HU219251B - Method and apparatus for compensated measurement of mass flow - Google Patents
Method and apparatus for compensated measurement of mass flow Download PDFInfo
- Publication number
- HU219251B HU219251B HU9600277A HUP9600277A HU219251B HU 219251 B HU219251 B HU 219251B HU 9600277 A HU9600277 A HU 9600277A HU P9600277 A HUP9600277 A HU P9600277A HU 219251 B HU219251 B HU 219251B
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- mass flow
- measuring
- measured
- excitation
- measuring elements
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title description 23
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 48
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 10
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 9
- 108091027981 Response element Proteins 0.000 claims description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013208 measuring procedure Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
A találmány tárgya kompenzált tömegárammérő eszköz, amelynek egymásmellett, mérendő közegárammal (1), valamint egymással párhuzamosanelrendezett, a mérendő közegáram (1) átáramlását biztosító kialakításúegyenes mérőelemei, gerjesztőegységei (4), valamint érzékelőegysége(7) van. A találmány tárgya még tömegáram mérésére szolgáló eljárásis, ahol egymás mellett, a mérendő közegárammal (1), valamintegymással párhuzamosan mérőelemeket, továbbá a mérőelemekengerjesztőegységeket (4) és érzékelőegységet (7) rendeznek el, majd amérendő közegáramot (1) a mérőelemeken áramoltatják át. A találmányszerinti kompenzált tömegárammérő eszköz lényege, hogy a mérőelemekeltérő hosszúságúak, a gerjesztőegységek (4) gerjesztőfrekvenciái amérőelemek egyikének sajátfrekvenciájával megegyező nagyságúak,továbbá az érzékelőegység (7) a gerjesztőfrekvenciától különbözősajátfrekvenciával bíró mérőelemen van elhelyezve. A találmányszerinti eljárás lényege, hogy a mérőelemeket eltérő hosszúsággalalakítják ki, a mérendő közegáram (1) átáramoltatásának időtartamaalatt a mérőelemeket a gerjesztőegységekkel (4) a mérőelemek egyikéneksajátfrekvenciájával megegyező gerjesztőfrekvenciával transzverzálisangerjesztik, és a gerjesztőfrekvenciától különböző sajátfrekvenciávalbíró mérőelemen elhelyezett érzékelőegységgel (7) mechanikaiimpedanciát mérnek. ŕThe subject of the invention is a compensated mass flow measuring device, which has straight measuring elements, exciter units (4), and sensor units (7) arranged next to each other, with the medium flow to be measured (1), and parallel to each other, designed to ensure the flow of the medium flow to be measured (1). The subject of the invention is also a method for measuring mass flow, where measuring elements are arranged next to each other, with the medium flow to be measured (1) and in parallel with each other, as well as the measuring element excitation units (4) and sensor unit (7), and then the medium flow to be measured (1) is passed through the measuring elements. The essence of the compensated mass flow measuring device according to the invention is that the measuring elements are of different lengths, the excitation frequencies of the excitation units (4) are the same as the natural frequency of one of the measuring elements, and the sensor unit (7) is placed on a measuring element with a different natural frequency from the excitation frequency. The essence of the method according to the invention is that the measuring elements are formed with different lengths, during the passage of the medium current (1) to be measured, the measuring elements are transversally excited by the excitation units (4) with an excitation frequency equal to the natural frequency of one of the measuring elements, and the mechanical impedance is measured with a sensor unit (7) placed on the measuring element with a natural frequency different from the excitation frequency. ŕ
Description
A találmány tárgya kompenzált tömegárammérő eszköz, amelynek egymás mellett, mérendő közegárammal, valamint egymással párhuzamosan elrendezett, a mérendő közegáram átáramlását biztosító kialakítású egyenes mérőelemei, gerjesztőegységei, valamint érzékelőegysége van. A találmány tárgya még tömegáram mérésére szolgáló eljárás is, ahol egymás mellett, a mérendő közegárammal, valamint egymással párhuzamosan mérőelemeket, továbbá a mérőelemeken gerjesztőegységeket és érzékelőegységet rendezünk el, majd a mérendő közegáramot a mérőelemeken áramoltatjuk át.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a compensated mass flow device having linear measuring elements, excitation units, and sensing means arranged side by side with a medium flow to be measured and arranged in parallel to each other to provide the flow of the medium to be measured. The present invention also relates to a method for measuring a mass flow, in which measuring elements are arranged side by side, in parallel with the medium to be measured, as well as excitation units and sensing units on the measuring elements, and the medium to be measured is flushed through the measuring elements.
A szakirodalomban tömegáram mérésére számos eljárás, valamint berendezés ismeretes. Ezek egyik csoportját alkotják az úgynevezett Coriolis-elven alapuló mérőeszközök, illetve mérési eljárások/elrendezések.Many methods and apparatus for measuring mass flow are known in the art. One of these is the so-called Coriolis-based measuring instruments and measuring procedures / arrangements.
A Coriolis-elven alapuló mérés lényege, hogy egy v sebességgel haladó és ezzel egyidejűleg valamely rögzített tengely körül w szögsebességgel elforduló, m tömegű közegre Fc =2 m wxv úgynevezett Coriolis-erő hat. Amennyiben az említett közeg pályáját valamilyen geometriai kényszerfeltétel, például csővezeték belső fala jelöli ki, úgy Newton harmadik törvénye értelmében a mozgó és egyúttal forgó közeg a geometriai kényszerfeltételt megvalósító elemre az Fc Coriolis-erővel megegyező nagyságú, de annak irányával ellentétes irányú erőt fejt ki.The measurement based on the Coriolis principle is that a medium of mass m traveling at velocity v and simultaneously rotating about a fixed axis at an angular velocity w is affected by a so-called Coriolis force F c = 2 m wxv. If you said fluid path of a geometrical constraint, for example, designates the inner wall of the pipeline, so the meaning of Newton's third law exerts equal to f c Coriolis force in magnitude but opposite in direction of the axial force to the moving and simultaneously rotating fluid geometric constraint constituting element.
