CZ283747B6 - Zařízení pro měření průtoku - Google Patents

Abstract

Zařízení pro měření průtoku proudu tekutiny obsahuje vstupní a výstupní potrubí (12, 14) pro proud tekutiny, alespoň jednu průtočnou trubku (18, 20), jejíž montážní konce (34, 36, 34` , 36` ) jsou propojeny se vstupním a výstupním potrubím (12, 14), vibrátor pro oscilaci průtočné trubky (18, 20) příčně k ose průtočné trubky (18, 20), čidla 52, 54, 52` , 54` ) pro vysílání signálů odpovídajících oscilačnímu pohybu průtočné trubky (18, 20) a jednotku pro zpracování signálů pro stanovení průtoku z těchto signálů na bázi Coriolisovy síly jako reakce tekutiny vůči průtočné trubce (18, 20). Podstatou řešení je, že průtočná trubka (18, 20) má tvar symetrické smyčky kolem montážních konců (34, 36, 134, 136) pro provedení změny směru proudu tektuiny o více než 360.sup.o.n., a vibrátor (50, 150) je umístěn na průtočné trubce (18, 118) v bodě blízkém montážním koncům (34, 36, 134, 136).ŕ

Description

Zařízení pro měření průtoku

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro měření průtoku proudu tekutiny, které má alespoň jednu průtočnou trubku, která osciluje v příčném směru k proudu tekutiny, čímž vzniká Coriolisova síla jako reakce tekutiny vůči průtočné trubce. Čidla snímají výsledný pohyb průtočné trubky způsobený oscilací a Coriolisovou silou, přičemž signály čidel se zpracovávají, čímž se stanoví průtok průtočnou trubkou.

Dosavadní stav techniky

Měřicí zařízení Coriolisova typu pro měření průtoku pracují na principu, že tekuté médium proudící trubkou, když je vystaveno vychylování příčně ke směru proudění média, reaguje měřitelnou silou (Coriolisovou silou) na stěny trubky. Coriolisova síla vzniká při proudění pohybujícím se po okamžitě se měnící zakřivené dráze a její velikost je přímo úměrná průtoku tekutiny trubkou.

Protože je Coriolisova síla závislá pouze na průtoku tekutiny a oscilaci a její účinek na trubkuje integrací síly vyvozené podél celé délky trubky, je měření Coriolisovy síly nezávislé na fyzikálních vlastnostech tekutiny, jako je hustota a rychlost. Při oddělení účinku Coriolisovy síly od celkového pohybu trubky během činnosti může být provedeno stanovení odpovídajícího průtoku.

Jedno provedení měřicího zařízení průtoku Coriolisova typu je objasněno v patentových spisech US 4 422 338, 4 491025 a Re 31 450. V každém z těchto spisů je znázorněna trubka v podstatě tvaru U, která má tuhým spojením připevněnu průtočnou trubku, která vyčnívá z pevné montážní polohy, takže vytváří opěrnou konzolu. Zahnutý konec relativně tuhé konstrukce konzoly je rozkmitán kolmo k rovině trubky tvaru U a Coriolisova síla se měří na každém konci opačných ramen tvaru U.

V patentovém spise US 4 491 025 objasněném výše, stejně jako v patentovém spise US 4 127 028, je znázorněna konstrukce trubky, která má dvě shodně tvarované, vedle sebe umístěné průtočné trubky, provedené jako nosník tvaru U, který má dolaďovací účinek během oscilace.

Každá z průtočných trubek tvaru U přijímá ekvivalentní a paralelní proud a osciluje opačným způsobem. Výchylka průtočné trubky způsobená Coriolisovou silou na dvou protilehlých oscilujících tvarech U je rovněž v opačném směru s Coriolisovou silou ve všech přilehlých bodech v podstatě stejné velikosti. Čidla namontovaná mezi přilehlými rameny trubky tvaru U měří vzhledem k tomuto vzájemnému postavení v podstatě dvakrát výchylku způsobenou Coriolisovou silou v každé poloze na trubce.

Podepření průtočné trubky vzdálené od pevného montážního bodu nebo vyčnívání pružné smyčky průtočné trubky daleko od jejího vstupu a výstupu způsobuje, že konstrukce trubky je nestabilní vzhledem k vibracím z okolního prostředí měřicího zařízení průtoku, které se přenášejí do průtočné trubky spolu s pracovní oscilací.

V těchto několika příkladech nestabilita podepřené trubkové konstrukce zvýší vliv nežádoucích vibrací na průtočnou trubku stejně jako zhorší měření Coriolisovy síly.

Vnější hluk, který vzniká mechanickým pohybem kolem přívodního potrubí nebo přímo v okolí měřicího zařízení, má často vibrační účinek na měřicí zařízení kmitočtu, který náleží do

- 1 CZ 283747 B6 základního rezonančního kmitočtu průtočné trubky. Navíc nepřesnosti voscilačním pohybu průtočné trubky způsobené nesrovnalostmi v konstrukci trubky, stejně jako přirozenost jejího vlastního oscilačního pohybu, dále zhoršují měření Coriolisovy síly.

Přídavné vibrace nad vibracemi pracovními použitými při činnosti měřicího zařízení a pohyb průtočné trubky, který není výsledkem Coriolisovy síly vzniklé jako reakce k použitým vibracím, se projevují jako nežádoucí hluk v signálech vydávaných čidly měřicího zařízení průtoku. Tyto nežádoucí vibrace, stejně jako poloha těžiště, velmi ovlivňují určování průtoku a přesnost měřicího zařízení.

U známých Coriolisových měřicích zařízení pro měření průtoku se navíc objevil další problém týkající se zvýšení citlivosti při opatření průtočných trubek dlouhými roztažitelnými částmi blízko vstupu a výstupu měřicího zařízení pro zvýšení pružnosti průtočné trubky a tím zlepšení měřitelnosti Coriolisovy síly. Tato roztažení jsou patrná u obou patentových spisů US 4 127 028 a 4 559 833, z nichž poslední má průtočnou trubku tvaru S.

Roztažitelné části celkově zvyšují hmotnost měřicího zařízení a způsobují rozložení hmoty průtočné trubky daleko od jejího upevnění. Rovněž mohou tyto roztažitelné části představovat vnitřní překážky proudění, které mohou dále omezit použitelnost měřicího zařízení v určitých aplikacích i omezit jeho přesnost.

Dalším faktorem, který ovlivňuje citlivost a přesnost měřicího zařízení průtoku Coriolisova typu, je kmitočet oscilace použité u průtočné trubky pro zvýšení Coriolisovy síly. Průtočné trubky mají v podstatě pružnou konstrukci, která osciluje ve svém základním rezonančním kmitočtu. Avšak stroje v okolním prostředí měřicího zařízení Coriolisova typu mohou zvyšovat vnější vliv na konstrukci trubky, což může významně ovlivnit údaje čidel použitelných pro měření Coriolisovy síly a tím značně zmenšit přesnost a spolehlivost stanovení průtoku.

Celkově shrnuto, geometrie a vibrační charakteristiky známých měřicích zařízení průtoku Coriolisova typu často omezují měřítelnost Coriolisovy síly a/nebo citlivost měřicího zařízení průtoku, čímž omezují jeho použitelnost.

Úkolem vynálezu proto je vytvořit zlepšené zařízení pro měření průtoku se zlepšeným odstupem signálu měřitelné Coriolisovy síly od celkového (vnitřního i vnějšího) hluku na průtočné trubce a vytvoření pružnější průtočné trubky bez porušení její celistvosti.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje zařízení pro měření průtoku proudu tekutiny, obsahující vstupní potrubí a výstupní potrubí pro proud tekutiny, alespoň jednu pružnou průtočnou trubku, jejíž montážní konce jsou propojeny se vstupním a výstupním potrubím, vibrátor pro oscilaci průtočné trubky příčně k ose průtočné trubky, čidla pro vysílání signálů odpovídajících oscilačnímu pohybu průtočné trubky a jednotku pro zpracování signálů pro stanovení průtoku z těchto signálů na bázi Coriolisovy síly jako reakce tekutiny vůči průtočné trubce, podle vynálezu, jehož podstatou je, že průtočná trubka má tvar symetrické smyčky kolem montážních konců, umístěných vedle sebe, pro provedení změny směru proudu tekutiny o více než 360° , a vibrátor je umístěn na průtočné trubce v místě, jehož vzdálenost od montážních konců je menší, než maximální rozpětí průtočné trubky od montážních konců.

Podle výhodného provedení má průtočná trubka těžiště, jehož vzdálenost od každého montážního konce je menší než vzájemná vzdálenost montážních konců.

-2CZ 283747 B6

Podle dalšího výhodného provedení má smyčka takový tvar, že změna směru proudu tekutiny v této smyčce je nejméně 450°.

Při oscilaci průtočné trubky relativně vyšším kmitočtem než je její základní rezonanční kmitočet, rozdíl vibračním účinkem vnějšího hluku na zařízení a použitou oscilací je snadněji rozlišitelný a přesnost měření účinku Coriolisovy síly se zvýší. Navíc, při provedení pružné konstrukce průtočné trubky, která je stabilně rozložena kolem těžiště, stejné vibrační vlnové modely mohou být utvářeny podél celé délky průtočné trubky a vytvářejí vibrační uzly, které jsou podobné inflexním bodům v souvislé trubce.

