴线和与其相交并沿横向延伸的线组成。此外，侧通道与平衡杆的外表面径向间隔开。侧通道通过销连接到平衡杆。销插入侧通道的孔和半平衡杆的孔。

两个圆柱形的半平衡杆组合的轴向长度比传统的整体形成的平衡杆的长度要短一些。半平衡杆的内轴向端部分开需要的数量，形成分开半平衡杆的中间部分。流管插入半平衡杆的内部。半平衡杆的外轴向端与连接环对准，连接环具有中心开口，流管通过开口延伸。连接环的外周面然后铜焊到各半平衡杆的外轴向端，连接环的内表面同样铜焊到流管的外表面。

在同一铜焊操作的过程中，将销铜焊到各半平衡杆的壁内的孔中。同时，流量计的制造进行将半平衡杆的外端通过连接环铜焊到流管，将销铜焊到平衡杆壁内的孔。

根据铜焊操作要求，将销插入到侧通道的孔并进行焊接。各个半平衡杆通过焊接和每个侧通道设置的两个销连接到各个侧通道。更多数量的销，比如每个侧通道设置4个销(每端2个)，也可以使用。在制造过程的这个阶段，组件包括插入到两个轴向对准的半平衡杆内部的流管。连接环将各半平衡杆的外轴向端连接到流管壁。销通过铜焊连接到半平衡杆的外壁中的孔。并从平衡杆壁沿径向向外突出。两个侧通道定位于半平衡杆的相对侧的销，并焊接到销。

出于3个原因使销用作半平衡杆和侧通道之间的中间件。首先，通道直接焊接到半平衡杆将产生很长和平行于流量计轴线的焊缝。销作为中间件可减少大量的热量、收缩、和最终的残余管应力。第二，焊缝的应力由于驱动振动在靠近平衡杆端部之间间隙的焊缝端部最大。焊缝端部还是最高焊接应力所在位置。焊缝端部的高焊接应力叠加正常操作下循环振动应力肯定将导致疲劳开裂。最后，侧轨和半平衡杆之间的长角焊缝难以完全熔透焊接。半平衡杆和侧通道之间的焊缝实现完全熔透到侧通道是非常重要的，这样可使半平衡杆和通道之间没有滑动摩擦。存在滑动摩擦可损害所得到的科里奥利流量计输出数据的稳定。

设置销可防止这些问题。焊缝小，所在位置可导致侧轨或半平衡杆受到非常小的热作用。这样可导致侧轨较少的轴向收缩。侧通道与半平衡杆沿径向间隔开，只是通过销来接触半平衡杆。销的端部很容易设置成斜面，允许完全熔透焊接，减少焊缝滑动摩擦。另外，销焊接到侧通道的焊缝是环形的，不是如直线焊缝那样存在高焊接应力位置。最后，施加到销的循环振动应力主要产生扭转，其均匀地分布在整个焊缝上。

半平衡杆和侧通道和销的组件包括刚性的轴向延伸件，其具有与整体形成平衡杆方式相同的振动功能。通过侧通道连接的半平衡杆可与流管不同相地横向振动，形成动态平衡件，具有可与整体形成平衡杆的性能相比的性能。此外，共同使用半平衡杆和侧通道和销减少了流管高温铜焊连接到平衡杆产生的破坏力，其中流管是用第一材料如钛制成，平衡杆是用不同的材料如钢制成。

通过销和焊接固定侧通道到平衡杆是对现有技术流量计的改进，现有技术的流量计的流管和/或平衡杆可因为同一高温铜焊操作产生不希望的轴向应力。焊接产生的收缩轻微地缩短了通道并产生管应力。但是，焊接加热是快速和局部的，因此产生的收缩和残余管应力与炉中钎焊相比要小十倍。此外，本发明的设计的其他方面，由于存在焊接收缩残余管应力，减少到可忽略的水平。

本发明通过允许钢平衡杆或类似构件与钛流管相结合使单管流量计的成本下降。本发明的优点是通过使用半平衡杆而不是单个整体平衡杆来实现的。这些优点通过使用销进一步实现，销铜焊到平衡杆，接下来焊接到侧通道。侧通道用容易得到的库有材料，比如轧制低碳钢来制造。销用容易得到的钢管来制造。

本发明的一个方案是提出一种科里奥利流量计，适合连接到具有材料流的系统，所述科里奥利流量计具有平衡杆和流管，适合在驱动面上以反相位振动，使所述带有材料流的振动流管产生科里奥利偏转，传感装置可检测所述科里奥利偏转产生的代表所述材料流的信息的信号；连接环；所述平衡杆与所述流管同轴并围绕所述流管的一部分。所述科里奥利流量计的特征还在于：

