CZ27171U1 - Mechanická soustava měřící části hmotnostního měřiče - Google Patents

Description

Mechanická soustava měřící části hmotnostního měřiče

Oblast techniky

Technické řešení se týká měřící části hmotnostního měřiče, přesněji její mechanické soustavy a umístění snímačů kmitání u hmotnostních průtokoměrů, které měří průtok na bázi Coriolisova principu a využívají dvojice měřicích trubic ve tvaru písmene U.

Dosavadní stav techniky

Při měření hmotnosti průtoku a zjišťování dalších informací o materiálech protékajících potrubím se používají průtokoměry Coriolisova typu. Coriolisův průtokoměr je přístroj na měření hmotnostního průtoku kapaliny trubicí a její hustoty. Princip přístroje je založený na rezonančním kmitání trubice, kterou kapalina protéká. Vibrace poskytují rotující soustavu, ve které se projevuje Coriolisův efekt. Coriolisovy průtokoměry jsou velmi přesné a výsledky jejich měření nezávisí na dalších vlastnostech kapaliny. Tyto průtokoměry se používají např. i k měření průtoku odebraných pohonných hmot ve velkoskladech.

Takové průtokoměry jsou známy např. ze spisů US 4 109 524 nebo US 4 491 025. Tyto průtokoměry mají jednu nebo více průtokových trubek. Hmotnostní průtokoměry s dvojitou paralelní měřicí trubicí ve tvaru U získávají informace o hmotnostním průtoku měřením zpoždění signálů z diferenčně uspořádaných senzorů polohy, které jsou obvykle umístěny na protilehlých stranách přímých úseků měřicích trubic tvaru U.

Ze spisu US 5 400 653 je znám Coriolisův hmotnostní průtokoměr, u kterého je fáze posunutí trubice měřena pomocí optických senzorů. Tyto senzory představují nejméně jednu smyčku optického vlákna. Toto vlákno je přepaženo mezi trubicemi, jimiž prochází měřené médium a zde tvoří oblouk. Tento oblouk z vlákna způsobuje odpovídající změnu v jeho optické vodivosti a změny intenzity světla přenášeného přes vlákno ze světelného zdroje signálu k signálu detektoru. Zde je optický signál převeden na signál elektrický a dále zpracováván.

Toto provedení má výhody především v extrémních podmínkách. Snímač je odolný vůči elektromagnetickým polím, vysokým teplotám a je také hojně užíván tam, kde hrozí nebezpečí výbuchu způsobené elektrickými výboji. Další výhodou tohoto uskupení je možnost umístění optických detektorů a zdrojů mimo dosah měřených trubic, neboť lze optické vlákno vést libovolnými uzavřenými optickými trasami. Snímač je napájen pomocí optického zdroje, kterým může být laser, nebo LED dioda. Za zdrojem záření je spojka, která rozdělí signál na 3 cesty. Jeden signál je přes spojku veden přímo do referenčního detektoru, zbylé 2 se větví na levý a pravý senzor a pokračují do svých detektorů. Dále nastupuje elektronika pro zpracování signálů. Je známo, že propustnost světla ve vláknu je největší pri minimálním zakřivení. Ohyb vlákna snižuje schopnost průchodu světla o hodnotu v závislosti na stupni ohýbání. Snížení citlivostí je opakovatelné s velmi vysokým stupněm přesnosti pro malé oblouky vytvořené na vlákně. Optický přenos je pak závislý na změně tvaru jednotlivých senzorů způsobené proměnlivou polohou měřených trubic v závislosti na působení Coriolisovy síly.

Ve spisu US 5 115 683 je zveřejněn indukční snímač jako součást Coriolisova průtokoměrů, který má být schopen zlepšit měření velmi malých průtoků. Snímač je složen ze dvou magnetů připevněných pomocí ramen k měřicí trubici průtokoměrů. Mezi magnety je na pevné základně umístěna cívka. Možné by mělo být i umístění cívky na druhou měřicí trubici v případě dvoutrubicového průtokoměrů. S pohybem magnetů se v cívce indukuje napětí, které je přiváděno do řídicí jednotky a měřeno k dalšímu zpracování.

U řešení popsaného ve spise US 6 230 104 je popsán způsob současného využití budícího členu jako snímače. Indukční snímač/aktuátor je složený z cívky připevněné k jedné kmitající rovině, a válcovitého magnetu, připevněnému k druhé kmitající rovině. Rovinami jsou v tomto případě měřicí trubice Coriolisova průtokoměrů. S protichůdným kmitáním obou trubic se magnet zasu-1 CZ 27171 Ul nuje a vysunuje z cívky. Tím se v cívce indukuje zpětná elektromotorická síla, která je dalšími obvody zpracovávána.