Vzniklé uzly v podstatě volně plavou a jsou vytvářeny v místech s minimálními amplitudami vibrace nebo stacionárními částmi v trubce, zatímco konstrukce trubky obklopující uzly vibruje použitým oscilačním kmitočtem. Vlnové modely vytvářené při relativně vyšším pracovním kmitočtu vibrace účelně způsobují oscilaci průtočné trubky kolem uzlových bodů. Toto přemístění či přesazení oscilační osy způsobí v délce průtočné trubky tlumicí účinek, který minimalizuje vliv nežádoucího hluku na měření Coriolisovy síly.

Uzly jsou volně plovoucími inflexními body, které dovolují průtočné trubce oscilovat vzhledem k určené ose, která je alespoň v jedné poloze oddělena od montážních konců průtočné trubky. Proto, jelikož všechny vibrace způsobené vnějším hlukem jsou přenášeny na průtočnou trubku těmito montážními konci, oscilace nezávislé od montážního upevnění mají sklon absorbovat tyto nežádoucí vibrace, a proto dále zvyšují odolnost průtočné trubky a snižují citlivost konstrukce k vnějšímu hluku.

Zařízení pro měření průtoku podle vynálezu má průtočnou trubku s centralizovaným těžištěm umístěným těsně u montážních konců pro vytvoření stabilnější oscilující konstrukce méně citlivé na signály způsobené vnějším hlukem nebo vibračními vlivy, takže je umožněno přesnější stanovení Coriolisovy síly a průtoku.

Řešení podle vynálezu rovněž maximalizuje momentová ramena, na nichž působí výsledná Coriolisova síla na průtočnou trubku i provedení větší délky proudu pohybujícího se kolmo k pohybu budiče na konci momentového ramene, aby se zvýšil účinek a měřitelnost Coriolisovy sily na průtočnou trubku.

Podle dalšího výhodného provedení je průtočná trubka tvořena první obloukovou částí spojenou na jednom konci se vstupním potrubím, druhou obloukovou částí spojenou na jednom konci s výstupním potrubím a spojovací částí mezi oběma zbývajícími konci první a druhé obloukové části, přičemž vzdálenost od spojovací části k těžišti průtočné trubky je menší než maximální rozpětí obloukových částí od tohoto těžiště. V tomto případě je vibrátor s výhodou umístěn ve středu spojovací části.

Podle dalšího výhodného provedení je první i druhá oblouková část kruhová s obloukem 270° , přičemž spojovací část je přímá.

Dále je výhodné, když je vibrátor umístěn ve středu spojovací části. Vibrátor je upraven pro oscilaci průtočné trubky rezonančním kmitočtem vyšším než je základní kmitočet, pro vytvoření alespoň jednoho vibračního uzlu podél celé délky průtočné trubky.

Dále je výhodné, když jsou montážní konce průtočné trubky upevněny do montážního bloku, jehož hmotnost je větší než celková hmotnost průtočné trubky.

Výhodně je průtočná trubka rozkmitána druhým harmonickým rezonančním kmitočtem pro vytvoření dvou vibračních uzlů podél celé délky průtočné trubky, přičemž vibrátor je umístěn mezi těmito dvěma uzly, a přičemž mezi jedním uzlem a jedním montážním koncem je umístěno

-3CZ 283747 B6 jedno čidlo rychlosti a mezi dalším uzlem a dalším montážním koncem je umístěno druhé čidlo rychlosti.

V podstatě volně plovoucí a celkové stabilnější tvar průtočné trubky umožňuje přesnější snímání Coriolisovy síly a stabilizování zařízení vůči škodlivým vlivům vnějšího mechanického hluku z okolí.

Výhodné provedení zařízení využívá výhod snímání dvojicí průtočných trubek, stejně jako zmenšení celkové velikosti měřicího zařízení i trubkové části potřebné pro měření průtoku.

Podle dalšího výhodného provedení je každá průtočná trubka uspořádána ve svislé rovině.

Podle dalšího výhodného provedení obsahuje zařízení dvě průtočné trubky, vzájemně podobného tvaru, umístěné přilehle u sebe a paralelně zapojené.

Podle dalšího výhodného provedení obsahuje zařízení montážní blok pro upevnění montážních konců obou průtočných trubek, opatřený rozdělovačem průtoku pro rozdělení proudu tekutiny ze vstupního potrubí do dvou stejných částí pro dvě průtočné trubky a slučovač proudu pro spojení částí proudu z průtočných trubek do výstupního potrubí.

Hmotnost montážního bloku je s výhodou větší než celková hmotnost průtočných trubek, které představují vibrující část zařízení. Dvojice průtočných trubek je s výhodou rozkmitána opačným způsobem vibrátorem upevněným na montážním bloku, aby se vytvořila opačně směrovaná Coriolisova síla, čímž se zvýší celková měřitelnost reakce průtočné trubky v každém bodě.

S výhodou jsou obě průtočné trubky k sobě připevněny dvěma držáky, z nichž každý je umístěn u příslušných montážních konců. Tyto držáky omezují vliv vibrace průtočné trubky na spojení mezi průtočnými trubkami a montážním blokem.

Dvě průtočné trubky mohou mít tvar ležícího písmene B s těžištěm a montážními konci ležícími u vrcholů obloukových částí tvaru písmene B. Obloukové části vytvářejí oblouk v podstatě 270° a jsou spojeny v podstatě přímou spojovací částí procházející těsně kolem těžiště nad nebo pod montážním blokem.

Obloukové části jsou přednostně provedeny s velkým zakřivením, aby se maximalizovala kolmá složka průtoku vzhledem ke směru použité oscilace a délce průtočných trubek, na kterých vzniká jako reakce Coriolisova síla. Navíc relativně dlouhá momentová ramena jsou tvořena obloukovými částmi, kolem kteiých Coriolisova síla působí.

Spojovací části spojují obloukové části a jsou umístěny v podstatě přilehle k těžišti, takže momentové rameno použité oscilace kolem těžiště a montážních konců průtočných trubek je relativně krátké ve srovnání s momentovými rameny měřené Coriolisovy síly.

Vytvořené zařízení obecně počítá s relativně dlouhými průtočnými trubkami, od vstupu k výstupu, pro zvýšení celkové pružnosti průtočných trubek. Tato pružnost v podstatě zvyšuje schopnost pružných trubek reagovat v odezvu na Coriolisovu sílu nutící průtočné trubky do torzní výchylky podél celé délky bez podstatného omezení výhodně upevněným montážním blokem.

Vibrátor je s výhodou upevněn na montážním bloku. Vibrátor je tvořen elektromagnetickým budičem umístěným mezi dvěma průtočnými trubkami, který má vytvořeny dvě vzduchové mezery, do nichž zasahují feromagnetické chlopně připojené ke každé z průtočných trubek. Když je elektromagnetický budič připevněn k montážnímu bloku, rozkmitává průtočné trubky, aniž by

-4CZ 283747 B6 se jich přímo dotýkal, aby se vyloučila změna rezonančního kmitočtu nebo tlumení pohybu průtočných trubek.

Elektromagnetický budič je s výhodou ovládán vhodnou soustavou obvodů pro vytváření stejné 5 amplitudy oscilace, i když se mění hustota proudu. Soustava obvodů zároveň zajišťuje, že průtočné trubky oscilují vždy ve vybraném rezonančním kmitočtu.

Ve výhodném provedení je elektromagnetický budič připojen k budicímu obvodu tvořenému vstupním stupněm a kmitočtovým regulačním stupněm připojenými k výstupu vstupního stupně, 10 přičemž výstupní stupeň je připojen k amplitudovému regulačnímu stupni a ke kmitočtovému regulačnímu stupni, vstup vstupního stupně je spojen s elementem pro snímání oscilace průtočné trubky a výstup z výstupního stupně je spojen s elektromagnetickým budičem.

Pro určování Coriolisovy síly mohou být použita čidla jakéhokoli běžného typu, která vydávají 15 signály odpovídající pohybu průtočné trubky. Symetricky umístěná čidla mohou být připevněna přímo na průtočné trubce nebo trubkách na opačných stranách oscilačního budiče nebo mohou být připevněna na prodloužených ramenech, která jsou upevněna na jednom konci k montážnímu bloku a na druhém konci umístěna u průtočné trubky.

Snímacím elementem je s výhodou cívka pro snímání rychlosti průtočné trubky.

Dále je výhodné, když dvě čidla rychlosti jsou umístěna mezi dvěma průtočnými trubkami v různých bodech podél průtočných trubek, přičemž každé čidlo rychlosti je elektromagnetickým zařízením, které má dvě vzduchové mezery, a ke každé průtočné trubce je připevněna chlopeň 25 zasahující do vzduchové mezery v tomto elektromagnetickém zařízení.

Výhodné rovněž je, když elektromagnetická zařízení tvořící čidla rychlosti jsou připevněna k montážnímu bloku.

A konečně je výhodné, když zařízení je opatřeno skříní, v níž je umístěno vstupní potrubí, výstupní potrubí, montážní blok a průtočné trubky, přičemž montážní blok je upevněn ve skříni pomocí ramen.

Coriolisovo měřicí zařízení a způsob měření průtoku podle vynálezu zlepšují přesnost měření 35 Coriolisovy reakční síly zvýšením odolnosti signálů čidel ve vztahu k vnitřnímu a vnějšímu hluku. Vynález navíc dovoluje zvýšení citlivosti při eliminování nesymetrických zkroucení tvaru průtočné trubky.