A Coriolis-elven alapuló tömegárammérő eszközöknél az áramló közeg zérustól különböző w szögsebességét speciálisan az eszköz központi részét képező érzékelőcső/érzékelőcsövek Fg kényszererővel történő transzverzális gerjesztésével, azaz rezegtetésével biztosítják. Ebben az esetben az érzékelőcső tetszőleges pontjának mozgását az Fc Coriolis-erő és az Fg kényszererő eredője határozza meg. Az Fc Coriolis-erő fenti kifejezéséből kiolvasható, hogy annak nagysága arányos a tömegárammal, azaz |FC | közvetlen mérésével az m |v| tömegáram értéke is meghatározható.Mass flow measurement devices based on the Coriolis principle different angular velocity w ensure specially transverse excitation to sensor tube / sensor tube F g constraint force forming the central part of the device, i.e. by vibrating the fluid zero. In this case, the motion of any point on the sensor tube is determined by the result of the C coriolis force F c and the force force F g . Read the Coriolis force F c above expression of that magnitude is proportional to the mass flow, that is, | F C | by directly measuring m | v | the mass flow rate can also be determined.
Az US-4,622,858 számú szabadalmi leírás Coriolis-elven alapuló tömegárammérő készüléket, valamint a tömegáram mérésére szolgáló, ugyanezen elven alapuló eljárást mutat be. A szóban forgó szabadalmi leírásban tömegárammérő készülék egymás mellett párhuzamosan elrendezett, azonos hosszúságú, a vizsgálni kívánt áramló közeg be-, illetve kifolyásának biztosítására szomszédos végeméi Y alakú idomokkal csatlakoztatott, két egyenes érzékelőcsövet, az érzékelőcsöveknek lényegében a felezőpontjánál elhelyezett és az érzékelőcsöveket adott frekvenciával egymással szemben transzverzálisán rezegtető gerjesztőegységet, továbbá legalább egy, az érzékelőcsövek végeitől és a gerjesztőegység pozíciójától egyaránt különböző helyen az érzékelőcsövekre erősített érzékelőegységet tartalmaz. A mérési eljárás lényege, hogy az érzékelőegységgel, annak helyén megmérik az érzékelőcsövek mozgási mennyiségei - például kitérése, sebessége vagy gyorsulása - egyike fázisának a gerjesztés ugyanazon mozgási mennyisége - azaz kitérése, sebessége vagy gyorsulása - fázisához viszonyított látszólagos elcsúszását, amely fáziskülönbség a mérendő tömegáram nagyságával arányos. A mérési eljárás egy másik változatánál a fáziskülönbség-mérés egyszerű időmérésre való visszavezetése végett egyetlen érzékelőegység helyett egyidejűleg két érzékelőegységet alkalmaznak, amelyek közül az egyiket az érzékelőcsöveken a közegáramlás irányában haladva a gerjesztőegység előtt, a másikat pedig a geijesztőegység után helyezik el.U.S. Pat. No. 4,622,858 discloses a mass flow meter based on the Coriolis principle and a method for measuring mass flow based on the same principle. In this patent, two mass sensing tubes arranged in parallel to each other and arranged at the midpoint of each sensor tube are arranged in parallel with each other and are arranged in parallel to each other and are arranged in parallel with each other and having Y-shaped shapes adjacent to the inflow or outflow medium of interest. a transverse oscillating excitation unit and at least one sensor unit mounted on the sensor tubes at locations other than the ends of the sensor tubes and the position of the excitation unit. The measurement method involves measuring the apparent displacement of one phase of the sensor tubes relative to the phase of the same excitation rate, i.e., deflection, velocity, or acceleration, of a phase of the sensor tube, instead of a phase difference of mass cute. In another variant of the measuring method, two sensor units are used simultaneously instead of a single sensor unit, one of which is located downstream of the excitation unit and the other downstream of the excitation unit in order to trace phase difference measurement to a simple time measurement.
Az US 4,680,974 számú szabadalmi leírás újabb, Coriolis-elven alapuló tömegárammérő eszközt tárgyal. Ezen megoldás lényege, hogy egymással párhuzamosan elrendezett érzékelőcsövek felezőpontjánál lévő gerjesztőegységgel az érzékelőcsöveket az alapharmonikusra szuperponálódó felharmonikussal transzverzálisán gerjesztik a geijesztőegység előtt, illetve után elrendezett első, illetve második érzékelőegységekkel az érzékelőegységek helyén mérik az érzékelőcsövek egymáshoz viszonyított mozgási mennyiségei egyikét, majd az érzékelőegységek szolgáltatta elektronikus jelekből egyrészt tömegáramértéket származtatnak, másrészt az érzékelőegységek egyike elektronikus jelének alapulvételével, frekvenciamérő áramkör közbeiktatásával az érzékelőcsövekben fennálló tengelyirányú feszültség nagyságát jellemző korrekciós tényezőt határoznak meg. Végezetül a korrekciós tényező ismeretében a korábban megállapított tömegáram értékét javítóáramkör alkalmazásával pontosítják.U.S. Patent No. 4,680,974 discloses another mass flow device based on the Coriolis principle. The essence of this solution is that the excitation unit located at the midpoint of the parallel sensor tubes is transversely excited by the excitation unit superimposed on the basic harmonic, with the first and second sensor units arranged in front of and after the sensing unit, on the one hand, they determine a correction factor for the magnitude of the axial voltage in the sensor tubes based on an electronic signal from one of the sensor units and applying a frequency measuring circuit. Finally, given the correction factor, the previously determined mass flow value is corrected by applying a correction circuit.