所述平衡杆的分开的半纵向杆都与所述流管同轴，各半纵向杆具有外轴向端，其通过一个所述连接环连接到所述流管的表面；

细长的构件，互相连接所述半平衡杆的内轴向端，所述细长的构件位于所述平衡杆的驱动模式的中性面上，与所述半平衡杆的外径向表面间隔开；

所述细长的构件和所述半平衡杆在所述驱动面上以整体结构进行振动。

所述细长件最好包括：

多个细长件，分别与所述半平衡杆的外径向表面间隔开，并平行于所述半平衡杆的纵轴线。

所述细长件最好形成侧通道，其截面是U形且正交于其纵轴线。

所述细长件最好形成侧通道，其截面为非U形。

销最好连接所述细长件到所述半平衡杆。

所述销、所述细长件和所述半平衡杆作为整体构件以所述驱动模式振动。

所述细长件和所述半平衡杆最好设有孔，可固定地接受所述销。

所述销的第一端最好连接到所述半平衡杆的所述孔中，第二端焊接到所述细长件的孔中。

所述销最好是管状，带有中空的心部。

所述销最好截面是圆形。

所述销最好具有非圆形的截面。

最好设有至少一个销，将各细长件连接到所述半平衡杆。

最好设有至少两个销，将各细长件连接到所述半平衡杆。

所述销最好是管状，其第一端连接到一个所述半平衡杆，第二端焊接到一个所述细长件。

所述细长件最好具有槽，横向于所述细长件的纵轴线，由于所述销焊接到所述细长件，所述槽限制所述细长件的轴向收缩。

所述科里奥利流量计最好具有两个细长件，沿纵向位于所述平衡杆的两侧。

所述焊缝最好形成环形的封闭环。

所述焊缝最好为圆形。

附图说明

对本发明的上述和另外的优点和特征可通过阅读下面结合附图进行的详细介绍进行了解，附图中：

图1是根据本发明的流管和平衡杆组件的侧视图；

图2是图1装置的顶视图；

图2A是图1装置的端视图；

图3显示了侧通道和销的其他的细节；

图4-7显示了部分完成的组件和操作振动模式的进一步细节；

图8显示了根据本发明的科里奥利流量计结构的细节。

具体实施方式

介绍图1、2和2A

图1和图2显示了包括流管103的本发明，流管位于半平衡杆101和102中并被包围。还显示了侧通道104、106和销107，其连接侧通道104、106到半平衡杆101、102。销107显示出是管件，带有中空轴心部。图1和2还显示了槽108，109和111到114，可减少侧通道的轴向焊接收缩，因此减少了半平衡杆和流管中的残余热应力。

半平衡杆101和102通过侧通道104，106和销107互相连接。销107由标准的软钢管制成，被铜焊到半平衡杆上的孔，同时半平衡杆的外端通过连接环105铜焊到流管103。铜焊后，销107的外径向端插入所述侧通道104，106的孔。然后销107焊接到侧通道104、106。侧通道与所述半平衡杆沿径向间隔开，使侧通道和半平衡杆之间的接触只通过销107。因此，销和侧通道之间的焊缝完全熔透是很重要的，可使侧通道和销之间不形成滑动摩擦。滑动摩擦是不希望的，会削弱整个科里奥利流量计的零点稳定。

图2A是图2的结构的端视截面图。半平衡杆102的外轴向端通过连接环105连接到流管103。销107铜焊连接到半平衡杆102，销107的外径向端插入所述侧通道104，106的开口中并进行焊接。虚线内销107表示销是中空的管状件。图2A显示出侧通道104和106是U形的。

介绍图3

图3是固定销107到侧通道104的右半部的最右两个焊缝301的细节。各个焊缝301是环形，所以没有出现应力集中的端部。这在使用中较少可能出现裂纹。焊缝的两个特征减少了焊接应力。第一是各个销107的中心孔116。当焊缝301焊接后冷却和收缩时，其朝焊缝301向外拉销壁，使销107的孔116的直径增加。孔的尺寸增加对整个通道尺寸或孔间距没有影响。销107是实心的，当焊缝301焊后冷却和收缩时，将朝焊缝向内拉侧通道104的金属。这将使侧通道缩短和使半平衡杆拉伸。流管103由于通过焊接环105与半平衡杆连接将受到压缩。侧通道104，106的缩短和流管的合成应力也由于应力释放槽108，109和111到114而减少。这些槽使得侧通道104，106的位于焊缝301和槽113之间的金属朝焊缝拉，当焊缝冷却直径收缩时，使槽变宽而不是侧通道变短。槽113和114显示出这种情况。槽109和111未变宽，由于销107尚未焊接。除了减少侧通道的整个轴向收缩，槽进一步减少了焊接应力。最右的销107的焊缝301的冷却也使侧通道104的右端的金属收缩，产生侧通道端部的凹进302。

