CN2241867Y - T型管质量流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及流体的质量流量测量仪器，特别是科氏力质量流量计。包含有两端分别与入口汇管9、出口汇管10连通的呈T型的两根相互平行的T型流管1、2及其顶段中部的力矩器190，和左右端的左右速度传感器180L、180R，和温度传感器170的质量流量传感器15及其相联接并测量和提供质量流量数据的质量流量仪20。具有较高的对扭转振动测量的灵敏度和较强的抗干扰能力。

Description

T型管质量流量计

本实用新型涉及流体的质量流量测量仪器，特别是科里奥利力质量流量计。

科里奥利力(Coriolis Force简称科氏力)质量流量计，是利用流体流过运动管时产生的科氏力来测量流体的质量流量。这种流量计不受流体温度、压力、粘度、导电性等流体状态的影响，可对糊状、浆状以及多相紊流流体进行测量。科氏力质量流量计，由振动管及其上的驱动器、传感器及其联接的质量流量仪构成，其中振动管有多种结构形状，如弯管与直管、单管与双管。在弯管中，有双U型管、双重环形、Q型、B型、J型、S型等。上述振动管都存在灵敏度较低，而且抗干扰能力较差的缺点。

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种有双T型振动管的科里奥利力质量流量计，这种质量流量计在一次振型固有频率相同时，对扭转振动测量有较高的灵敏度。并且一次振型和三次振型的固有频率之间，频率范围较宽，因此在动态测量时，工作频段较宽，且当被测流体密度变化时，不致引起流量计灵敏度的变化，提高抗干扰能力。

本实用新型的T型管质量流量计(参见附图)，包含有产生科氏力的振动管及其上的驱动器、传感器的质量流量传感器及其联接的质量流量仪，上述振动管呈T形的两根相互平行的T型流管(1、2)、T型流管两端分别与入口汇管(9)和出口汇管(10)连通，并与限动快(3、4)固联，上述驱动器是安装在T型流管顶段中部的力矩器(190)，上述传感器有分别安装在T型流管顶段两端的左右速度传感器(180L、180R)、和安装在T型流管上的温度传感器(170)。

上述质量流量仪，有与力矩器联接的驱动电路和质量流量测量电路。上述质量流量测量电路有分别前接左右速度传感器(180L、180R)的两个运算放大器(302、303)，两个运算放大器分别各后接两个电压比较器(304和305、306和307)，再后经时间差测量电路处理后，将两路脉冲信号送入计数器(320)，再经双向总线(325)联接微处理器(330)、只读存储器(350)、随机存储器(355)、液晶显示器(340)、键盘(345)，有联接温度传感器(170)的频率转换器(301)，再后接微处理器(330)的定时计数器。

上述时间差测量电路是脉冲测量逻辑电路(400)，有分别前联四个电压比较器(304、305、306、307)的四个D触发器(410、415、420、425)，一个或门(430)前联分别与左右速度传感器联接的两个D触发器(410、420)，另一个或门(440)也前联分别与左右速度传感器联接的另外两个D触发器(415、425)，上述两或门后接计数器(320)，或非门(445)前联分别与左右速度传感器联接的两个电压比较器(304、306)、后接D触发器(450)，再后接微处理器(330)。