Az US 4,823,614 számú szabadalmi leírás Corioliselven működő tömegárammérő eszközt mutat be. Ennél a megoldásnál az érzékelőcsövet (egyes kiviteli alakoknál két érzékelőcsövet) egy antiszimmetrikus felharmonikusnak megfelelő, és az érzékelőcső sajátfrekvenciájával megegyező gerjesztőfrekvenciával transzverzálisán geijesztik (rezegtetik), majd az érzékelőcsövön, annak felezőpontjától egyenlő távolságban szimmetrikusan elrendezett egy-egy érzékelőegységgel megmérik az érzékelőcső rezgését jellemző mozgási mennyiségek egyikének az érzékelőegységek helyén fennálló értékét. Az így nyert két elektronikus jelet feldolgozóegységbe vezetik, amelynek kimenetén a beérkezett elektronikus jeleken elvégzett műveletek eredményeként a tömegáram értékével arányos kimeneti jelet kapnak.U.S. Pat. No. 4,823,614 discloses a mass flow device operating on a Coriolis selve. In this solution, the sensor tube (in some embodiments, two sensor tubes) corresponds to an antisymmetric harmonic and transversely gels (oscillates) with the excitation frequency transversely to the excitation frequency of the sensor tube and equilibrates at a distance equal to the center of the sensor tube of one of the sensor units. The two electronic signals thus obtained are fed to a processing unit, the output of which produces an output signal proportional to the mass flow value as a result of operations performed on the received electronic signals.
A fentiekben ismertetett mérőeszközök/mérési eljárások esetében a gerjesztőjel időfuggvényét általában szinuszosnak választják, azaz harmonikus gerjesztést végeznek. A gerjesztés frekvenciája - vagyis a gerjesztőfrekvencia - megegyezik az érzékelőcső sajátfrekvenciájával. A Coriolis-elven alapuló ismert módszerek, illetve tömegárammérő eszközök esetében tehát a tömegáram mérését mindig az érzékelőcső sajátfrekvenciáján végzik. Ennek oka abban keresendő, hogy a mozgási mennyiségek értékei ezen esetben a legnagyobbak - a sajátfrekvenciától eltérő frekvencián történő gerjesztés esetében a rezegtetés következtében fellépő Coriolis-erő hatása már olyan kicsi, hogy annak mérése rendkívül rossz jel/zaj arányt eredményezne, ami a mért érték pontosságát nagymértékben befolyásolná.For the measuring devices / measurement methods described above, the time function of the excitation signal is generally chosen to be sinusoidal, i.e., it is performed harmonically. The excitation frequency, i.e. the excitation frequency, is the same as that of the sensor tube. Thus, in the case of known methods based on the Coriolis principle, or in the case of mass flow instruments, the measurement of mass flow is always carried out at the intrinsic frequency of the sensor tube. The reason for this is that the values of the motion quantities are highest in this case - the effect of the Coriolis force due to vibration when excited at a frequency other than its own frequency is so small that its measurement would result in an extremely poor signal-to-noise ratio. would greatly influence.
A Coriolis-elven működő tömegárammérő eszközök további jellegzetessége, hogy a tömegárammal arányos fáziskülönbséget a megfelelő érzékenység érdekében kizárólag a rezegtetett érzékelőcső legnagyobbA further feature of the Coriolis mass flow instrumentation is that the phase difference proportional to the mass flow is limited to the maximum oscillating sensor tube for proper sensitivity.
HU 219 251 Β szöggyorsulási helyére telepített érzékelőegységekkel mérik. Továbbmenve, a szóban forgó érzékelőegységeket egyrészt a gerjesztés helyétől eltérő, másrészt az érzékelőcsövek végpontjaival egybe nem eső pozíciókban helyezik el.EN 219 251 Β with sensing elements installed in the acceleration position. Further, the sensor units in question are located at positions other than the excitation site and on the other hand that do not coincide with the end points of the sensor tubes.
A csupán sajátfrekvencián történő megbízható működésen túlmenően a Coriolis-elven alapuló tömegárammérő eszközök egy újabb hátránya, hogy megbízható mérési eredményt csak viszonylag nagy áramlási sebességeknél szolgáltatnak. Az áramlási sebesség fokozása például az áramló közeget befoglaló csővezeték átmérőjének csökkentésével érhető el. Adott csőprofil és anyagi minőségű (viszkozitású) közeg mellett a cső átmérője azonban nem csökkenthető tetszőleges mértékben, mert a kritikus áramlási sebesség elérésekor az addigi, általában lamináris közegáramlás turbulenssé válik, ami a közeg továbbítása szempontjából rendkívül kedvezőtlen, hiszen egységnyi tömegű közeg továbbításához a lamináris áramláshoz viszonyítva lényegesen nagyobb energiát kell befektetni. Ráadásul ebben az esetben a tömegárammérő eszköz nyomásesése is jelentősen megemelkedik. Itt jegyezzük meg, hogy a Coriolis-elven működő tömegárammérők megbízható működéséhez az áramló közeg áramlási sebessége legalább mintegy 1 m/s nagyságú kell legyen.In addition to reliable operation at its own frequency, another disadvantage of Coriolis based mass flow devices is that they provide reliable measurement results only at relatively high flow rates. Increasing the flow rate can be achieved, for example, by reducing the diameter of the pipeline enclosing the flow medium. However, with a given tube profile and material grade (viscosity) fluid, the diameter of the tube cannot be reduced to any extent because at critical flow rate, the previously generally laminar fluid flow becomes turbulent, which is extremely unfavorable for fluid delivery. significantly more energy should be invested. In addition, the pressure drop of the mass flow device in this case also increases significantly. It should be noted here that the flow rate of the flow medium must be at least about 1 m / s for the reliable operation of the Coriolis mass flow meters.