Existují i snímače na piezolektrickém principu, jejichž výhodou je, že patří do skupiny aktivních, a tudíž nepotřebují napájení, jsou malé a lehké. Naopak k deformaci piezo-materiálu je nutné vyvinout určitou sílu, která může zatěžovat měřicí systém. Další nevýhodou je omezené použití při vyšších teplotách, z důvodu ztráty piezoelektrických vlastností při Curieově teplotě. Takový je představen ve spise US4888 991. Hlavním cílem tohoto patentuje uplatnění piezolektrického snímače vibrací. Použití piezoelektrického čidla by mělo zvýšit citlivost oproti čidlu s magnetickou indukční cívkou. Patentovaný snímač je složen ze dvou osově souměrných ramen, na jedné straně spojených do jednoho pevného bodu. Na druhé straně je každé rameno připevněno k jednomu vibrujícímu objektu. Mezi rameny je umístěn piezo-člen, který je vzájemným kmitavým pohybem obou objektů deformován. Deformace způsobují generování elektrického napětí neboli výstupního signálu snímače. Možnosti upevnění celého snímače jsou dvě. První řešení je umístění dvou snímačů, které detekují vzájemný fázový posuv vibrujících trubic. Druhá varianta je použití jednoho snímače upevněného kotvícím bodem k obalu průtokoměrů a jednoho z podlouhlých ramen k samotné trubici. Měřena je pak amplituda vibrujícího pohybu.

Výše uvedená řešení využívají různé principy snímací části průtokoměrů. Z těchto řešení se stále častěji prosazují řešení na indukčním principu. Snímače jsou složeny z cívky, která spolu s magnetem tvoří magnetický obvod. Vzájemným pohybem cívky a magnetu se v cívce indukuje napětí, jehož velikost je dána Faradayovým zákonem. Výhodou těchto snímačů je spolehlivost a jednoduchý princip, nevýhodou pak vyšší nároky na přesnost výroby a vliv parazitních vlivů, např. vnějších magnetických polí.

U průtokoměrů využívajících dvojitou trubici ve tvaru U jsou u všech známých řešení umístěny snímače tak, že jsou připevněny k přímým částem měřících trubic na vstupní a výstupní části trubic. Trubice konají kývavý pohyb, přičemž největší výchylka trubic je na jejich vrcholu, kde bývají umístěny budicí cívky. Vyhodnocení výchylky trubic tak klade zvýšené nároky na přesnost vyhodnocování, neboť v místě upevnění snímačů je výchylka relativně malá.

Příklad takového uspořádání je na obr. 1. Na měřících trubicích 100 a 200 průtokoměrů 150 je umístěn budící obvod 300 na vrcholu ohybu trubek. Senzory polohy 400 a 500 jsou umístěny přibližně ve středu přímých částí měřících trubic. Měřící trubice včetně budícího a snímacího obvodu je chráněna krytem ve tvaru ohnuté trubky 600. To má nevýhodu v tom, že výchylka trubic je při kmitavém pohybu relativně malá a musí být eliminována celkovou výškou trubic.

Cílem technického řešení je představit mechanickou soustavu měřící části hmotnostního měřiče na principu Coriolisova efektu, která by umožnila zmenšení zástavbových rozměrů, aniž by se tím zvýšily nároky na přesnost vyhodnocování velikosti amplitudy.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje mechanická soustava měřící části hmotnostního měřiče na principu Coriolisova efektu podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že snímače kmitání jsou umístěny v místě ohybů měřících trubic.

Snímače kmitání jsou umístěny v místě ohybu měřících trubic tvaru U, tedy v místě, kde je amplituda větší, než na přímých částech trubic. Nároky na přesnost vyhodnocení výchylky se tak snižují, respektive dojde k přesnějšímu vyhodnocení amplitudy. Částečně se tak děje na úkor přesnosti vyhodnocení fázového posuvu, to je však možné eliminovat volbou vhodného algoritmu zpracování údajů.

Ve výhodném provedení jsou měřící trubice připevněny přímo ke vstupní a výstupní přírubě v děličích průtoku.

-2CZ 27171 Ul

V jiném výhodném provedení jsou cívky snímačů pevně připevněny k první trubici pomocí držáků a magnety jsou připevněny k druhé trubici, přičemž magnet je v klidové poloze umístěn tak, že jeho homí hrana přibližně lícuje s pomyslnou dolní hranou vinutí cívky.

V dalším výhodném provedení je vinutí cívky dvojité, přičemž průřez obou vinutí je v zásadě čtvercový.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí výkresů, na kterých obr. 1 představuje průtokoměr podle stavu techniky, obr. 2 představuje měřící část hmotnostního měřiče s konstrukcí podle technického řešení, obr. 3 je detailním zobrazením prvního provedení cívky snímačů a obr. 4 je detailním zobrazením druhého provedení cívky snímačů.

Příklady provedení technického řešení

Na obr. 2 je mechanická část 1 podle technického řešení. Měřená kapalina vstupuje do mechanické části 1 děličem 15 průtoku, který je součástí příruby 2. Měřící trubice 3 a 4 ve tvaru písmene U jsou připevněny přímo k vstupní přírubě 2 a výstupní přírubě 5. Mezi připojovacími místy je tuhá část 6, která zabraňuje přenosu napětí a chvění z potrubí do měřící části. Elektromagnetický budicí člen 7 je umístěn na držácích 8 v prostřední částí měřících trubic a vyvozuje harmonické buzení o rezonanční frekvenci trubic. Snímače 9, 10 kmitání jsou umístěny pomocí držáků Π, 12 na vrcholech ohybů 16 měřících trubic 3 a 4.