Zlepšená přesnost měření Coriolisovy síly rovněž umožňuje použití silnějších a stabilnějších 40 konstrukčních prvků, které jinak obvykle snižují citlivost měřicího zařízení na Coriolisovu sílu u známých provedení. Proto může být Coriolisovo zařízení pro měření průtoku podle vynálezu přizpůsobeno pro měření mnoha tekutin, které obvykle nelze měřit známými zařízeními pro měření průtoku Coriolisova typu, vzhledem k jejich tlaku nebo k hodnotám proudění nebo vzhledem k omezení v provádění Coriolisových měření u těchto známých měřicích zařízení 45 průtoku.

Zařízení podle vynálezu je vhodné pro měření průtoku tekutiny s jednou fází, jako plynů nebo kapalin nebo vícefázových tekutin, například plynů s rozptýlenými kapalnými nebo pevnými částicemi nebo kapaliny s pevnými částicemi.

-5CZ 283747 B6

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody vynálezu budou zřejmé zejména z objasněného příkladného provedení. Za účelem vysvětlení vynálezu jsou na výkresech znázorněna výhodná provedení; je samozřejmé, že vynález není omezen na tato znázorněná provedení. Obr. 1 znázorňuje perspektivní pohled na příkladné provedení zařízení pro měření průtoku Coriolisova typu podle vynálezu, obr. 2 znázorňuje půdorys provedení zobrazeného na obr. 1, obr. 3 znázorňuje bokorys provedení zobrazeného na obr. 1, obr. 4 znázorňuje řez provedením zobrazeným na obr. 2 podél čáry A-A včetně alternativního upevnění čidel použitého ve smyslu vynálezu, obr. 5A, 5B a 5C ukazují různé rezonanční vibrační modely průtočné trubky provedení znázorněného na obr. 1 až 4, obr. 5D a 5E znázorňují bokorys a půdorys oscilačního modelu zobrazeného na obr. 5C, obr. 6 znázorňuje bokorys dalšího provedení zařízení podle vynálezu, obr. 7 je půdorysem provedení znázorněného na obr. 6 v řezu podle čáry B-B, obr. 8 je půdorysem elektromagnetického budiče pro použití u měřicího zařízení podle vynálezu s dvojicí průtočných trubek, obr. 9 znázorňuje řez budičem z obr. 8 podle čáry C-C a obr. 10 schematicky znázorňuje budicí obvod pro elektromagnetický budič zařízení podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Jedno takové provedení zařízení 10 je znázorněno na obr. 1 až 3. Zařízení 10 obsahuje vstupní potrubí 12. výstupní potrubí 14, střední montážní blok 16 a dvě průtočné trubky 18 a 20 obecně tvaru písmena B. Vstupní potrubí 12 a výstupní potrubí 14 jsou opatřena přírubami 22 a 24, které jsou upraveny pro montáž zařízení 10 do potrubí s měřeným proudem tekutiny (neznázoměno). Vstupní potrubí 12 a výstupní potrubí 14 obecně představují vstup a výstup do průtočných trubek 18, 20 změřeného proudu tekutiny a jsou vůči sobě umístěny koaxiálně, stejně jako jsou koaxiální i s podélnou osou 38 měřeného proudu tekutiny.

V montážním bloku 16 je vytvořen jednak vstupní kanál 26, který je spojen se vstupním potrubím 12, jednak výstupní kanál 28, který je spojen s výstupním potrubím 14. Vstupní kanál 26 a výstupní kanál 28 jsou znázorněny na obr. 2 přerušovanými čarami, které tak ukazují vytvoření vnitřku montážního bloku 16. Vstupní kanál 26 v bloku 16 vytváří rozdělovač 30 průtoku pro rozdělení proudu tekutiny procházejícího montážním blokem 16 tak, aby přiváděl v podstatě ekvivalentní množství tekutiny ze vstupního potrubí 12 do každé z průtočných trubek 18, 20. Proud tekutiny prochází vstupním kanálem 26 a potom první průtočnou trubkou 20 v podstatě souběžně a paralelně a je vytlačován do výstupního kanálu 28. Ve slučovači 32 průtoku ve výstupním kanálu 28 se opět vytváří jeden vytlačovaný proud tekutiny, který je usměrněn do výstupního potrubí 14.

Vstupní potrubí 12, vstupní kanál 26, výstupní kanál 28, výstupní potrubí 14 a spojení mezi vstupním a výstupním kanálem 26, 28 a dvěma konci 34, 34', 36. 36' každé průtočné trubky 18, 20 jsou především provedeny s hladkými vnitřními povrchy pro omezení překážek proudu tekutiny a jiných nepříznivých vlivů při proudění zmíněnými průtočnými částmi.

Jak je podrobně znázorněno na obr. 2, průtočné trubky 18 a 20 mohou být umístěny tak, že svírají s osou 38 úhel. Umístění průtočných trubek 18 a 20 vzhledem k ose 38 měřeného proudu tekutiny a vzhledem ke vstupnímu a výstupnímu potrubí 12, 14 může být provedeno v jakémkoli požadovaném úhlu, včetně pravého úhlu a paralelního uspořádání (viz obr. 6 a 7). Navíc vstupní potrubí 12 a výstupní potrubí 14 mohou být navzájem přesazeny nebo vyhnuty (neznázoměno), jestliže je to požadováno. Nicméně, zejména se vyžaduje, aby bylo co nejméně překážek v cestě proudu měřené tekutiny průtočnými trubkami 18, 20. aby se zabránilo nepříznivým vlivům na tekutinu i omezení vlivu turbulentního proudění nebo kavitace na měření Coriolisovy síly.

-6CZ 283747 B6

Přednostní provedení je takové, že první průtočná trubka 18 a druhá průtočná trubka 20 jsou v podstatě identické a jsou uspořádány přilehle a paralelně. Průtočné trubky 18 a 20 mohou být zhotoveny z jakéhokoli různého materiálu, např. z nerezové oceli.

Dále bude popsána jedna z trubek 18 jako příkladné provedení obou trubek (i těch, které jsou znázorněny na obr. 6 a 7 a o nichž bude pojednáno dále). Na výkresech znázorněné provedení trubky 20 je identické s provedením popsaným jako příkladné u trubky 18.

Vstupní konec 34 průtočné trubky 18 je pevně připojen k montážnímu bloku 16 tak, aby byl propojen se vstupním kanálem 26. Výstupní konec 36 průtočné trubky 18 je rovněž pevně připojen k montážnímu bloku 16 aje propojen s výstupním kanálem 28. Jak je znázorněno na obr. 2, jsou vstupní konec 34, výstupní konec 36 a zbývající části průtočné trubky 18 s výhodou uspořádány v jedné svislé rovině. Montážní konce 34, 36 však mohou být umístěny přilehle k rovině průtočné trubky 18 při provedení jemně zakřivených sekcí (neznázoměno) mezi montážním blokem 16 a průtočnou trubkou 18.

Je výhodné, že alespoň podstatná část průtočné trubky 18 leží v jedné rovině a zbývající části jsou k ní těsně přilehlé. Je také výhodné, že zařízení 10 je umístěno tak, že rovina průtočné trubky 18 je svislá, aby se zabránilo nerovným vlivům hmotnosti trubky 18 a hmotnosti proudu na pohyb trubky a měření Coriolisovy síly.

Jak je znázorněno, vstupní konec 34 a výstupní konec 36 jsou připojeny k montážnímu bloku 16 v polohách, které jsou těsně přilehlé nebo navzájem blízké.

Konec 34 průtočné trubky 18 je umístěn na relativně zadní části montážního bloku 16 (přilehle k výstupnímu potrubí 14) s koncem 36 průtočné trubky 18 spojené s výstupním kanálem 28 montážního bloku 16 (přilehle k relativně přednímu nebo vstupnímu konci zařízení 10).

Ve znázorněné poloze průtočné trubky 18 může být proudění ze vstupního potrubí 12, vstupním kanálem 26 a do průtočné trubky 18 provedeno bez otáčení a napřimování proudu v náhlých nebo extrémních úhlech. Navíc výstup proudu z průtočné trubky 18 může být nasměrován do výstupního potrubí 14 pozvolným otáčením ve výstupním kanálu 28.

Ačkoli se výsledné uspořádání zařízení 10 může měnit podle počtu navržených charakteristických veličin, je výhodné, že vždy se vyskytne minimum překážek proudění vzniklých umístěním zařízení 10 v měřeném potrubí.

Jak je podrobněji znázorněno na obr. 4, průtočná trubka 18 obklopuje nebo vytváří smyčku kolem montážního bloku 16 a obecně vytváří ležící písmeno B. Průtočná trubka 18 je připevněna k montážnímu bloku 16 v přilehlých vrcholech dvou polokruhových obloukových částí 40, 44 tvaru B. Průtočná trubka 18 je tvořena první obloukovou částí 40. která vybíhá z relativně horní části montážního bloku 16 od konce 34 a stáčí se plynulým obloukem, který je větší než 180° v oblouku a jak je znázorněno, je zahnuta kolem montážního bloku 16 přibližně v 270° do polohy v podstatě pod osou 38.

