PL181170B1

PL181170B1 - Przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa

Info

Publication number: PL181170B1
Application number: PL96322270A
Authority: PL
Inventors: Cleve Craig B. Van; Roger S. Loving
Original assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 2001-06-29
Also published as: US5728951A; EP0815415A2; CN1165752C; CA2214356C; WO1996029574A3; AU5420996A; HK1018095A1; KR19980703069A; CN1183831A; RU2162207C2; MX9706824A; JP2989896B2; DE69625184T2; WO1996029574A2; DE69625184D1; EP0815415B1; BR9607544A; CA2214356A1; PL322270A1; JPH11500228A

Abstract

1 Przeplywom ierz zawierajacy zespól pomiarowy efektu Coriolisa, po- siadajacy mieszczaca plyn obudowe, w której jest zamontowany obrotowo w okól srodkowej osi obrotowej wirnik zewnetrzny z zespolem osiowym majacy wglebienie wspólosiowe z jego centralna osia obrotu, a we wglebieniu je st umieszczona co najmniej czesc zespolu pomiarowego efektu Coriolisa, który zawiei a zespól wytwarzajacy sygnal wyjsciowy i polaczone z nimi ele- ktroniczny zespól przetwarzania i który jest zamontowany obrotowo wokól srodkowej osi obrotu, przy czym zespól pomiarowy efektu Coriolisa zawiera zestaw kanalów usytuowanych od obwodu zewnetrznego zespolu pomiaro- wego efektu Coriolisa do jego obszaru centralnego, zas w irnik zewnetrzny m a zespól kanalów, z których przynajmniej niektóre sa polaczone przeplywowo z co najmniej niektórymi kanalami zespolu pomiarowego efektu Cor olisa, a w obudow ie mieszczacej plyn jest uksztaltowany kanal przeplywu plynu, który rozciaga sie od doplywu do odplywu plynu poprzez kanaly wirnika zewnetrz- nego i zespolu pomiarowego efektu Corio lisa, zas zespól osiowy zawiera ele- ment skretny polaczony jednym koncem z wirnikiem zewnetrznym, a drugim koncem z zespolem pomiarowym efektu Coriolisa, ustawiajacy zespól po- m iarowy Coriolisa z przesun e ciem katowym wokól osi srodkowej wzgledem w irnika zewnetrznego w wyniku pomiaru sil Coriolisa powstalych przy przeplywie plynu przez kanaly wirnika zewnetrznego i zespolu pomiarowego Coriolisa przy ich obrocie, a z wirnikami jest polaczony zespól wytwarzajacy sygnal w odpowiedzi na wielkosc katowego przesuniecia, zas zespól wytwa- rzajacy sygnal proporcjonalny do przesuniecia katowego pomiedzy w irni- kiem zewnetrznym i zespolem pomiarowym Corio lisa jest polaczony z wirnikiem zewnetrznym i zespolem pomiarowym Coriolisa, znam ienny tym , ze kanal przeplywu plynu zawiera czesc (407,1124), która jest usytuo- w ana w plaszczyznie prostopadlej do srodkowej osi obrotu i stycznie do zew- netrznego obrzeza w irnika zewnetrznego (307, 807, 1114), a kanaly (309, 802, 1116, 1301) w irnika zewnetrznego (307,8 0 7 ,1 1 1 4 ) sa usytuowane od obrzeza wirnika zewnetrznego (307,807,1114) do jego w glebienia (341) i sa polaczone ze stycznie usytuow ana czescia (407, 1124) kanalu przeplywu plynu, przy czym od wlotu kanalów (309,802,1116,1301) wirnika .............. FIG. 7 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa.

Znane jest wykorzystanie przepływomierzy masowych, wykorzystujących pomiar efektu Coriolisa w wibrującej rurce, do pomiaru przepływu masy i uzyskania innych informacji o materiałach przepływowych przez przewód.