也可使用其他形状的材料来形成销107和侧通道104，106。但是，现有的结构形状是最适合的，因为其价格低和容易得到。实心的矩形杆或I形杆可代替U形通道104和106。都可以变化深度与宽度比，帮助驱动和横向模式之间的频率分开。除了圆管外的其他形状也可用于销。但缺点是增加了要求的加工侧通道和半平衡杆的开口的成本。

还可以使用比附图所显示的少些或多些数目的销。每个侧通道的端部有一个销所具有的优点是销上的载荷几乎完全是扭曲或扭动型。这在整个销上产生相同水平的应力。不幸的是，该应力水平高过每端两个销的应力，因为单个销的直径必须大于提供相同的刚度。还可以在侧通道端部使用多于两个销。使用两个以上的销是没有必要的，因为各个半平衡杆的中心销将承担非常小的载荷。

本发明具有许多的关键特征。第一个特征是使用侧通道在半平衡杆之间提供要求的连接。第二个是使用销以提供半平衡杆和侧通道之间的间隙以减少滑动摩擦。设置环形焊缝301连接销107到侧通道104和106可减少疲劳开裂的危险。槽和中空销提供的应力释放可减少侧通道焊接导致的收缩。最后，完全熔透焊焊缝可减少销107和侧通道104，106之间的任何潜在的滑动摩擦。

本发明极大地减少了流量计各个部件上的应力。具有钛流管和整体的钢平衡杆的流量计将具有不同的热膨胀比例，可能损坏流管和/或平衡杆。铜焊操作产生的高温导致的应变为平衡杆长度上每米的应变为2.25毫米。本发明公开了使用分开的半平衡杆101，102，而不是单个整体的平衡杆。本发明设置分开的半平衡杆，侧通道和销减少应变到大约每米0.45毫米。使用环形焊缝和槽进一步减少了侧通道长度上的热收缩。这减少流管上的残余热应变到大约每米0.22毫米。该应变是现有技术产生的应变的十分之一。由于低水平不同膨胀导致的流量计部件上的力和应力可被其他流量计设计技术和图8所示的流量计的电子元件820的数据补偿来调和。

介绍图4

图4显示了图1到3的装置，以及工作的科里奥利流量计的其他结构。所显示的装置在振动的驱动模式下挠曲，挠曲的幅度为了方便而进行了放大。图4中的标记代表图1-3和图4中的相同结构。图4中显示的额外结构包括位于半平衡杆101和102的内端之间的驱动装置。该结构包括下配重驱动架401，其设有下部403和侧壁402。可固定到403的配重未显示。上驱动架404安装有驱动绕组D其与磁铁M相互作用，以相反相位振动流管103和半平衡杆102，101。支架403和404固定到侧通道104，106。由于侧通道牢固地固定到半平衡杆101，102，半平衡杆和侧通道可作为整体平衡杆对驱动器D产生的力作出反应。环406包括可固定磁铁M到流管103的部分，如图8所示。

环407L和407R用于固定传感器(速度传感器)到流管和半平衡杆，如图8清楚地显示。件403包括配重(未显示)，可平衡驱动器组件D的重量。这个平衡是必要的，以提供驱动支架401和驱动器D的对称和动态的平衡。

介绍图5

图5中的部件大部分与图4的部件类似。图5显示了半平衡杆101和102，以及放大的流管103的挠曲。图4和图5之间的差别在于图5显示出取下了半平衡杆101和102的前半部。而且也未显示图1和图4中显示的前侧通道104。这使得半平衡杆101和102的后半部以及后侧通道106显示得更详细。图5还放大地显示出流管103、半平衡杆101，102，以及侧通道106的振动模式。

介绍图6

图6显示了图4和图5的结构的科里奥利反应。其显示出在驱动模式下挠曲通过零位时，科里奥利偏转最大。流过振动管的流体产生科里奥利偏转。传感器装置，支架和驱动器在图6中未显示，以减少构图的复杂性，帮助了解指示件的科里奥利偏转。

介绍图7

图7显示了图2处于不希望的横向振动模式下的流量计结构的挠曲形状。图7显示出图2的结构设置了传感器701L和701R，以及包括驱动支架件401的驱动器结构D。侧通道在驱动方向上的弯曲比横向方向的刚度大。横向振动模式的低刚度降低了该模式的共振频率，并改进了驱动频率和不希望的横向频率的频率分开。这样可改进流量计的稳定性。