První oblouková část 40 je propojena se spojovací částí 42, která se v podstatě táhne od první obloukové části 40 na jedné straně montážního bloku 16 aje propojena s druhou obloukovou částí 44, která je tvarována podobně jako první oblouková část 40, umístěná na opačném konci montážního bloku 16 symetricky kolem osy 46 souměrnosti. Spojovací část 42 je vytvořena výhodně jako přímá a míjí montážní blok 16 těsně přilehle k němu a, jak je znázorněno, neprotíná osu 38 vstupního potrubí 12 a výstupního potrubí 14 ani proud tekutiny.

Je výhodné, že spojovací část 42 je prostorově uspořádána tak, že neprochází těžištěm 48 průtočné trubky 18, ale těsně kolem něj. Navíc je žádoucí, aby těžiště 48 bylo umístěno co

-7CZ 283747 B6 nejblíže montážním koncům 34, 36 průtočné trubky 18. Oddělení montážních konců 34 a 36 a spojovací části-42 od těžiště 48 je menší než všeobecné prodloužení obloukových částí 40, 44 od osy 46 souměrnosti průtočné trubky 18.

Relativní poloha spojovací části 42 vzhledem k oběma montážním koncům 34, 36 průtočné trubky 18 (stejně jako vzhledem k ose 38) může být nastavena svisle vzhledem k montážnímu bloku 16 v kterémkoli směru a jakýmkoli vhodným způsobem.

Navíc spojovací část 42 nemusí být v podstatě přímá, jak je znázorněno, ale může být zakřivena podle nějaké vhodné kombinace. Do polohy mezi dvěma spojovacími částmi 42 průtočných trubek 18 a 20 je pomocí ramene 70 připevněn vibrátor 50.

Jak je znázorněno na obr. 4, jsou oba montážní konce 34 a 36 průtočné trubky 18 téměř kolmé k horní ploše montážního bloku 16, takže každá oblouková část 40 a 44 provádí změnu směru proudu skoro o 270°. V tomto provedení je celková změna směru proudu v délce průtočné trubky 18 od jednoho montážního konce 34 k druhému montážnímu konci 36 přibližně 540°. Je rovněž možné, aby oba montážní konce 34 a 36 byly skloněny k horní ploše montážního bloku 16 pod ostrým úhlem. V případě, že tento úhel činí 45°, je celková změna směru proudu v průtočné trubce 18 pouze 450°.

Coriolisova síla vyvolaná prouděním jako reakce na vibraci průtočné trubky 18 způsobenou vibrátorem 50 je všeobecně úměrná hustotě průtoku tekutiny, rychlosti tekutiny v průtočné trubce 18 a poměru změny sklonu zakřivené dráhy tekutiny pohybující se v trubce 18. Když se trubka 18 odklání kolmo nebo příčně od směru rychlosti tekutiny (například, když se pohybuje ve směru X), vzniká přídavná složka rychlosti, která má rovněž relativně kolmý nebo příčný směr (např. směr Y).

Takto se částice tekutiny pohybující se v trubce 18 pohybuje v obou směrech proudění a příčném směru (X nebo Y) nebo v zakřivené dráze. Rozdíl mezi příčným pohybem částice (směr Y) vzhledem k pohybu proudění (směr X) odpovídá sklonu zakřivené dráhy. Poměr změny sklonu zakřivené dráhy vzhledem k času (d²y/dxdt) je úměrný Coriolisově síle.

Protože průtočná trubka 18 je s výhodou rozkmitána vibrátorem 50 v průsečíku osy 46 souměrnosti a spojovací části 42, vzniká Coriolisova síla v podstatě v opačných směrech kolem této polohy (a s gradientem, kteiý je symetrický) podél délky průtočné trubky 18.

Čidla 52 a 54 jsou umístěna na první obloukové části 40 a druhé obloukové části 44 tak, aby měřila odklon průtočné trubky 18 způsobený Coriolisovou silou působící na tuto trubku 18. Čidla 52, 54 mohou mít jakoukoli požadovanou známou formu či tvar. Snímací prostředky vhodného typu mohou být pro měření Coriolisovy síly upraveny jako prostředky, které vydávají signály charakteristické pro pohyb průtočné trubky 18.

Symetricky umístěná čidla 52, 54 mohou být vestavěna přímo do průtočné trubky 18 na opačných stranách oscilačního vibrátoru 50 (obr. 1) nebo mohou být namontována do prodloužených ramen 56, 58, která jsou upevněna jedním koncem na montážním bloku 16 a na druhém konci jsou umístěna přilehle k průtočné trubce 18 (obr. 4).

Navíc jednotka zpracovávající signály (neznázoměno) pro určení průtoku trubkou 18 jako výsledku zesílených signálů z čidel 52. 54 a jako funkce části signálů, které jsou složkou Coriolisovy síly tekutiny, může být rovněž provedena v jakékoli požadované formě.

Obloukové části 40 a 44 mají relativně velké zakřivení a jsou spojeny se spojovací částí 42 o velké délce, která zvyšuje obecně pružnost průtočné trubky 18 a schopnost této trubky 18

-8CZ 283747 B6 vyklánět se v důsledku reakce na Coriolisovu sílu a zvětšuje měřitelnost tohoto odklonu či výchylky.

Navíc prodloužení obloukových částí 40 a 44 od osy 46 souměrnosti obecně zvýší účinek Coriolisovy síly kolem osy 46 souměrnosti stím, že se průtočná trubka 18 podle působící Coriolisovy síly víc zkroutí. Výsledný pohyb průtočné trubky 18 bude výsledkem reakčního gradientu a tvaru průtočné trubky 18.

Zvýšení v torzním ohybuje výsledkem velké délky stejně jako tvaru průtočné trubky 18, která se kroutí v závislosti na gradientu Coriolisovy síly. Dlouhé obloukové části 40, 44 tedy zvyšují množství proudící tekutiny pohybující se ve směru se složkou kolmou ke směru proudění těsně u vibrátoru 50, který zvyšuje prostor, ve kterém může Coriolisova síla působit na průtočnou trubku 18 a takto zvýšit měřitelnost dynamického účinku Coriolisovy síly po délce obloukových částí 40 a 44 tak, aby jej bylo možno odlišit od oscilace způsobené vibrátorem 50

Obloukové části 40 a 44 se neotáčejí kolem osy 46 souměrnosti nebo svých montážních konců 34, 36, protože se vychylují zkrutně v důsledku pružnosti průtočné trubky 18. Navíc protože průtočná trubka 18 tvoří souměrnou smyčku kolem těžiště 48, vibrace trubky 18 je stejná ve všech bodech a v podstatě se nekombinuje s vnějším hlukem. Snímání Coriolisovy síly na průtočné trubce 18 je prováděno s tím záměrem, aby byl zohledněn pohyb průtočné trubky 20, pročež potřeba upevnění osy výchylky pro měřicí účely je v podstatě vyloučena.

Průtočná trubka 18 je tvarována tak, že obklopuje svoje těžiště 48 i své montážní konce 34, 36. Toto uspořádání průtočné trubky 18 tak, že její těžiště 48 je bezprostředně u jejích montážních konců 34 a 36, způsobuje snížení účinku vnějšího hluku a nestejných vibrací průtočné trubky 18.

Jak je znázorněno na obr. 4, je s výhodou vzdálenost těžiště 48 průtočné trubky 18 od každého montážního konce 34 a 36 menší, než polovina maximálního roztažení obloukových částí 40 a 44 od příslušných montážních konců 34 a 36. Tak je průtočná trubka 18 stálá vzhledem ke svým montážním koncům 34 a 36 a proto se vnější hluk významně nekombinuje se snímáním Coriolisovy síly od vibrací způsobených vibrátorem 50 a proto výpočet průtoku je dále zlepšen.

Relativně dlouhá průtočná trubka 18 vytváří v podstatě pružnou konstrukci, která je schopná vychýlení v závislosti na Coriolisově síle, čímž se zvýší citlivost zařízení 10. Navíc, při provedení pružnější konstrukce průtočné trubky 18 společně se stálejším tvarem, může mít průtočná trubka 18 relativně velkou tloušťku stěn.

Ačkoli těžší průtočná trubka 18 způsobí obecně snížení své pružnosti a takto snížení velikosti své výchylky v závislosti na Coriolisově síle, citlivost zařízení 10 není snížena, protože měřené reakce jsou v podstatě odolné vůči vnějšímu hluku vlivem stability průtočné trubky £8. Zvýšení tloušťky stěn způsobí obecně zvýšení pevnosti a životnosti zařízení 10 a umožňuje využití zařízení 10 i pro tekutiny s relativně vysokým tlakem, stejně jako dovoluje zvýšení bezpečnosti činnosti zařízení 10.

Řízení průtočné trubky 18 v bodě, který je blízko těžiště 48 a rovněž blízko montážních konců stabilizuje její vibrační charakteristiku stejně jako její reakci na Coriolisovu sílu. Při větší vzdálenosti vibrátoru 50 od těžiště 48 je pravděpodobnější, že vibrátor 50 způsobí zkroucení v pohybu způsobeném oscilací a takto ovlivní pohyb průtočné trubky 18 snímaný čidly 53 a 54.

Jak je znázorněno na obr. 4, vzdálenost vibrátoru 50 umístěného na středu spojovací části 42 ke každému ze dvou montážních konců 34, 36 je menší než maximální roztažení obloukových částí 40 a 44 od příslušných montážních konců 34 a 36.