Az előzőekben ismertetett, egyenes érzékelőcsővel/érzékelőcsövekkel kialakított tömegárammérő eszközök további hátránya, hogy az áramló közeg vagy a külső környezet hőmérsékletének változására az érzékelőcső/érzékelőcsövek longitudinális méretváltozást szenved/szenvednek el. Ennek következtében a gerjesztés frekvenciája, valamint az érzékelőcső/érzékelőcsövek sajátfrekvenciája „szétcsúszik”, amit a tömegárammérő eszköz pontos működéséhez minden esetben kompenzálni kell. Ezen kompenzálást a napjainkban alkalmazott tömegárammérő eszközöknél oly módon érik el, hogy az érzékelőcsövet/érzékelőcsöveket elhanyagolható hőtágulási együtthatóval jellemzett anyagokból alakítják ki. Ez azonban a tömegárammérő eszközök bekerülési költségének növekedését vonja maga után.A further disadvantage of the mass flow devices with straight sensor tube (s) described above is that the sensor tube (s) suffer from longitudinal dimensional change due to changes in the temperature of the flow medium or the external environment. As a result, the excitation frequency as well as the intrinsic frequency of the sensor tube (s) "slip", which must always be compensated for the accurate operation of the mass flow device. This compensation is achieved with the mass flow devices used today by forming the sensor tube (s) from materials characterized by a negligible thermal expansion coefficient. However, this entails an increase in the cost of measuring the mass flow devices.
A találmánnyal célunk tehát olyan kompenzált tömegárammérő eszköz, illetve a tömegáram mérésére szolgáló eljárás kidolgozása, melyek alkalmazásával az előbbiekben ismertetett hátrányok kiküszöbölhetőek. További célunk még egy olyan új típusú, nem Corioliselven alapuló tömegárammérő eszköz kifejlesztése is, amelynél a tömegáram értékét nem sajátfrekvencián meghatározott fáziskülönbségből származtatjuk. Ezzel összhangban további célunk még, hogy a kifejlesztendő tömegárammérő eszközzel tetszőleges átmérőjű csővezetékben áramló közeg tömegáramát megmérhessük, és ezen mérést a napjainkban alkalmazott, Coriolis-elven működő tömegárammérő eszközök érzékenységénél lényegesen nagyobb érzékenységgel végezhessük.It is therefore an object of the present invention to provide a compensated mass flow device or a method for measuring a mass flow using which the disadvantages described above can be overcome. It is a further object of the present invention to provide a new type of non-Coriolis based mass flow device for which the mass flow value is not derived from a phase difference determined at its own frequency. Accordingly, it is a further object of the present invention to provide a mass flow device for developing a mass flow rate in a fluid of any diameter within a pipeline and to perform this measurement at a sensitivity much higher than that of the current Coriolis mass flow device.
Vizsgálataink során felismertük, hogy tömegáramot nem csak a Coriolis-erő hatása alapján lehet mérni, mivel az áramló közegbe (tömegáramba) egymás mellett párhuzamosan behelyezett és transzverzálisán gerjesztett (azaz rezegtetett), például érzékelőcsövek formájában megvalósított mérőtestekre ható Coriolis-erőn kívül a tömegáram egyéb hatásokat is gyakorol. Ezen hatásokat a laminárisán áramló közeget befoglaló érzékelőcsövek mozgásegyenlete pontosan megadja. A szóban forgó mozgásegyenlet matematikai alakja a következő:We have discovered that mass flow is not only measured by the effect of the Coriolis force, since the effects of the mass flow other than the Coriolis force acting on measuring bodies in parallel flow and transversely excited (i.e. vibrated), e.g. also exercise. These effects are precisely determined by the motion equation of the sensor tubes enclosing the laminar flow medium. The mathematical form of the equation of motion in question is as follows:
EI-LZ + pAv2 + 2pAv-^-^- + M·^-^ = F(x,t) <5x4 P 3x2 dxdt Öt2 ahol E az érzékelőcső anyagának Young-modulusa, I annak tehetetlenségi nyomatéka, A pedig a keresztmetszete; v az áramló közeg sebessége, p annak sűrűsége; M a hosszegységre eső tömeg (az érzékelőcső és az aktuálisan benne lévő áramló közeg együttes tömege), y az érzékelőcső transzverzális kitérése (adott helyen és adott időpillanatban), míg F(x,t) a külső gerjesztés (amit általában harmonikusnak választunk).EI-LZ + pAv 2 + 2pAv - ^ - ^ - + M · ^ - ^ = F (x, t) <5x 4 P 3x 2 dxdt Five 2 where E is the Young's modulus of the sensor tube material, I is its moment of inertia, A and its cross-section; v is the velocity of the fluid, p is its density; M is the mass per unit length (the combined mass of the sensor tube and the current fluid in it), y is the transverse deflection of the sensor tube (at a given location and time), and F (x, t) is the external excitation (generally chosen harmonic).
Ezen mozgásegyenlet bal oldalának első és negyedik tagja a szokásos merevségi, illetve tömegtagot jelenti, harmadik tagja a pAv tömegárammal arányos úgynevezett Coriolis-tagot reprezentálja, míg a fennmaradó második tag az áramló közeg elmozdításához szükséges erőt fejezi ki. Ezen második tag kifejezéséből kiolvasható, hogy a neki megfelelő erőhatás ugyancsak arányos a pAv tömegárammal, így annak mérésével a tömegáram nagysága ugyancsak meghatározható. Amint az a szakirodalomból ismeretes, ezen második tag a tömegáram által kiváltott szerkezeti csillapításként jelentkező csillapításhoz kapcsolódik.The first and fourth terms of the left side of this equation of motion represent the usual rigidity or mass term, the third term represents the so-called Coriolis term proportional to the pAv mass flow, while the remaining second term represents the force required to move the fluid. From the expression of this second term it can be seen that the corresponding force applied to it is also proportional to the mass flow rate pAv, so that by measuring it the magnitude of the mass flow can also be determined. As is known in the art, this second term relates to the damping effect of mass flow induced structural damping.