本实用新型采用双T型振动管，使其具有较高的对扭转振动测量的灵敏度，在动态测量时，有较宽的工作频段，且当被测流体密度变化时，不会引起测量灵敏度变化，抗干扰能力强。

下面，再用实施例及其附图，对本实用新型作详细说明。

附图的简要说明。

图1是本实用新型的一种T型管质量流量计的结构示意图。

图2是图1的质量流量传感器的结构简图。

图3是图1的质量流量传感器的结构示意图。

图4是图3的左视结构及其局部剖视结构示意图。

图5是图3的俯视结构及其局部剖视结构示意图。

图6是图1的测量示意图

图7是图6的质量流量测量电路框图。

图8是图7的时间差测量电路图。

图9是图1的时间测量波形图。

图10是图1微处理器软件的主程序框图。

图11是图6的中断服务子程序框图。

实施例1

本实用新型的一种T型管质量流量计，如附图所示，由质量流量传感器15、和质量流量仪20构成。

上述质量流量传感器15，由振动管、驱动器、左右速度传感器、温度传感器构成，用以测量流体的质量流量。

上述振动管为呈T形的两根相互平行的T型流管1和2，其两端分别焊固在限动块3和4上，并经弯曲成90°的联接管5、6和7、8分别与入口汇管9和出口汇管10连通。上述入口汇管9和出口汇管10对称地焊固在筒形的支撑座11上。T型流管1和2及联接管5、6，7、8的弯曲部的半径均为R。T型流管的顶段的中部的中心和两端的弯曲45°处各装有耳式支架12，中心的支架上装有力矩器190，力矩器是使T型流管1、2绕限动块3、4的连线AC轴进行角振动的驱动器；两端的支架上各装有测量T型流管1、2绕其中轴mm轴扭转振动的左速度传感器180L和右速度传感器180R，左右速度传感器对称地布置在力矩器两侧，其中心距均为1。左右速度传感器和力矩器都是由杯状磁铁组件和线圈组成，而且外形尺寸和重量都相同。其半径为r。当被测量的流体流入入口汇管9后，被分成两路进入到两个T型流管1、2中，并经两个T型流管1、2，汇合于出口汇管10中，然后流出。若T型流管绕AC轴振动的角速度为 ，流管中流体的流速为 V,则科氏为 ，其中m为被测流体的质量。由于科氏力的作用，使得T型流管在绕AC轴进行同相角振动的同时，产生绕mm轴扭转振动，两速度传感器就可以测出因扭转振动而使T型流管顶段左边和右边运动时的相位差。将任何一个速度传感器的信号，经放大器输入到力矩器的线圈中，产生一个交变的电磁力，使T型流管在其一阶振型的固有频率下进行自激振动。两T型流流管1、2、左右速度传感器180L、180R和力矩器190均被密封在一个充氮的不锈钢外壳13内。在T型流管的不动部分，安装有温度传感器170，选用铂电阻温度传感器RTD，用来测量管内流体介质的温度。

上述T型流管的形状结构简图如图2所示。弯曲管子ABC部分示T型流管1、2，这部分管子工作时绕AC轴进行角振动。A部与C部示管子与限动块3、4的固定的部分，管子AD与CE部分，示联接管5、6、7、8，并不参与管子ABC段的角振动。

T型流管的结构尺寸设计应兼顾考虑：

a.对科氏力的测量应该有尽量高的灵敏度。

b.对动态流量测量，应有尽量宽的频带。

c.由于被测流体密度的变化，不应引起灵敏度的变化。

本实用新型的T型管质量流量计，在加有固定附加质量(如力矩器、速度传感器)时，如何做到流管内密度ρ在变，而一阶振型固有频率与三阶振型固有频率的比值不变，也即质量流量计在不同流体密度下，灵敏度保持不变呢？通过下面的推导就能说明：

在未附加固定质量(如力矩器、速度传感器)时，T型流管的运动方程为：

J₁(ρ)·+K_α·α＝0         (1)   一阶振型

三阶振型 ${\mathrm{\ω}}_{01}=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\α}}}{J_1\left(\mathrm{\ρ}\right)}}---\left(3\right)$ ${\mathrm{\ω}}_{03}=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{J_3\left(\mathrm{\ρ}\right)}}---\left(4\right)$ $\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{03}}=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\α}}}{K_{\mathrm{\θ}}}}\·\sqrt{\frac{J_3\left(\mathrm{\ρ}\right)}{J_1\left(\mathrm{\ρ}\right)}}----\left(5\right)$

公式(1)中J₁(ρ)为未附加固定质量同相角振动时的转动惯量(与流体密度有关)，公式(2)中J₃(ρ)为未附加质量反相角振动时的转动惯量(与流体密度有关)，Kα为反相角振动时T型管的弹性系数，K_θ为反相角振动时T型流管的弹性系数，ω₀₁为一阶振型固有频率，ω₀₃为三阶振型固有频率，α为同相角振动的转角，θ为反相角振动的转角。

固定附加重量后，T型流管的运动方程式为：(J₁(ρ)+J₁)·+K_α·α＝0               (7) $(J_3\left(\mathrm{\ρ}\right)+J_3)\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+K_{\mathrm{\θ}}\·\mathrm{\θ}=0---\left(8\right)$ ${{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{01}=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\α}}}{J_1\left(\mathrm{\ρ}\right)+J_1}}----\left(9\right)$ ${{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{03}=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{J_3\left(\mathrm{\ρ}\right)+J_3}}---\left(10\right)$ $\sqrt{\frac{J_3\left(\mathrm{\ρ}\right)+J_3}{J_1\left(\mathrm{\ρ}\right)+J_1}}=\left(\frac{{{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{01}}{{{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{03}}\right)\·\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{K_{\mathrm{\α}}}}---\left(11\right)$

若要

则有 $\frac{J_3}{J_1}=\frac{J_3\left(\mathrm{\ρ}\right)}{J_1\left(\mathrm{\ρ}\right)}={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{03}}\right)}^2---\left(5\right)$