-9CZ 283747 B6

Vzdálenost mezi vibrátorem 50 a těžištěm 48 může být různá se zřetelem na jiné navržené faktory, jako je délka průtočné trubky 18, poloha těžiště 48 vzhledem k montážním koncům 34, 36, roztažení obloukových částí 40. 44 od osy 46 souměrnosti atd. Při změně polohy spojovací části 42 podél osy 46 souměrnosti se může rovněž změnit poloha těžiště 48 průtočné trubky 18 vzhledem k montážním koncům 34, 36, jak je požadováno.

Stabilizaci zařízení 10 je možno provádět u montážního bloku 16 a vstupního a výstupního potrubí 12, 14, s výhodou tak, že mají relativně větší hmotnost ve srovnání s hmotností průtočných trubek 18 a 20. Průtočná trubka 18 relativně volně plave, což je způsobeno její pružností a umístěním kolem relativně velké centrální hmoty ajejich montážních konců 34, 36.

Velká hmota montážního bloku 16 je s výhodou umístěna v těžišti 48 průtočné trubky 18, což dále zvyšuje odolnost průtočné trubky 18 vůči účinkům vnějšího hluku a nesymetrického zkroucení při měřeních čidly 52 a 54. Navíc průtočné trubky 18, 20 nejsou zavěšeny ze vstupního potrubí 12 a výstupního potrubí 14 zařízení 10 a montážní konce 34, 36 jsou umístěny relativně uzavřeně vůči sobě, aby se vytvořilo kompaktnější prostředí působen tak, že se zamezí vystavení velkým vibracím způsobeným vnějším hlukem.

Mezi průtočnými trubkami 18. 20 jsou upraveny držáky 72 a 74 a jsou umístěny poblíž relativních konců 34, 34’ a 36, 36'. Držáky 72, 74 obecně představují střed, kolem něhož se obloukové části 40 a 44 odklánějí. Držáky 72. 74 jsou použity proto, že omezují účinek oscilačního pohybu průtočných trubek 18 a 20 na spoj mezi těmito průtočnými trubkami 18, 20 a montážním blokem 16.

Alternativní provedení zařízení 110 dříve popsaného zařízení 10 s odkazem na obr. 1 až 4 je znázorněno na obr. 6 a 7. Jak je vidět, zařízení 110 je opatřeno stejnými průtočnými trubkami 118. 120 stejné konstrukce jako na obr. 1 až 4, avšak vestavěnými do skříně 80 v poloze vzdálené od podélné osy 138 proudu tekutiny nebo přívodního potrubí (neznázoměno).

Vstupní potrubí 112 je upevněno na jednom konci skříně 80 a výstupní potrubí 114 je upevněno na opačném konci skříně 80 vzhledem k centrálnímu montážnímu bloku 116. Montážní blok 116 je upevněn ve skříni 80 pomocí ramen 156 a 158, která určují jeho polohu uvnitř interiéru skříně 80.

V montážním bloku 116 je vytvořen vstupní kanál 126, do kterého vstupuje proud ze vstupního potrubí 112 a který tento proud dále směruje do obou průtočných trubek 118 a 120 jejich montážními konci 134, 134' a rozděluje jej v rozdělovači 130 průtoku.

Průtočné trubky 118 a 120, jak je znázorněno, vedou v podstatě proud tekutiny stejným způsobem jako průtočné trubky 18 a 20 na obr. 1 až 4 a obsahují obloukové části 140 a 144 stejně jako spojovací část 142 a těžiště mají v těsné blízkosti svých montážních konců 134, 134' a 136, 136’. Výstup z průtočných trubek 118 a 120 je veden výstupním kanálem 128 a spojuje se do jednoho proudu ve slučovači 132 průtoku a vede se zpět do proudu tekutiny nebo výstupního potrubí (neznázoměno) výstupním potrubím 114.

Průtočné trubky 118 a 120 leží v rovinách, které jsou s výhodou uspořádány rovnoběžně těsně u sebe a jsou rovněž rovnoběžné s osou 138. Vstupní a výstupní kanál 126, 128 uvnitř montážního bloku 116 jsou určeny k vedení nevelké části proudu tekutiny ze vstupního potrubí 112 a výstupního potrubí 114 vzhledem k rovině průtočných trubek 118, 120, které jsou s výhodou umístěny uzavřeně přilehle k sobě navzájem.

Ramena 156 a 158, která podpírají montážní blok 116 (stejně jako průtočné trubky 118, 120) uvnitř skříně 80 navíc nesou i čidla 152, 154 mezi příslušnými obloukovými částmi 140, 144 průtočných trubek 118. 120.

- 10CZ 283747 B6

Čidla 152, 154 mohou mít opět libovolný tvar podle požadavků nebo mohou být přímo připojena k průtočným trubkám 118, 120 (jak je znázorněno na obr. 1 až 3). Navíc vibrátor 150 může být rovněž připevněn k pevné skříni 80 pomocí ramen 156, 158 a montážního bloku 116. Jak je znázorněno, vibrátor 150 je připevněn do polohy mezi oběma spojovacími částmi 142 průtočných trubek 118 a 120 pomocí ramene 170. Vibrátor 150, který je znázorněn na obr. 8 a 9, je popsán níže.

Obecný tvar potrubí, jak je zamýšleno předloženým vynálezem, je navržen tak, aby byl omezen vliv vnějšího hluku a vnitřních zkroucení pružných průtočných trubek 18. 20 v důsledku oscilačního pohybu, aby byla vytvořena stabilní konstrukce a aby bylo dosahováno přesného měření reakce na obloukových částech 40. 44 způsobené Coriolisovou silou a snímané čidly 52 a 54. Příznačně jsou čidla 52, 54 uspořádána symetricky kolem vibrátoru 50 a měří v podstatě stejné a opačné reakce na každé obloukové části 40. 44, způsobené gradientem přirozené Coriolisovy síly vlivem použité oscilace.

Pohyb průtočných trubek 18. 20 vyvolaný oscilací vibrátoru 50 bude ovlivněn Coriolisovou silou, která buď působí proti nebo se přičte k pohybu průtočné trubky během každého vibračního zdvihu. Obecný pohyb snímaný čidly 52 a 54 během činnosti zařízení 10 je zpracován vhodným způsobem, kterým se průtok určí.

Jeden ze známých způsobů určování průtoku ze signálů čidel 52, 54 je stanovit časový rozdíl signálů odpovídající pohybu opačné strany obloukových částí 40 a 44. V praxi jsou časové rozdíly dvou stran průtočné trubky 18, vezmeme-li v úvahu známé vytvoření a omezení materiálů používaných pro trubky, kolem 10 až 100 mikrosekund (nebo větší).

Nicméně bylo stanoveno, že malé rozdíly signálů (odpovídající malé Coriolisově síle nebo vyšší pracovní frekvenci) je možno akceptovat, když se signály od čidel obecně nesměšují s venkovním hlukem. Většinou u známých zařízení pro měření průtoku jsou signály od čidel hlučné, když je výchylka způsobená Coriolisovou silou omezená. Větší pružnost průtočné trubky 18 navrženého tvaru, větší výchylka průtočné trubky 18 způsobená Coriolisovou silou (to znamená větší citlivost) způsobí proto větší časový rozdíl nebo rozdíl signálů. Nicméně ve známých zařízeních na měření průtoku bude mít rovněž větší vliv vnitřní nebo vnější hluk na pružnější průtočnou trubku a tím i na směšování signálů od čidel.

Doposud bylo známo rozkmitávat u známých zařízení na měření průtoku průtočné trubky v jejích základním při rozeném rezonančním kmitočtu. Tento základní rezonanční kmitočet je také použitelný pro činnost zařízení 10 u trubek navrženého tvaru podle vynálezu. Řešení podle vynálezu omezuje vliv vnějšího hluku na průtočnou trubku 18, jak je vidět u čidel 52 a 54, na úkor citlivosti na výchylku průtočné trubky 18 způsobenou Coriolisovou silou.

Bylo stanoveno, že při vibraci průtočné trubky 18 s relativně větším kmitočtem oscilace než je základní rezonanční kmitočet, může být udržována dále odolnost k vnějšímu hluku, zatímco je prováděno přesné měření průtoku tekutiny.

Typickým problémem ovlivňujícím známá zařízení na měření průtoku v pracovním prostředí je, že základní rezonanční kmitočet průtočné trubky je relativně velmi blízký obecnému vibračnímu účinku na měřicí zařízení od vnějšího hluku prostředí, v kterém zařízení pracuje. Rotační stroje stejně jako další mechanické vibrační vlivy mohou pracovat s kmitočtem blízkým základnímu rezonančnímu kmitočtu průtočné trubky a mohou významně negativně ovlivňovat signály od čidel. Při činnosti zařízení pro měření průtoku s relativně vyšším kmitočtem než je základní rezonanční kmitočet, hluk produkovaný okolním prostředím a pohyb snímaný čidly 52 a 54 (a takto Coriolisova síla) jsou snadněji rozlišitelné.

- 11 CZ 283747 B6

Obr. 5A, 5B, 5C a 5D znázorňují přednostní provedení tvaru průtočné trubky 18 uvažovaného pro výhodné provedení zařízení podle vynálezu. U tohoto navrženého tvaru trubky je možno rozeznat několik přirozených rezonančních kmitočtů, z nichž každý je odlišného oscilačního modelu. Jsou znázorněny tři druhy oscilace či vhodných modelů podle způsobu rozkmitání prvními třemi rezonančními kmitočty průtočné trubky 18 kolem jejích pevných montážních konců 34 a 36.