Kísérleteink alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy ezen szerkezeti csillapítás mérését a mechanikai impedancia mérésén keresztül egyszerűen elvégezhetjük, és ezáltal a Coriolis-erő hatásának mérésétől eltérő elven alapuló tömegáram-mérési módszert dolgozhatunk ki. A mechanikai impedancián a külső gerjesztés (például a gerjesztőerő) és az erre adott válasz (például adott pontban mért sebesség) komplex hányadosát értjük.From our experiments, it has been concluded that the measurement of this structural damping can be easily performed by measuring the mechanical impedance, and thus develops a mass flow measurement method based on a principle other than that of the Coriolis force. Mechanical impedance is defined as the complex quotient of external excitation (e.g. excitation force) and response (e.g., velocity at a given point).
Amint az a szakirodalomból ismert, a külső gerjesztés és az erre adott válasz fáziskülönbsége a sajátfrekvencián a csillapítástól függetlenül állandó, így a tömegáram szerkezeti csillapításra kifejtett hatása sajátfrekvencián megvalósított méréssel nem határozható meg. Ezt szem előtt tartva, vizsgálataink során felismertük, hogy a mérés során eltérő hosszúságú, és ennek következtében különböző sajátfrekvenciákkal jellemzett két érzékelőcsövet kell alkalmazni, amelyek mindegyikét az egyik érzékelőcső sajátfrekvenciájával megegyező frekvenciájú külső gerjesztésnek kell alávetni. A mechanikai impedancia mérését pedig konkrétan azon az érzékelőcsövön kell végezni, amely a sajátfrekvenciájától eltérő frekvencián van gerjesztve.As is known in the art, the phase difference between the external excitation and the response thereto is constant at the self-frequency, irrespective of the damping, so that the effect of the mass flow on the structural damping cannot be determined by self-frequency measurement. With this in mind, it has been discovered in our studies that two sensor tubes of different lengths and consequently different eigenfrequencies must be used in the measurement, each of which must be subjected to external excitation of the same frequency as one of the sensor tubes. In particular, the measurement of mechanical impedance should be made on a sensor tube excited at a frequency other than its own frequency.
Az elmondottak fényében olyan kompenzált tömegárammérő eszközt fejlesztettünk ki, amelynél a mérőelemek eltérő hosszúságúak, a gerjesztőegységek geijesztőfrekvenciái a mérőelemek egyikének sajátfrekvenciájával megegyező nagyságúak, továbbá az érzékelőegység a geijesztőfrekvenciától különböző sajátfrekvenciával bíró mérőelemen van elhelyezve. A mérőelemek előnyösen érzékelőcsövek formájában vannak kialakítva, az érzékelőegység pedig előnyösen egy mechanikai impedanciamérő.In view of the foregoing, a compensated mass flow device has been developed in which the measuring elements are of different lengths, the excitation frequencies of the excitation units are equal to the eigenfrequency of one of the measuring elements, and the detector unit is located on a measuring element. The measuring elements are preferably in the form of sensor tubes and the sensor unit is preferably a mechanical impedance meter.
HU 219 251 ΒHU 219 251 Β
A találmány szerinti, kompenzált tömegárammérő eszköz egy lehetséges másik kiviteli alakjánál a mérőelemeken előnyösen válaszjel-érzékelők is el vannak rendezve, amelyek a mérőelemek Coriolis-erő hatására fellépő kitérését és/vagy sebességét és/vagy gyorsulását mérő érzékelőegységek.In another embodiment of the compensated mass flow device of the present invention, the sensing elements are preferably provided with response sensors, which are sensors for measuring the displacement and / or velocity and / or acceleration of the sensing elements under Coriolis force.
A találmánnyal megvalósított, tömegáram mérésére szolgáló eljárásnál a mérőelemeket eltérő hosszúsággal alakítjuk ki, a mérendő közegáram átáramoltatásának időtartama alatt a mérőelemeket a gerjesztőegységekkel a mérőelemek egyikének sajátfrekvenciájával megegyező geijesztőfrekvenciával transzverzálisán geqesztjük, és a geijesztőfrekvenciától különböző sajátfrekvenciával bíró mérőelemen elhelyezett érzékelőegységgel mechanikai impedanciát mérünk.In the method for measuring mass flow according to the invention, the measuring elements are formed with different lengths, the transducers are gauged transversely with the excitation frequency of the measuring element with the same frequency as the eigenfrequency of one of the measuring elements.
A találmány szerinti eljárás egy másik változatánál a mérőelemeken előnyösen válaszjel-érzékelőket is elrendezünk, és azokkal a mérőelemek Coriolis-erő hatására fellépő kitérését és/vagy sebességét és/vagy gyorsulását is mérjük.In another embodiment of the method of the invention, the response elements are preferably arranged on the sensing elements and are also used to measure the displacement and / or velocity and / or acceleration of the sensing elements under Coriolis force.
A találmány szerinti eljárás folyamán a mért mechanikai impedanciának és/vagy a mért kitérésnek és/vagy a mért sebességnek és/vagy a mért gyorsulásnak a gerjesztéshez viszonyított fáziskülönbségéből tömegárammal arányos jelet származtatunk, és ezáltal tömegáramot határozunk meg.During the process according to the invention, a phase proportional to mass flow is derived from the phase difference between the measured mechanical impedance and / or the measured displacement and / or the measured velocity and / or the acceleration, thereby determining the mass flow.
A találmány szerinti, kompenzált tömegárammérő eszközt, illetve tömegáram mérésére szolgáló eljárást a továbbiakban a mérőeszköz 1. ábrán - csupán vázlatosan - szemléltetett egyik lehetséges példakénti kiviteli alakjához kapcsolódóan ismertetjük részletesebben.The compensated mass flow device according to the present invention and the method for measuring a mass flow will now be described in more detail with reference to a possible exemplary embodiment of the measuring device illustrated schematically in Figure 1.