介绍图8

图8显示了前面附图中所显示的流量计结构，是不带有壳体的完整流量计。图8的流量计包括流管103和连接环105，其位于半平衡杆101和102中。半平衡杆连接到侧轨104和106。另外在在图8中还显示出销107和驱动器D的详图，驱动器包括连接到半平衡杆的绕组706。驱动器D还包括位于环406的顶表面的磁铁M，环406固定到流管的中心位置以提供固定磁铁M的表面。侧轨104和106以及驱动器支架401与前面附图中的类似。传感器806L和806R包括绕组807L和807R，其分别可振动地连接到半平衡杆101和102。传感器各自还包括磁铁(未显示)，磁铁固定到位于传感器下面的流管壁的部分。件801是壳体连接件，其设有外边806，可与壳体(未显示)的内表面接合；以及形状803，可使壳体连接件因热条件改变而改变长度，从而不会施加应力到流管103。流管103的轴端适合通过工艺连接件(未显示)连接到管线或其他有材料流的流体系统，这些流体的特征可被流量计确定。

图8还显示了电子表800，其施加信号大路径812，使驱动器D以相反相位振动流管和半平衡杆。传感器806L和806R检测振动的带有材料流的流管的科里奥利偏转，通过路径811和813传送这些信号到电子表，得到表示材料流的信息。该信息通过线路814到达未显示的应用电路。

应当知道本发明不限于所介绍优选实施例，本发明包括未脱离本发明概念的精神和范围的其他改进和变化。

例如，本说明公开了铜焊操作，通过连接环连接半平衡杆到流管壁，以及连接销到半平衡杆的开口。本说明还介绍了通过形成环焊缝的连接工艺连接销到侧通道的孔。应当知道，其他根据本发明精神的连接技术也可以使用。此外，本文中销是具有中空芯部的管件。如果需要，销可以是实心的，不一定是圆形。可根据本发明的精神采用方形，三角形、或不规则形状。

Claims (17)

1.一种科里奥利流量计(100)，可连接到具有材料流的系统，所述科里奥利流量计设有平衡杆和流管(103)，可在驱动平面上以反相位振动，使带材料流的所述振动流管产生科里奥利偏转；检测所述科里奥利偏转的传感装置(806)，可产生代表所述材料流信息的信号；连接环(105)；所述平衡杆与所述流管同轴，并环绕所述流管的一部分所述科里奥利流量计的特征在于：

所述平衡杆的分开的半平衡杆(101，102)都与所述流管同轴，各所述半平衡杆具有外轴向端，其通过一个所述连接环连接到所述流管表面；

细长的构件(104)，互相连接所述半平衡杆的内轴向端部，所述细长的构件位于所述平衡杆的驱动模式的中性面上，与所述半平衡杆的外径向表面间隔开；

所述细长的构件和所述半平衡杆在所述驱动面上作为整体结构进行振动。

2.根据权利要求1所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述细长件包括：

多个细长件(104，106)，分别与所述半平衡杆的外径向表面间隔开，并平行于所述半平衡杆的纵轴线。

3.根据权利要求2所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述细长件形成侧通道，其截面是U形且正交于其纵轴线。

4.根据权利要求2所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述细长件形成侧通道，其截面为非U形。

5.根据权利要求2所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述流量计具有销(107)，其连接所述细长件到所述半平衡杆；所述销，所述细长件和所述半平衡杆作为整体以所述驱动模式振动。

6.根据权利要求5所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述流量计的所述细长件和所述半平衡杆上设有孔，可固定地接受所述销。

7.根据权利要求6所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述销的第一端连接到所述半平衡杆的孔，第二端焊接到所述细长件的孔。

8.根据权利要求6所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述销是管状，带有中空的心部。

9.根据权利要求6所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述销的截面是圆形。

10.根据权利要求6所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述销具有非圆形的截面。

11.根据权利要求6所述的科里奥利流量计，其特征在于，至少设有一个销，将各细长件连接到所述各半平衡杆。

12.根据权利要求6所述的科里奥利流量计，其特征在于，设有至少两个销，将各细长件连接到所述半平衡杆。

13.根据权利要求6所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述销是管状，其第一端连接到一个所述半平衡杆，第二端焊接到一个所述细长件。

14.根据权利要求5所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述细长件具有槽(108)，横向于所述细长件的纵轴线，由于所述销焊接到所述细长件，所述槽可限制所述细长件的轴向收缩。

15.根据权利要求2所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述科里奥利流量计具有两个细长件，沿纵向位于所述平衡杆的两侧。

16.根据权利要求13所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述焊缝的几何形状为环形的封闭环。

17.根据权利要求13所述的科里奥利流量计，其特征在于，所述焊缝的几何形状为圆形。

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