Obr. 5A znázorňuje oscilační model základního kmitočtu průtočné trubky 18. Při tomto vibračním kmitočtu se vychyluje celý tvar trubky kolem pevných montážních konců 34 a 36 a kolem jejího těžiště 48, jak znázorňují křivky AI a A2. Maximální přestavení průtočné trubky 18 z její základní nevychýlené polohy, kterou znázorňuje křivka A0, je v podstatě na spojovací části 42.

Model výchylky, jak je znázorněn křivkami B1 a B2. způsobené prvním harmonickým rezonančním kmitočtem, ukazuje obr. 58. Nevychýlenou polohu znázorňuje křivka B0. Podle tohoto způsobu kmitá průtočná trubka 18 kolem pevných montážních konců 34 a 36 a kolem osy 46 souměrnosti.

Model výchylky podle křivek B1 a B2 vzniká při vibraci plovoucí volné průtočné trubky 18 v prostoru, když je upevněna ve svých montážních koncích 34, 36 a není nezbytně nutné jeho potahování v průsečíku osy 46 souměrnosti a spojovací části 42. Při tomto oscilačním modelu vzniká na ose 46 souměrnosti průtočné trubky 18 uzel 60. Uzel 60 představuje místní minimální amplitudu vibrace vytvářenou v závislosti na použité vibraci a v podstatě volně plave v prostoru se zbývajícími částmi průtočné trubky 18 kmitající k maximu amplitudy mezi uzlem 60 a pevnými montážními konci 34 a 36.

Maximální přesazení průtočné trubky 18 v závislosti na použité vibraci je někde mezi pevnými konci 34, 36 a uzlem 60, u všech vibrací ideálně symetricky kolem uzlu 60. V prostředí bez vnějšího hluku a bez proudění průtočnou trubkou 18 je uzel 60 v podstatě stacionární.

Nicméně se očekává, že uzel 60 může být pohyblivý díky vlivům Coriolisových sil, aniž by se podstatně zmenšily vibrační modely, jak znázorňují křivky B1 a B2.

Obr. 5C a 5E znázorňují model výchylky, jak ukazují tvaiy křivek Cl a C2, způsobený druhým harmonickým rezonančním kmitočtem na průtočné trubce 18, když na ni působí vibrace vytvářející vlnu podél celé délky průtočné trubky 18. Nevychýlená poloha je naznačena křivkou CO. Vzniknou dva uzly 62 a 64 a jsou umístěny v podstatě na opačných koncích spojovací části 42. Uzly 62, 64 představují místa s minimální amplitudou vibrace na průtočné trubce 18 a simulují tak středy, kolem nichž se průtočná trubka 18 jakoby souvisle ohýbá. Druhý harmonický rezonanční kmitočet může být větší než 100 Hz, např. kolem 140 Hz pro praktické provedení podle vynálezu.

Celkové vibrační vlnové modely podél pružné trubky jsou výsledkem zkrutných a podélných složek všech vibračních modelů tvaru průtočné trubky. Způsob vychýlení trubky a umístění uzlů na průtočné trubce bude procentovým příspěvkem všech složek oscilačních modelů (včetně dalších relativně vyšších rezonančních kmitočtů, které nejsou znázorněny).

Tento celkový výpadek se obecně nazývá participačním faktorem. Tento participační faktor je nejvíce ovlivňován tvarem, délkou a stažením materiálu průtočné trubky, tj. pružností průtočné trubky. Navíc celkové přesazení průtočné trubky je součtem procentového podílu každého způsobu přispívání stejně jako příspěvku Coriolisovy síly a vnějších vibračních vlivů.

Coriolisova síla se projeví ve formě gradientu podél délky průtočné trubky 18 s výslednicí působící na průtočnou trubku 18 v místech uzlů 62, 64 na opačných stranách. Při určování

- 12CZ 283747 B6 gradientu Coriolisovy síly vzhledem k uzlovému typu kmitání, jak je znázorněno na obr. 5C a 5D, největší Coriolisova síla tekutiny vzniká na uzlech 62. 64. Poměr změny sklonu za jednotku času proudu v rozkmitané průtočné trubce 18 je maximální v uzlech 62, 64, protože proud v těchto bodech plynule mění směr ve větším poměru než proud ve zbývajících částech průtočné trubky 18, které kmitají kolem uzlů 62, 64.

Části průtočné trubky 18 obklopující uzly 62, 64 vykazují časové zpoždění způsobené kmitáním dopředu a dozadu a proto mají menší změnu v přemisťování a tím i nižší Coriolisovu sílu. Čidla 52, 54 mohou být umístěna ve vhodných místech v symetrickém uspořádání vzhledem k vibrátoru 50, s výhodou mezi uzly 62, 64 a montážními konci 34 a 36 (nebo držáky 72 a 74) tak, aby byl vymezen pohyb obloukových částí 40 a 42.

Další izolování průtočné trubky 18 od vnějšího hluku je vytvořeno oscilací průtočné trubky 18 rezonancí nad jejím prvním harmonickým kmitočtem. Uzly 62, 64 stabilizují průtočnou trubku 18 určením polohy, která je potom inflexním bodem, v němž se průtočná trubka 18 ohýbá a jímž se nepřenáší působící vnější rušení nebo hluk. Při činnosti působením základního rezonančního kmitočtu je ohyb průtočné trubky 18 přímo závislý na druhu upevnění na montážním bloku 16. které je náchylné k přenosu vnějšího hluku.

Jak již bylo vysvětleno, neexistuje žádná definitivní osa oscilace, kolem které průtočná trubka 18 kmitá, protože průtočná trubka 18 se pohybuje v každém bodě po samostatné obloukové dráze a ne po kruhové dráze kolem nějakého svého pevného montážního nebo oscilačního bodu.

Určení charakteristických isolačních znaků vznikajících při uzlovém typu ohýbání průtočné trubky 18 při vyšším rezonančním kmitočtu použité oscilace je mnohem snadněji vysvětleno při použití pravidla pravé ruky k vytváření Coriolisovy síly proudu v kmitající průtočné trubce 18. Nicméně při použití tohoto pravidla jsou využity ohnuté polohy jako určující prvky umístění osy, požadující podle pravidla pravé ruky přiblížení.

Na obr. 5D a 5E jsou znázorněny dvě ohybové osy W1 a W2. které procházejí jednak uzly 62, 64 a jednak montážními konci 34, 36 a které vzniknou při rozkmitání průtočné trubky 18 druhým harmonickým kmitočtem oscilace. Proud se pohybuje průtočnou trubkou 18 od vstupního konce 34 k výstupnímu konci 36.

Coriolisova síla Fc v obloukové části 40 je výsledkem protínajících se vektorů rychlostí vl atol a v obloukové části 44 je výsledkem protínajících se vektorů rychlostí v2 a ω2. Vektory ωΐ a <a2 leží v osách W1 a W2 a mají velikost odpovídající úhlovému kmitočtu vibrace.

Když vibrátor 50, který je obvykle umístěn ve středu spojovací části 42. vychyluje průtočnou trubku 18 směrem dolů, jak je vidět z křivky C2 na obr. 5E, obě obloukové části 40, 44 se vychylují směrem nahoru na opačných stranách uzlů 62, 64. Protože Coriolisova síla vždy působí v uzlech 62, 64 jako funkce protínajících se vektorů, výsledná síla není funkcí žádného vnějšího rušení působícího na tyto uzly 62, 64.

Takto Coriolisova síla buď zvětšuje nebo zmenšuje výchylky průtočné trubky 18 způsobené vibrátorem 50 v závislosti na jejich fázi pohybu znázorněné křivkami Cl aC2, a bude pouze funkcí rychlosti a výchylek trubky a nikoli dalších výsledných vnějších rušení podílejících se na pohybu průtočné trubky 18.

Obecný tvar průtočné trubky 18, jejíž těžiště 48 je přibližně u jejích montážních konců 34, 36, které obklopuje (a není v něm upevněna), stabilizuje pohyb průtočné trubky 18, takže všechny vibrace, vnější a další, působí na průtočnou trubku 18 rovnoměrně, aby byl získán přesnější signál Coriolisovy síly. Rozkmitání průtočné trubky 18 rezonančním kmitočtem odlišným od

- 13 CZ 283747 B6 základního kmitočtu dále zvyšuje přesnost zařízení za současného zvyšování odolnosti vytváření Coriolisovy síly proti vnějšímu hluku.

Vibrátor 50, který je pro vytváření oscilačního pohybu průtočných trubek 18, 20, 118 a 120 použitý, může být jakéhokoli obvyklého typu nebo může být proveden jako elektromagnetický budič 6, jak je znázorněno na obr. 8 a 9. Navíc, protože oscilační kmitočet je důležitý pro vytváření Coriolisovy síly, stejně jako vlnové modely, když je trubka rozkmitána rezonančním kmitočtem odlišným od základního kmitočtu, je požadováno rovněž ovládání oscilační síly. Budicí obvod 200 je znázorněn na obr. 10.