Az 1. ábrán vázolt kiviteli alak 1 közegárammal párhuzamosan elrendezett, előnyösen első 2 érzékelőcső és második 3 érzékelőcső formájában kialakított egyenes mérőelemeket, a 2 és 3 érzékelőcsövek transzverzális rezegtetését megvalósító 4 gerjesztőegységeket, 7 érzékelőegységet, valamint (az 1. ábrán külön nem ábrázolt) kiegészítőelektronikát tartalmaz. A 2 és 3 érzékelőcsövek eltérő hosszúságúak, így rajtuk átáramló 1 közegáram hiányában - azaz üres állapotban - mért sajátfrekvenciájuk egymástól eltérő nagyságú. A 2 és 3 érzékelőcsövek hosszai közötti különbség tetszőleges értékű, azonban a gyártás során esetlegesen fellépő pontatlanságoknál nagyobb, előnyösen néhány centiméter. A 4 gerjesztőegységek által kiváltott külső gerjesztés frekvenciája a 2 és 3 érzékelőcsövek valamelyikének sajátfrekvenciájával esik egybe. A 4 gerjesztőegységek segítségével a 2 és 3 érzékelőcsövek egyike tehát a sajátfrekvenciájától eltérő frekvenciával van gerjesztve. Mivel a tömegáramot a szerkezeti csillapításra kifejtett hatásán keresztül mechanikai impedancia mérésével kívánjuk meghatározni, a 7 érzékelőegység a 2 vagy 3 érzékelőcsövek közül azon kerül elhelyezésre, amely a sajátfrekvenciájától eltérő frekvenciával van gerjesztve. A 4 gerjesztőegységek, továbbá a mechanikai impedancia mérő formájában kialakított 7 érzékelőegység felépítése, valamint működése a vonatkozó szakirodalomból részletesen megismerhető. Megjegyezzük továbbá, hogy a 2 és 3 érzékelőcsövek 4 geijesztőegységei egyetlen közös gerjesztőegység formájában is kialakíthatók.The embodiment illustrated in Figure 1 is provided with linear measuring elements arranged in parallel with the medium flow 1, preferably in the form of first sensor tube 2 and second sensor tube 3, excitation units 4 for transverse vibration of sensor tubes 2 and 3, and sensor unit (not separately shown in Figure 1). contain. The sensor tubes 2 and 3 are of different lengths, so that in the absence of the medium 1 flowing through them, i.e., when empty, the eigenfrequency of the sensor tubes is different. The difference between the lengths of the sensor tubes 2 and 3 is arbitrary, but greater than the inaccuracies that may occur during manufacture, preferably a few centimeters. The external excitation frequency induced by the excitation units 4 coincides with the intrinsic frequency of one of the sensor tubes 2 and 3. Thus, by means of the excitation units 4, one of the sensor tubes 2 and 3 is excited at a frequency different from its own frequency. Since the mass flow is to be determined by measuring its mechanical impedance through its effect on the structural damping, the sensor unit 7 is positioned on one of the sensor tubes 2 or 3 which is excited at a frequency other than its own frequency. The structure and operation of the excitation units 4 and the sensing unit 7 in the form of a mechanical impedance meter are described in detail in the relevant literature. It is further noted that the sensing tubes 4 of the sensor tubes 2 and 3 may be formed as a single common excitation unit.
A találmány szerinti, nem Coriolis-elven alapuló mérést a következőképpen végezzük. Kiinduláskor a találmány szerinti tömegárammérő eszközt az áramló közeget befoglaló csővezetékkel sorosan vagy párhuzamosan kapcsoljuk, oly módon, hogy a vizsgálandó közeg 1 közegárama a 2 és 3 érzékelőcsövek mindegyikén átáramoljék. Jelen esetben a tömegárammérő eszköz soros kapcsolásán a tömegárammérő eszköznek az áramló közeget befoglaló csővezeték belsejében történő elhelyezését, míg a párhuzamos kapcsoláson annak csővezetéken kívüli elrendezését értjük. Ez utóbbi esetben az 1 közegáramot (vagy előnyösen annak egy részét) a csővezetékből arra alkalmas módon kivezetjük, elosztóelem - például egy (a rajzon nem ábrázolt) Y alakú csodarab - közbeiktatásával a 2 és 3 érzékelőcsöveken célszerűen egyenlő mennyiségben átvezetjük, majd ezt követően az elosztóelemhez hasonló kialakítású gyűjtőelemmel a csővezetékbe visszavezetjük.The non-Coriolis measurement according to the invention is carried out as follows. Initially, the mass flow device of the present invention is connected in series or in parallel with the conduit enclosing the flow medium so that the flow of the medium to be tested 1 flows through each of the sensing tubes 2 and 3. In the present case, serial connection of the mass flow device means the placement of the mass flow device inside the flow medium pipeline, while parallel connection means its arrangement outside the pipeline. In the latter case, the fluid stream 1 (or preferably a portion thereof) is expelled from the pipeline by a suitable distribution channel, such as a Y-shaped miracle (not shown), to the sensing pipes 2 and 3, and then to the distribution element. with a similarly designed collecting element, it is returned to the pipeline.
A 2 és 3 érzékelőcsöveken átáramló 1 közegáramok hatására a 2 és 3 érzékelőcsövek üres állapotban mérhető sajátfrekvenciái megváltoznak. A változás arányos a hozzáadott tömeggel, azaz az átáramló 1 közegáramok sűrűségével. Amennyiben tehát az üres és az 1 közegáramokkal átjárt 2, 3 érzékelőcsövek sajátfrekvenciái között fellépő eltérést arra alkalmas módon megmérjük, a kapott mérési eredményből meghatározhatjuk az 1 közegáram sűrűségét. Az áramló 1 közegáram általában elhanyagolható módon, de ugyancsak befolyásolja a már rezgésben lévő, azaz gerjesztett rendszer sajátfrekvenciáját is. Ráadásul az 1 közegáram a rezgéskép alakját, valamint a gerjesztett rendszer csillapítását is módosítja.As a result of the media currents 1 flowing through the sensor tubes 2 and 3, the self-frequencies of the sensor tubes 2 and 3, measured in the empty state, change. The change is proportional to the mass added, i.e. the density of the fluid flows 1. Thus, if the difference between the eigenfrequencies of the sensor tubes 2, 3 passing through the blank and the media streams 1 is suitably measured, the density of the media stream 1 can be determined from the result of the measurement. The flowing medium stream 1 is generally negligible, but it also affects the eigenfrequency of an already vibrated, i.e. excited, system. In addition, the medium stream 1 modifies the shape of the vibration image as well as the attenuation of the excited system.