Z detailu jednoho z provedení na obr. 3 je vidět, že každý snímač 9, 10 obsahuje cívku 25 pevně připevněnou k první trubici 4 a magnet 23 ze vzácných zemin připevněný k druhé měřící trubici

3. Magnet 23 je v klidové poloze umístěn tak, že jeho homí hrana přibližně lícuje s pomyslnou dolní hranou vinutí 22 cívky 25. K první měřící trubici 4 je připevněn držák 11 cívky 25, do jehož výřezu je nasunuta kostra 21 cívky 25 z nevodivého materiálu, ve výhodném provedení z plastu, opatřená vinutím 22, z měděného drátu. K druhé měřící trubici 3 je připevněn držák 12 magnetu 23, přičemž vlastní magnet 23, ve výhodném provedení neodymový opatřený vrstvou niklu pro jeho ochranu vůči korozi, je připevněn pomocí kyanoakrylátového lepidla k nemagnetickému nástavci 24.

V jiném provedení znázorněném v detailu na obr. 4 je k měřící trubici 4 připevněn držák 11 cívky 25, do jehož výřezu je nasunuta kostra 21 cívky 25 z nevodivého materiálu, ve výhodném provedení z plastu, opatřená vinutím 22. Na znázorněném výhodném provedení je cívka 25 provedena s dvojím vinutím z měděného drátu. K dolní měřící trubici 3 je připevněn držák 12 magnetu 23, přičemž vlastní magnet 23 je opět připevněn pomocí kyanoakrylátového lepidla k nemagnetickému nástavci 24. Toto řešení přináší maximální citlivost tohoto indukčního snímače. Dvojí vinutí 22 způsobí zvětšení citlivosti snímače 9, 10 tím, že při průchodu magnetu 23 uvnitř cívky 25 se v určité poloze, která je znázorněna na obr. 4, protínají siločáry magnetu 23 na rozhraní obou vinutí 22, což způsobí zvětšení výstupního napětí. Průřez obou vinutí 22 je v zásadě čtvercový.

Měřící trubice jsou rozevřeny v úhlu β v rozmezí 10 až 15°. Trubice jsou opatřeny krytem 13 znázorněným zde v řezu.

Časové průběhy výstupních napětí cívek jsou vedeny do neznázoměné elektronické jednotky, která vyhodnocuje vzájemné fázové zpoždění obou signálů, kterému podle principu měření odpovídá velikost měřeného hmotnostního průtoku.

Technického řešení lze využít i tak, že se zkrátí délka přímých částí trubic tvaru U, přičemž výchylka v místě upevnění senzorů jev takovém případě stejná, jako by byla v případě delších trubic se senzory umístěnými v přímých částech trubic. Dosáhne se tak menších zástavbových rozměrů. Ke zmenšení rozměrů dochází i samotným uspořádáním podle technického řešení.

-3CZ 27171 U1

Ve výhodném provedení je průtokoměr tohoto řešení uspořádán vertikálně, přičemž díky dosažení polohy těžiště blíže ose navazujících potrubí je navazující potrubí možné dimenzovat s ohledem na menší namáhání od momentu vyvozeného vyložením U trubic. Pokud přímé části U trubic jsou ve výhodném provedení mírně rozevřeny směrem k tělu průtokoměrů, je tím zaručeno úplné zamezení vytváření úsad v měřících trubicích.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Mechanická soustava měřící části hmotnostního měřiče sestávající z dvojice trubic tvaru U, přičemž na těchto měřících trubicích jsou umístěny jak budič vibrací, tak i snímače kmitání, a měřící trubice jsou vetknuty do děliče průtoku, který je součástí vstupní příruby na straně jedné ío a výstupní příruby na straně druhé, vyznačující se tím, že snímače (9, 10) kmitání jsou umístěny v místě ohybů (16) měřících trubic (3, 4).
2. 2. Mechanická soustava dle nároku 1, vyznačující se tím, že měřící trubice (
3. 3, 4) tvaru U jsou připevněny přímo ke vstupní přírubě (2) a na výstupní přírubě (5) v děličích (15) průtoku.

   15 3. Mechanická soustava dle nároku 1, vyznačující se tím, že cívky (25) snímačů (9, 10) jsou pevně připevněny k první měřící trubici (4) pomocí držáků (11) a magnety (23) jsou připevněny k druhé trubici (3) pomocí držáku (12), přičemž magnet (23) je v klidové poloze umístěn tak, že jeho homí hrana v zásadě lícuje s pomyslnou dolní hranou vinutí (22) cívky (25).
4. 4. Mechanická soustava dle nároku 3, vyznačující se tím, že vinutí (22) cívky

   20 (25) je dvojité, přičemž průřez obou vinutí (22) je v zásadě čtvercový.