Elektromagnetický budič 65 znázorněný na obr. 8 a 9 je umístěn mezi dvěma průtočnými trubkami 118 a 120 a s výhodou je rozkmitává opačným způsobem. Každá trubka 118. 120 je opatřena chlopní 66, 68 z feromagnetického materiálu, která je pevně připojena k vnější stěně průtočné trubky 118. 120 a zasahuje dovnitř do vzduchové mezery 73, 75 na protilehlých koncích elektromagnetického budiče 65.

Vzduchová mezera 73, 75 představuje oblast megnetického toku, která působí na chlopeň 66, 68 tak, že ji buď ze sebe vypuzuje nebo od sebe přitahuje vybuzováním elektromagnetického budiče 65. Změna stavu elektromagnetického budiče 65 je dosahována přiváděním střídavého elektrického proudu do cívky 76 navinuté na jádru 78. Opačné strany cívky 76 a jádra 78 jsou fixovány v dvou pevných deskách 82. 84, které jádro 78 i cívku 76 svírají ze dvou stran, přičemž na okrajích ponechávají vzduchové mezery 73 a 75.

Jádro 78 může tvořit permanentní magnet a dvě desky 82, 84 mohou být provedeny z měkkého železa. Takto je elektromagnetický budič 65 upraven pro rozkmitání průtočných trubek 118, 120. aniž by k nim byl přímo připojen, což by mohlo způsobovat tlumení nebo nevyrovnaný pohyb průtočných trubek 118, 120 nebo změnu jejich přirozeného vibračního kmitočtu.

Příkladné provedení budicího obvodu 200 pro oscilaci průtočných trubek 18, 20 nebo 118. 120 je schematicky znázorněno na obr. 10.

Účelem činnosti budicího obvodu 200 je rozkmitat průtočné trubky 18, 20 předvoleným kmitočtem zvoleným tak, aby byl minimalizován vliv vnější vibrace na pohyb průtočných trubek 18, 20. Geometrie průtočných trubek 18. 20 umožňuje stabilní oscilaci při několika kmitočtech a jejich harmonických složkách.

Obvod znázorněný na obr. 10 způsobuje spolehlivou oscilaci průtočných trubek 18, 20 při předem zvolených kmitočtech pro jakékoli tekuté médium proudící zařízením. Budicí obvod 200 způsobuje oscilaci s konstantní amplitudou bez ohledu na hustotu tekutého média, aby se vyloučila nelinearita způsobená rozdíly v hustotě a charakteristice proudu.

Budicí obvod 200 produkuje budicí signál ve formě trojúhelníkové vlny symetrické kolem nulové hodnoty napětí. Kmitočet trojúhelníkové vlny je předem zvoleným vibračním kmitočtem průtočných trubek 18.20.

Budicí obvod 200 je tvořen čtyřmi stupni, z nichž každý bude dále postupně popsán:

(1) vstupní stupeň 200, včetně přesného vstupního integrátoru;

(2) amplitudový regulační stupeň 212, včetně přesného detektoru 214 záporných špiček a napěťového a proudového konvertoru 216;

(3) kmitočtový regulační stupeň 242. včetně obvodu 244 se smyčkou synchronizace s přesnou fází a

- 14CZ 283747 B6 (4) výstupní stupeň 248, včetně operačního zesilovače 250 se strmou charakteristikou a přesného výstupního integrátoru.

Vstupní stupeň 202 se vstupem 201 obsahuje operační zesilovač 204 a kondenzátor 206 uspořádaný jako integrátor. Vstupní otvor 208 spojuje záporný vstup operačního zesilovače 204 k snímací cívce 210. která snímá rychlost průtočné trubky 18.

Ačkoli je na obr. 10 znázorněna snímací cívka 210. je odborníkům v oboru známo, že může místo ní být použit například piezoelektrický snímač (pro snímání zrychlení průtočné trubky 18) nebo optický snímač ze skleněných vláken (pro snímání přesazení průtočné trubky 18). aniž by došlo k odchýlení z rámce vynálezu.

Ve znázorněném provedení je napětí indukované ve snímací cívce 210 při pohybu průtočné trubky 18 úměrné rychlosti oscilace (to jest dy/dt, obr. 5E). Pro získání napětí úměrného přesazení (aby se udržela amplituda vibrace ve vlastní fázi), je napětí indukované v snímací cívce 210 integrováno v operačním zesilovači 204 a kondenzátoru 206. Takto potom vstupní stupeň 202 produkuje elektrický signál odpovídající přesazení průtočné trubky 18. Obvykle tento signál bude mít napětí řádově 500 mV.

Může být rovněž poznamenáno, že jelikož se snímá rychlost, jsou změny amplitudy pohybu průtočné trubky 18 způsobené vnějšími vlivy vlastně vyloučeny.

Výstupní signál ze vstupního stupně 202 je potom veden jednak do amplitudového regulačního stupně 214 a jednak do kmitočtového regulačního stupně 242.

Amplitudový regulační stupeň 212 sestává z přesného detektoru 214 záporných špiček a napěťového a proudového konvertoru 216. Amplitudový regulační stupeň 212 vyrábí proud, který je dodáván do výstupního stupně 248 pro získávání budicího napětí na výstupu 255 pro elektromagnetický budič 65.

Amplituda proudu je regulována v přesném detektoru 214 záporných špiček, který sestává z odporu 217, operačního zesilovače 218 a diod 220 a 222. Výstup z detektoru 214 záporných špiček je přiveden na budicí zesilovač 228 RC obvodem tvořeným odporem 224 a kondenzátorem 226. Výstup z budicího zesilovače 228 je přiveden zpět na invertní vstup operačního zesilovače 218 přes odpor 230.

Výstup budicího zesilovače 228 je připojen na napěťový a proudový konvertor 216 přes odpor 232. Napěťový a proudový konvertor 216 sestává z operačního zesilovače 234. tranzistoru 236 a odporu 238 zpětné vazby.

Emitor tranzistoru 236 je spojen s přívodním napětím + Vcc přes odpor 235. Nulový bod operačního zesilovače 234 může být nastaven potenciometrem 240. Náběh směšování je vymezen odpory 238 a 232 známým způsobem.

Jak je snadno pochopitelné, změny na výstupu z operačního zesilovače 234 jako výsledek změn na výstupu z detektoru 214 záporných špiček budou měnit vodivost tranzistoru 236. To se projeví změnou kolektorového proudu tranzistoru 236, který je přímo úměrný změně napětí na výstupu z detektoru 214 záporných špiček.

Na výstupu z detektoru 214 záporných špiček se udržuje konstantní napětí, aby se zajistil stálý proud z napěťového a proudového konvertoru 216 do výstupního stupně 248.

- 15CZ 283747 B6

Ovládací napětí pro napěťový a proudový konvertor 216 je odvozeno z integrovaného výstupního signálu z integrátoru vstupního stupně 202 detektorem 214 záporných špiček.

Na výstupu z detektoru 214 záporných špiček se udržuje konstantní napětí, aby se zajistil stálý proud z napěťového a proudového konvertoru 216 do výstupního stupně 248.

Ovládací napětí pro napěťový a proudový konvertor 216 je odvozeno z integrovaného výstupního signálu z integrátoru vstupního stupně 202 detektorem 214 záporných špiček. Integrovaný výstupní signál je obrácen v operačním zesilovači 218 a uložen v paměťovém kondenzátoru 226, který mění záporné špičky integrovaného výstupního signálu. Napětí za kondenzátorem 226 sleduje obalovou křivku integrovaného výstupního signálu, ale udržuje hodnoty záporných špiček, protože kondenzátor 226 se nemůže vybíjet kvůli diodě 222 záporným napětím. Kondenzátor 226 takto detekuje a stabilizuje záporné špičky integrovaného výstupního signálu.

Napětí za kondenzátorem 226 je využito pro vyvolání napětí následujícího budicího zesilovače 228, který postupně vybuzuje napěťový a proudový konvertor 216. Jak bude vidět, zvýšení záporných špiček působí na proudový výstup tranzistoru 236 tak, že se sníží, což způsobí pokles na výstupu do elektromagnetického budiče 65, který postupně snižuje přesazení průtočné trubky 18.

Jak již bylo poznamenáno, integrovaný rychlostní signál ze vstupního stupně 202 je rovněž vysílán do kmitočtového regulačního stupně 242. Kmitočtový regulační stupeň 242 obsahuje běžný integrovaný obvod 244 se smyčkou synchronizace s přesnou fází (PLL). PLL integrovaný obvod 244 je připojen na přívod napětí + Vcc přes proměnlivý odpor 245 a kondenzátor 247, a na přívod napětí - Vcc přes kondenzátor 243.

PLL integrovaný obvod 244 s výhodou pracuje s mnohonásobným předvoleným budicím kmitočtem, který se potom dělí v běžném dělicím obvodu 246. Práce PLL integrovaného obvodu 244 s mnohonásobným předvoleným budicím kmitočtem skýtá několik výhod:

(1) při vyšším kmitočtu může být použit menší kondenzátor, což dovoluje vytvořit obvod více kompaktnější;

(2) při výběru stupně dělení z dělicího obvodu 246 je jednoduše k dispozici širší rozsah budicích kmitočtů a (3) snadno může být dosaženo rozdílného fázového posunutí mezi signály čidel (0° pro polohu čidel, 90° pro rychlost čidel a 180° pro zrychlení čidel) stejně jako výstupního signálu.