公式(15)中J1为附加固定质量在同相角振动时的转动惯量，J3为附加固定质量反相角振动时的转动惯量。ω′₀₁为附加固定质量后T型流管同相角振动的固有频率，ω′₀₃为附加固定质量后T型流管反相角振动的固有频率。

从上面方程(15)可知J3/J1＝(ω₀₁/ω₀₃)²，在本技术方案中，附加固定质量为一个力矩器和两个速度传感器，三者外型尺寸一样，质量一样，安装位置如图2所示，力矩器安装在中间，速度传感器安装在T型流管顶段两侧45°处。我们这时可写出下式(据图2所示尺寸) $\frac{J_3}{J_1}=\frac{2m{l}^2+m{r}^2}{2m{l}_1^2+m{l}^2}={\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{03}}\right)}^2----\left(16\right)$

因为r＜＜l，l₁≌L                   (17)

所以

$\frac{l}{l_1}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{03}}\·\sqrt{\frac{3}{2}}l=\sqrt{\frac{3}{2}}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_{01}}{{\mathrm{\ω}}_{03}}\·l_1----\left(19\right)$ 根据振动频率响应曲线可知，

即可达到流体密度变化时，质量流量计灵敏度不变。而具有较强的抗于扰能力。

上述质量流量仪20，如图1所示。通过电缆101与质量流量传感器15联接。根据流管振动时，流管上两点之间的扭转振动速度的时间差Δt与此时流过流管介质的质量流量成正比的理论，来测量和提供流体的质量流量。为了测量时间差Δt，在流管上装有电磁式左右速度传感器180L和180R，流管振动时，180L和180R所产生的速度信号之间的时间差Δt与此时流过流管介质的质量流量成正比。在流管上安装的铂电阻温度传感器(RTD)170用来测量流体介质温度，补偿流管弹性模量的温度变化。如图1所示，质量流量仪20将左右速度传感器180L和180R生产的速度信号185L和185R分别通过引线185L和185R作为输入，同时把温度传感器170产生的温度信号175通过引线175作为输入。如图6所示，质量流量仪由质量流量测量电路30和通常的流管驱动电路40两部分组成。

上述质量流量测量电路30的方框图如图7所示，它包括了一个16位微处理器330(Inte180C198)，它构成了质量流量测量电路30的一个主要部件，另外有一个双向数据和地址总线简称双向总线325把微处理器330与计数器(8254)320、只读存贮器(ROM、27256)350、随机存贮器(RAM、DS1220)355、液晶显示器(LCD)340和键盘345联接起来。另外还有一个作时间测量电路的脉冲测量逻辑电路400和时钟信号晶振(16MHz)315。温度信号175经电压—频率的转换器(V/F、LM331)301转换成频率信号供给微处理器330的定时计数器(80C198)T1。左右速度信号185L和185R分别经运算放大器(TL084)302和303供给电压比较器(LM311)304、305、306、307，而这四个电压比较器设有阀值参考电压+V_R和-V_R，四个电压比较器输出产生的脉冲信号308、309、310、311分别经引线308、309、310、311给脉冲测量逻辑电路400。如下面要详细讨论的，脉冲测量逻辑电路400对左右速度信号185L和185R所产生的波形进行处理，并把产生的脉冲信号314、315经引线314、315分别给计数器320，微处理器330经双向总线325把计数器320内的讨数值读出并计算即可得到时间差Δt，而Δt是与此时的质量流量成正比的。

以上所说的Δt的测量，就是测量一个时间间隔，这个时间间隔是一个速度波形上升的一边(或下降的一边)的一个点，对应于另一个速度波形上升的一边(或下降的一边)的一个点。比如：如图9所示，X1和X2、Y1和Y2、Y3和Y4、X3和X4，这四对点之间的时间间隔可计算所要测量的Δt。在一个振动周期内，采用如下方法测量Δt：

ΔT＝(t1-t2)+(t3-t4)＝4Δt                   (21)公式(21)中t1、t2、t3、t4分别等于如下四对测量点之间的时间间隔：测量点X1与Y2之间的时间间隔，测量量X2与Y1之间的时间间隔，测量点Y3与X4之间的时间间隔，测量点Y4与X3之间的时间间隔。当没有流体流动时，如图9波形510所示，此时左右速度波形重合为510，二者之间没有相位差，测量点X1与X2，Y1与Y2，Y3与Y4，X3与X4分别重合，此时t1和t2相等，t3与t4相等，因此Δt＝0。当有流体流动时，如图9波形520、530所示，左速度波形520与右速度波形530之间产生了时间差，而此时时间差的大小与质量流量成正比。