Mindezeket figyelembe véve, a 2 és 3 érzékelőcsöveket a 4 geijesztőegységekkel valamelyikük (az 1. ábrán például a második 3 érzékelőcső) sajátfrekvenciájával megegyező frekvenciájú transzverzális rezegtetéssel geijesztjük, majd a 7 érzékelőegységgel a nem sajátfrekvencián gerjesztett (jelen esetben az első 2) érzékelőcsövön mechanikai impedanciaméréssel megmérjük a gerjesztésre adott válasz gerjesztéshez viszonyított fáziskülönbségét, amiből ezt követően meghatározzuk az közegáram tömegáramának nagyságát.With this in mind, the sensor tubes 2 and 3 are gelled by transverse vibration with the same frequency as the sensing units 4 (e.g., the second sensor tube 3 in FIG. 1), and then the sensing tube 7 is mechanically impeded on the non-native the phase difference of the response to the excitation relative to the excitation, from which the magnitude of the mass flow of the medium stream is then determined.
Mérési eljárásunk lényege tehát, hogy a mechanikai impedancia mérését nem a sajátfrekvencián végezzük, hanem egy attól különböző, de attól mindvégig azonos relatív távolságra lévő frekvencián, amely frekvencián a gerjesztett rendszer válasza a gerjesztéshez képest nem állandó, hanem függ az 1 közegáram által befolyásolt szerkezeti csillapítástól. Továbbmenve, a találmány szerinti tömegárammérő eszköznél a hőmérséklet hatására bekövetkező méretváltozások automatikusan kompenzálva vannak, mivel a mérést nem a sajátfrekvencián végezzük. A hőmérséklet-változás függvényében a és 3 érzékelőcsövek sajátfrekvenciáinak egymáshoz viszonyított távolsága állandó, ennek következtében a mechanikai impedancia mérésén alapuló, tömegárammal arányos fáziskülönbséget minden pillanatban egy adott relatív frekvenciakülönbségnél mérjük, azaz a válasz mindössze a tömegáram nagyságától függ. Mindez azt jelenti, hogy a találmány szerinti tömegárammérőThe essence of our measurement method is that the mechanical impedance is not measured at its own frequency, but at a frequency that is different but at a constant relative distance, at which frequency the response of the excited system is not constant with respect to excitation but depends on structural damping. . Further, the mass flow meter of the present invention is automatically compensated for temperature changes due to temperature, since the measurement is not performed at its own frequency. Depending on the temperature change, the relative distances between the eigenfrequencies of the sensor tubes and 3 are constant, and consequently the phase difference proportional to the mass flow based on the measurement of mechanical impedance is measured at a given relative frequency difference, i.e. the response depends only on the mass flow. All this means is the mass flow meter according to the invention
HU 219 251 Β eszközt a kereskedelemben viszonylag olcsón beszerezhető anyagokból gyárthatjuk, ami az eszköz bekerülési költségét jelentősen csökkenti.The device may be manufactured from relatively inexpensive materials, which significantly reduces the cost of the device.
Az 1. ábrán szemléltetett, nem Coriolis-elven működő tömegárammérő eszköz ugyanakkor kiegészíthető olyan 5a, 5b és 6 érzékelőegységek formájában megvalósított válaszjel-érzékelőkkel is, amelyek a 4 getjesztőegységekkel megvalósított transzverzális rezegtetés mellett a 2 és 3 érzékelőcsövekben fellépő Coriolis-erő következtében a 2 és/vagy 3 érzékelőcsövek mozgási mennyiségeinek egyikét, azaz azok kitérésének és/vagy sebességének és/vagy gyorsulásának valamelyikét detektálják. A mozgási mennyiségek mérésére szolgáló 5a, 5b és 6 érzékelőegységek felépítése, valamint azok működése a vonatkozó szakirodalomból ugyancsak részletesen megismerhető.However, the non-Coriolis mass flow device shown in Figure 1 may also be provided with response sensors in the form of sensor units 5a, 5b and 6 which, due to transverse oscillation with the extension units 4, cause the Coriolis force 2 and 3 in the sensor tubes. and / or detecting one of the movement quantities of the sensor tubes, i.e. one of their displacement and / or velocity and / or acceleration. The structure of the sensing units 5a, 5b and 6 for measuring movement quantities and their operation are also described in detail in the relevant literature.
Amint az 1. ábra mutatja, az 5a és 5b érzékelőegységek szolgálhatnak az 1 közegáram hatására ugyanazon 2 vagy 3 érzékelőcső különböző pontjai között kialakuló fáziskülönbség mérésére. Egy lehetséges másik elrendezésnél a 6 érzékelőegységek a 2 és 3 érzékelőcsövek két különböző pontja közötti mozgási mennyiségek tömegáram okozta fáziskülönbségének mérésére szolgálhatnak. Az 5a, 5b és 6 érzékelőegységek által detektált tömegárammal arányos jelek azonban minden esetben a Coriolis-erővel arányosak, így azok csak abban az esetben lépnek fel - ellentétben az 1 közegáram gerjesztés hiányában is megfigyelhető szerkezeti csillapítást módosító hatásától -, ha a 4 geijesztőegységek tényleges gerjesztést valósítanak meg, azaz gerjesztőfrekvenciáik zérustól különbözők. Mindazonáltal a kétféle mérési elv egyetlen mérőeszközben való együttes és bizonyos esetekben egyidejű alkalmazásával a tömegáram mérését a hagyományos mérésekhez képest lényegesen pontosabban végezhetjük.As shown in Figure 1, the sensor units 5a and 5b can serve to measure the phase difference between different points of the same sensor tube 2 or 3 as a result of the flow of fluid 1. In another embodiment, the sensor units 6 may serve to measure the phase difference caused by the mass flow between the flow rates between the two different points of the sensor tubes 2 and 3. However, signals proportional to the mass flow detected by the sensor units 5a, 5b and 6 are always proportional to the Coriolis force, so that they only occur, contrary to the structural damping effect observed in the absence of excitation 1, when the excitation units 4 are actually excited. that is, their excitation frequencies are different from zero. However, by applying the two measurement principles together and, in some cases, simultaneously, in a single measuring device, mass flow measurement can be performed much more accurately than conventional measurements.