Řízený kmitočtový výstup kmitočtového regulačního stupně 242 je potom dodáván do výstupního stupně 248 spolu s výstupním signálem z amplitudového regulačního stupně 212. Proud z amplitudového regulačního stupně 212 je zesilován v operačním zesilovači 250 spojeným svým invertním vstupem přes odpor 249 s výstupem z dělicího obvodu 246 a potom přiváděn do výkonného integrátoru obsahujícího přesný operační zesilovač 252 a pár tranzistorů 254 a 256 provedeného jako zesilovač třídy B.

Výstup ze zesilovače třídy B je jednak zaveden zpět do invertního vstupu operačního zesilovače 252 přes kondenzátor 253 a jednak je dodáván do výstupu 255 pro buzení elektromagnetického budiče 65.

Je nutno si uvědomit, že amplituda výstupního signálu je úměrná proudu z napěťového a proudového konvertoru 216, a kmitočet výstupního signálu je stanoven PLL integrovaným obvodem 244. Zapínání a vypínání proudu je prováděno operačním zesilovačem 250.

- 16CZ 283747 B6

Budicí obvod 200 skýtá několik doposud nedosažitelných výhod:

(1) Trojúhelníkový tvar vln neobsahuje pár vyšších harmonických složek.

(2) Budicí obvod skýtá hlavní výhodu v tom, že dochází k nízkému harmonickému zkreslení napětí indukovaného ve snímací cívce.

(3) Při změně vstupního proudu do výstupního integrátoru, je možno dosáhnout ještě účinnější a snadno realizovatelné regulace.

(4) Při použití operačního zesilovače 250 se strmou charakteristikou se zjednoduší zapínánía vypínání vstupního proudu do integrátoru a výstupního proudu z něj.

Řešení podle vynálezu zvyšuje přesnost zařízení zvýšením měřitelnosti účinku Coriolisovy síly na průtočné trubky 18, 20 a stabilizací oscilace průtočných trubek 18, 20 při současném zlepšení jejich geometrie, aby se zvýšil relativní odstup signálů od rušivého hluku.

Řešení podle vynálezu rovněž zvyšuje přesnost určování průtoku zvýšením pracovního kmitočtu. Vyšší účinek zařízení podle vynálezu spočívá ve větší přesnosti měření průtoku, které je použitelné pro velké množství různých tekutin v nejrůznějších i nevhodných prostředích.

Vynález může být proveden i v jiných specifických formách, aniž by došlo k odchýlení od jeho myšlenky či znaků dříve popsaných.

Claims (20)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro měření průtoku proudu tekutiny, obsahující vstupní potrubí a výstupní potrubí pro proud tekutiny, alespoň jednu pružnou průtočnou trubku, jejíž montážní konce jsou propojeny se vstupním a výstupním potrubím, vibrátor pro oscilaci průtočné trubky příčně k ose průtočné trubky, čidla pro vysílání signálů odpovídajících oscilačnímu pohybu průtočné trubky a jednotku pro zpracování signálů pro stanovení průtoku z těchto signálů na bázi Coriolisovy síly jako reakce tekutiny vůči průtočné trubce, vyznačující se tím, že průtočná trubka (18, 118) má tvar smyčky symetrické kolem osy vedené mezi montážními konci (34, 36, 134, 136), umístěnými vedle sebe, pro provedení změny směru proudu tekutiny o více než 360°, a vibrátor (50, 150) je umístěn na průtočné trubce (18, 118) v místě, jehož vzdálenost od montážních konců (34, 36, 134, 136) je menší, než maximální rozpětí průtočné trubky (18, 118) od montážních konců (34, 36, 134, 136).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že průtočná trubka (18, 118) má těžiště (48, 148), jehož vzdálenost od každého montážního konce (34, 36, 134, 136) je menší, než vzájemná vzdálenost montážních konců (34, 36, 134, 136).
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že smyčka má takový tvar, že změna směru proudu tekutiny v této smyčce je nejméně 450°.
4. 4. Zařízení podle jednoho z nároků laž3, vyznačující se tím, že průtočná trubka (18, 118) je tvořena první obloukovou částí (40, 140) spojenou na jednom konci se vstupním potrubím (12, 112), druhou obloukovou částí (44, 144) spojenou na jednom konci s výstupním potrubím (14, 114) a spojovací částí (42, 142) mezi oběma zbývajícími konci první a druhé

   - 17CZ 283747 B6 obloukové části (40, 44, 140, 144), přičemž vzdálenost od spojovací části (42, 142) k těžišti (48, 148) průtočné trubky (18, 118) je menší než maximální rozpětí obloukových částí (40, 140, 44, 144) od tohoto těžiště (48, 148).
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že první i druhá oblouková část (40, 44, 140, 144) je kruhová s obloukem 270° , přičemž spojovací část (42, 142) je přímá.
6. 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že vibrátor (50, 150) je umístěn ve středu spojovací části (42, 142).
7. 7. Zařízení podle jednoho z nároků lažó, vyznačující se tím, že montážní konce (34, 36, 134, 136) průtočné trubky (18, 118) jsou upevněny do montážního bloku (16, 116), jehož hmotnost je větší než celková hmotnost průtočné trubky (18, 118).
8. 8. Zařízeni podle jednoho z nároků laž7, vyznačující se tím, že každá průtočná trubka (18,118) je uspořádána ve svislé rovině.
9. 9. Zařízení podle jednoho z nároků laž8, vyznačující se tím, že vibrátor (50, 150) je umístěn na průtočné trubce (18, 118) mezi dvěma vibračními uzly (62, 64), mezi jedním uzlem (62) a jedním montážním koncem (34, 134) je umístěno jedno čidlo (52, 152) rychlosti a mezi dalším uzlem (64) a dalším montážním koncem (36, 136) je umístěno druhé čidlo (54, 154) rychlosti.
10. 10. Zařízení podle jednoho z nároků laž9, vyznačující se tím, že obsahuje dvě průtočné trubky (18, 20, 118, 120), vzájemně podobného tvaru, umístěné přilehle u sebe a paralelně zapojené.
11. 11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že obsahuje montážní blok (16, 116) pro upevnění montážních konců (34, 36, 34’, 36’, 134, 136, 134’, 136') obou průtočných trubek (18, 20, 118, 120), opatřený rozdělovačem (30, 130) průtoku pro rozdělení proudu tekutiny ze vstupního potrubí (12, 112) do dvou stejných částí pro dvě průtočné trubky (18, 20, 118, 120) a slučovač (32, 132) proudu pro spojení částí proudu z průtočných trubek (18, 20, 118, 120) do výstupního potrubí (14, 114).
12. 12. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že hmotnost montážního bloku (16, 116) je větší než celková hmotnost průtočných trubek (18, 20, 118, 120).
13. 13. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že dvě průtočné trubky (18, 20, 118, 120) jsou ksobě připevněny dvěma držáky (72, 74, 172, 174), přičemž jeden držák (72, 172) je umístěn u montážních konců (34, 34', 134, 134') spojených se vstupním potrubím (12, 112) a druhý držák (74, 174) je umístěn u montážních konců (36, 36’, 136, 136'), spojených s výstupním potrubím (14, 14').
14. 14. Zařízení podle jednoho z nároků llažl3, vyznačující se tím, že vibrátor (50, 150) je upevněn na montážním bloku (16, 116).
15. 15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že vibrátor (50, 150) je tvořen elektromagnetickým budičem (65) umístěným mezi dvěma průtočnými trubkami (18, 20, 118, 120), který má vytvořeny dvě vzduchové mezery (73, 75), do nichž zasahují feromagnetické chlopně (66, 68) připojené ke každé z průtočných trubek (18, 20, 118, 120).
16. 16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že elektromagnetický budič (65) je připojen k budicímu obvodu (200) tvořenému vstupním stupněm (202) a kmitočtovým

    - 18CZ 283747 B6 regulačním stupněm (242) připojenými k výstupu vstupního stupně (202), přičemž výstupní stupeň (248) je připojen k amplitudovému regulačnímu stupni (212) a ke kmitočtovému regulačnímu stupni (242), vstup (201) vstupního stupně (202) je spojen s elementem pro snímání oscilace průtočné trubky (18, 20, 118, 120) a výstup (255) z výstupního stupně (248) je spojen s elektromagnetickým budičem (65).
17. 17. Zařízení podle nároku 16, vyznačující se tím, že snímacím elementem je cívka (210) pro snímání rychlosti pohybu průtočné trubky (18, 20, 118, 120).
18. 18. Zařízení podle jednoho z nároků 11 až 13, vyznačující se tím, že dvě čidla (152, 154) rychlosti jsou umístěna mezi dvěma průtočnými trubkami (118, 120) v různých bodech podél průtočných trubek (118, 120), přičemž každé čidlo (152, 154) rychlosti je elektromagnetickým zařízením, které má dvě vzduchové mezery, a ke každé průtočné trubce (118, 120) je připevněna chlopeň zasahující do vzduchové mezery v tomto elektromagnetickém zařízení.
19. 19. Zařízení podle nároku 18, vyznačující se tím, že elektromagnetická zařízení tvořící čidla (152, 154) rychlosti jsou připevněna k montážnímu bloku (116).
20. 20. Zařízení podle jednoho z nároků 11 až 19, vyznačující se tím, že je opatřeno skříní (80), v níž je umístěno vstupní potrubí (112), výstupní potrubí (114), montážní blok (116) a průtočné trubky (118, 120), přičemž montážní blok (116) je upevněn ve skříni (80) pomocí ramen (156, 158).