Znane są przepływomierze z zastosowanymi rotacyjnymi miernikami masowymi, które rozwiązują problemy wcześniej stosowanych mierników Coriolisa z rurą wibracyjną i pełnią podwójną funkcję pomiaru przepływu i zanieczyszczenia. Podstawowymi dwoma typami rotacyjnych mierników masowych sąmiemiki momentu pędu i rotacyjne mierniki siły Coriolisa. Różnią się one tym, że typ z pomiarem momentu pędu zmienia kątowąprędkość płynu w miejscu o

181 170 stałym promieniu wewnątrz kanału przepływowego miernika, natomiast typ rotacyjny miernika efektu Coriolisa pracuje ze zmianą promieniowego położenia w kanale przepływowym przy stałej prędkości kątowej. Obydwa typy rozwiązują powyższe problemy mierników z rurąwibracyjnąprzez rozdzielenie funkcji, prowadzenia płynów i pomiaru przepływu, między dwa oddzielne elementy.

Znane przepływomierze z pomiarem momentu pędu zwykle składająsię z dwóch napędzanych wirników o różnych kątach łopatek. Wirniki napędzane rozmieszczone są w rurze, jeden przed drugim, względem kierunku przepływu. Wirniki połączone są sprężyną skrętną, która pozwala na ich pewne wzajemne przemieszczenie kątowe. To przemieszczenie kątowe reprezentuje różnicę faz proporcjonalną do zmiany momentu pędu płynu i nadającą się do wykorzystania do wyznaczania natężenia przepływu.

Masowe przepływomierze z wykorzystaniem momentu pędu przedstawiono w opisach patentowych USA nr 2943487, nr 3232110, nr 3877304, nr 3958447, nr 4012957, nr 4438648, Wielkiej Brytanii nr 1069466, EP 0485684B1, zgłoszeniu PCT WO 94/21990, w publikacji „A Survey of Mass Flowmeter” (Badanie przepływomierza masowego) aut. M.P. Wilsona, Jr., str. 63-68, Instrumentation Technology, wrzesień 1971.

W przypadku mierników z pomiarem momentu pędu występują dwa podstawowe problemy. Pierwszy polega na ich wrażliwości na profil prędkości dopływającego płynu w przewodzie przepływomierza. Wrażliwość ta występuje z tego powodu, że wielkość mierzona tych mierników, moment obrotowy, jest iloczynem siły i odległości’wzdłuż promienia. Płyn przepływający środkiem rury, ze względu na niewielki promień, wytwarza mniejszy moment na czujnikach wirnikowych, niż ten sam przepływ w w pobliżu obwodu rury. Mierniki te wykazują również niedokładności wynikające z oddziaływania lepkości płynu. Opór lepkościowy na wirnikach i ścianach rury zmienia wynikowy pęd płynu, profil prędkości i moment między wirnikami. Znane jest również wykorzystanie, w celu rozwiązania problemu profilu prędkości, rotacyjnych przepływomierzy masowych Coriolisa. W tych miernikach do pomiaru przepływu masowego zamiast momentu pędu przepływającego płynu wykorzystuje się siłę Coriolisa. W przepływomierzach wykorzystujących pomiar efektu Coriolisa utrzymuje się stałą prędkość kątowa płynu podczas jego ruchu w kierunku promieniowym. Wykorzystuje się w nich również napędzane silnikowo wirniki z kanałami promieniowymi, przez które przepływa płyn. Przy stałej prędkości obrotowej, moment potrzebny do obracania wirników jest idealnie proporcjonalny do natężenia przepływu masowego przez kanały promieniowe. Moment wirnika jest zatem wprost proporcjonalny do natężenia przepływu masowego i obrotów. Niestety, opór spowodowany uszczelkami, łożyskami i lepkością oddziałuje dodatkowym momentem na wirnik i wprowadza błędy pomiaru. Zastosowanie silnika również powoduje, że miernik nie dysponuje samoistną niezawodnością w wielu zastosowaniach. Rotacyjne masowe przepływomierze mierzące efekt Coriolisa przedstawiono we wspomnianym artykule Wilsona, jak również w artykule „Pomiary gazów, cieczy i ciał stałych za pomocą mierników natężenia przepływu masy w technologii”, str. 211, wrzesień 1953.