时间间隔t1、t2、t3、t4的测量，采用了计数器320，如图7所示，脉冲信号314和315作为讨数器320的输入能使晶振(16MHZ)316的脉冲信号作为计数脉冲，在一个振动周期产生后，由脉冲测量逻辑电路400产生一个中断申请信号313经引线313给微处理器330，微处理器即通过双向总线325从计数器320中读取数据，从而计算出测量到的时间差Δt。

由于这种时间间隔测量技术的参考点(如图9所示)，X1与Y1，X2与Y2，Y3与X3，Y4与X4是奇对称的，同时参考点X1与X3，X2与X4，Y1与Y3、Y2与Y4是偶对称的，因此在左右速度波形含有二次或三次谐波分量时，对Δt的测量精度的影响是非常小的，即这种时间间隔测量技术具有较强的谐波抑制能力，而且时间间隔的测量范围较宽。

在图8中所示的脉冲测量逻辑电路400，确定测量参考点的脉冲信号308，309，310，311分别如图所示送给D触发器(74LS74)425，420，415，410作为清除CLR和时钟CLK输入，D触发器410和420的输出信号送到或门(74LS32)430产生信号314，触发器415和425的输出信号送到或门(74LS32)440产生信号315。同时，脉冲信号308和310送到或非门445再输入D触发器(74LS74)产生脉冲信号313，此信号用于向微处理器330申请中断。

上述微处理器330所执行的软件主要包括一个主程序600和一个中断服务子程序700。图10所示的主程序600的作用是对微处理器330的工作参考作初始化设置，然后等待中断子程序的出现或用户设置、修改参数的请求。程序600是这样运行的，送入程序600后，首先执行程序605，关闭所有的中断，让所有中断服务子程序都不能执行；然后执行方块610，对硬件电路进行初始化设置及工作参数设置，再执行方块615，开所有的中断。在方块620，判断是否有中断申请出现。若有中断申请，则执行方块700，运行中断服务子程序，然后执行方块625显示质量流量数值；若没有中断申请，则直接执行方块625。在程序方块625执行之后，进入方块630判断是否有用户设置参数的请求。若有请求则执行方块635修改参数，然后回到方块605，重新运行整个程序；若没有用户请求，回到方块620，等待下一个中断的出现。

图11所示的中断服务子程序700是这样工作的。进入子程序700后，首先执行方块705，关闭中断，然后程序执行方块710，读出讨数器320的计数值，在方块715，根据计数器320的计数值计算时间差ΔT。ΔT计算完成后，程序执行进入方块720，计算ΔT对应的质量流量RATE，RATE＝K×Δt，其中K是质量流量灵敏度系数。最后，程序执行方块725，开中断并退出中断服务子程序700。

如下所述，本实用新型所采用的T型流管和能抑制谐波干扰的测量电路，不仅局限于上述实施例。

Claims (3)

1、T型管质量流量计，包含有产生科氏力的振动管及其上的驱动器、传感器的质量流量传感器及其联接的质量流量仪，其特征在于上述振动管为呈T形的两根相互平行的T型流管(1、2)、T型流管两端分别与入口汇管(9)和出口汇管(10)连通，并与限动块(3、4)固联，上述驱动器是安装在T型流管顶段中部的力矩器(190)，上述传感器有分别安装在T型流管顶段两端的左右速度传感器(180L、180R)，和安装在T型流管上的温度传感器(170)。

2、如权利要求1所述的T型管质量流量计，其特征在于所说的质量流量仪有与驱动器联接的驱动电路和质量流量测量电路，上述质量流量测量电路有分别前联左右速度传感器(180L、180R)的两个运算放大器(302、303)、两个运算放大器分别各后接两个电压比较器(304和305、306和307)，再后经时间差测量电路处理后，将两路脉冲信号，送入计数器(320)，再经双向总线(325)联接微处理器(330)、只读存储器(350)、随机存储器355、液晶显示器(340)、链盘(345)，有前联温度传感器(170)的频率转换器(301)，再后接微处理器(330)的定时计数器。

3、如权利要求2所述的T型管质量流量计，其特征在于所说的时间差测量电路是脉冲测量逻辑电路(400)，有分别前联四个电压比较器(304、305、306、307)的四个D触发器(410、415、420、425)，一个或门(430)前联分别与左右速度传感器联通的两个D触发器(410、420)，另一个或门(440)也前联分别与左右速度传感器联通的另外两个D触发器(415、425)，上述两或门后接计数器(320)，或非门(445)前联分别与左右速度传感器联接的两个电压比较器(304、306)，后接D触发器(450)，再后接微处理器(330)。

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