Visszatérve a találmány szerinti tömegárammérő eszköznek csupán mechanikai impedancia mérésére alkalmas kiviteli alakjához, megállapíthatjuk, hogy az a korábban alkalmazott, Coriolis-elven alapuló tömegárammérő eszközökhöz képest lényegesen előnyösebb tulajdonságokkal rendelkezik. Lényeges előnyként jelentkezik például, hogy az azonos tömegáram-változáshoz tartozó fáziskülönbségek a hagyományos eszközökkel mért fáziskülönbségekhez képest legalább egy nagyságrenddel nagyobbak: amíg például maximálisan 10 t/óra tömegáram esetén a Coriolis-típusú mérőeszközöknél a maximális fáziseltolás időben kifejezett értéke 100 ps körül mozog, addig a találmány szerinti tömegárammérő eszköznél ez több mint 1 ms nagyságú. Az új típusú tömegárammérő eszköz további előnye, hogy egy mechanikai rendszer csillapításának a mérése a Coriolis-erő hatásának méréséhez szükségesnél kisebb gerjesztést igényel, vagyis a tömegárammérő olcsóbban üzemeltethető. Az elvégzett vizsgálatok szerint a mechanikai impedancia mérésén alapuló, találmány szerinti eszközökkel a tömegáram kis - közel 0,1 m/s sebességnél nagyobb - áramlási sebességek mellett is viszonylag pontosan mérhető. Mindezek mellett a találmány szerinti tömegárammérő eszköz további előnye még, hogy tetszőleges átmérőjű csővezetékek esetében alkalmazható. Ezáltal különösen a nagy, mintegy 0,25 m-nél nagyobb átmérőjű csővezetékeken (például kőolajvezetékeken) történő közegáramlások kapcsán felmerülő tömegáram-mérési nehézségeket küszöbölhetjük ki eredményesen.Returning to an embodiment of the mass flow meter according to the invention, which is suitable only for measuring mechanical impedance, it can be stated that it exhibits substantially superior properties to the mass flow devices based on the Coriolis principle used previously. A significant advantage is, for example, that the phase differences for the same mass flow change are at least one order of magnitude greater than those of conventional devices: for example, for a maximum flow rate of 10 t / h, the Coriolis for the mass flow device of the present invention, it is more than 1 ms. Another advantage of the new type of mass flow device is that the measurement of the damping of a mechanical system requires less excitation than that required to measure the effect of the Coriolis force. According to the tests carried out, the devices according to the invention based on the measurement of the mechanical impedance can measure the mass flow at relatively low flow velocities of more than 0.1 m / s. A further advantage of the mass flow device of the present invention is that it can be used for pipelines of any diameter. In this way, the difficulties of mass flow measurement, especially in the case of large fluid flows on pipelines with a diameter greater than about 0.25 m (e.g., oil pipelines), can be effectively eliminated.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU9600277A HU219251B (en) | 1996-02-08 | 1996-02-08 | Method and apparatus for compensated measurement of mass flow |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU9600277A HU219251B (en) | 1996-02-08 | 1996-02-08 | Method and apparatus for compensated measurement of mass flow |
Publications (4)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| HU9600277D0 HU9600277D0 (en) | 1996-04-29 |
| HUP9600277A2 HUP9600277A2 (en) | 1997-12-29 |
| HUP9600277A3 HUP9600277A3 (en) | 1998-03-02 |
| HU219251B true HU219251B (en) | 2001-03-28 |
Family
ID=89993693
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| HU9600277A HU219251B (en) | 1996-02-08 | 1996-02-08 | Method and apparatus for compensated measurement of mass flow |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| HU (1) | HU219251B (en) |
-
1996
- 1996-02-08 HU HU9600277A patent/HU219251B/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| HUP9600277A3 (en) | 1998-03-02 |
| HUP9600277A2 (en) | 1997-12-29 |
| HU9600277D0 (en) | 1996-04-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100436483B1 (en) | Meter electronics for coriolis flowmeter, and method for validating a flow calibration factor used thereby | |
| US5069075A (en) | Mass flow meter working on the coriolis principle | |
| EP0701107A2 (en) | Vibration measuring instrument | |
| CA2892592C (en) | Detection of a change in the cross - sectional area of a fluid tube in a vibrating meter by determining a lateral mode stiffness | |
| US10209112B2 (en) | Apparatus and method for detecting asymmetric flow in vibrating flowmeters | |
| US7831400B2 (en) | Diagnostic apparatus and methods for a coriolis flow meter | |
| US7234363B2 (en) | Mass flow meter | |
| CN106461430B (en) | Fluid momentum detection method and related device | |
| HU225071B1 (en) | Combined mass flow meter device and method for measuring mass flow of a non solid medium | |
| US6598488B1 (en) | Coriolis effect fluid flow meter | |
| HU219251B (en) | Method and apparatus for compensated measurement of mass flow | |
| JP3237366B2 (en) | Vibration type flow meter | |
| RU2323419C2 (en) | System and mode of diagnostics of coriolis's flowmeter | |
| WO2023191763A1 (en) | Flowmeter primary containment failure detection | |
| JPH0299830A (en) | Method and device for measuring flow rate in tube therefor | |
| JPH0875521A (en) | Oscillatory measuring instrument |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of definitive patent protection due to non-payment of fees |