Rotacyjne przepływomierze wykorzystujące pomiar efektu Coriolisa opisane są w opisach patentowych USA nr 2877649, nr 2832218, nr 3350936 oraz DE-B-1235608, EP-A-0537765.

Opis patentowy USA nr 2877649 przedstawia przepływomierz zawierający obudowę, w której jest umieszczony wirnik i współśrodkowy do niego wirnik wtórny, czyli czujnikowy, przy czym obydwa wirniki napędzane są obrotowo wokół wspólnej osi przez źródło mocy zawierające silnik. Względne przemieszczenie kątowe tych dwóch wirników mierzone są przez transformator prądnicowy. Siły Coriolisa powstające przy przepływie materiału wywołują siłę działającą na wirnik czujnikowy w odniesieniu do wirnika. Siła ta powoduje powstanie w transformatorze sygnału, który jest wprost proporcjonalny do natężenia przepływu masowego płynu.

W opisie patentowym USA nr 2832218 przedstawiono przepływomierz rotacyjny, w którym obudowa mieści dwa współśrodkowe wirniki, które napędzane są silnikiem. W wyniku przepływu płynu, płyn kierowany jest na łopatki wirnika wtórnego i generuje sygnał 1 wyjściowy proporcjonalny do przemieszczenia wirnika i wynikowego natężenia przepływu masowego.

181 170

W opisie patentowym USA nr 3350936 przedstawiono przepływomierz rotacyjny wykorzystujący pomiar efektu Coriolisa, mający pierwszy element wirujący, drugi element wirujący, obydwa współosiowe z przepływem płynu. Elementy obrotowe napędzane są silnikiem i odbywa się pomiar spowodowanego siłami Coriolisa kątowego przemieszczenia pierwszego elementu obrotowego względem drugiego elementu obrotowego, za pomocą elementu czujnikowego, który generuje sygnał wyjściowy proporcjonalny do przemieszczenia i, z kolei, do natężenia przepływu masowego przepływającego płynu.

W opisie patentowym DE 1235608 przedstawiono urządzenie mające dwa koła wirnikowe zwrócone do siebie nawzajem, których wzajemne przemieszczenie kątowe reprezentuje natężenie przepływu masowego. Zespół wirujący napędzany jest silnikiem, przy rozmieszczeniu obu wirników współśrodkowo względem siebie i współosiowo względem przepływu płynu.

W opisie patentowym EP 0537765 opisano koło pomiarowe napędzane silnikiem i wirujące w obudowie zaopatrzonej w urządzenie do pomiaru momentu obrotowego do wyznaczania zmian momentu obrotowego powodowanych przez silnik napędowy przy zmianach występujących podczas przepływu materiału przez koło pomiarowe w celu pośredniego wyznaczenia wartości przepustowości masowej.

Według wynalazku, przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa posiada mieszczącą płyn obudowę, w której jest zamontowany obrotowo wokół środkowej osi obrotowej wirnik zewnętrzny z zespołem osiowym mający wgłębienie współosiowe z jego centralną osią obrotu. We wgłębieniu jest umieszczona co najmniej część zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, który zawiera zespół wytwarzający sygnał wyjściowy i połączone z nimi elektroniczny zespół przetwarzania i który jest zamontowany obrotowo wokół środkowej osi obrotu. Zespół pomiarowy efektu Coriolisa zawiera zestaw kanałów usytuowanych od obwodu zewnętrznego zespołu pomiarowego efektu Coriolisa do jego obszaru centralnego, zaś wirnik zewnętrzny ma zespół kanałów, z których przynajmniej niektóre są połączone przepływowo z co najmniej niektórymi kanałami zespołu pomiarowego efektu Coriolisa. W obudowie mieszczącej płyn jest ukształtowany kanał przepływu płynu, który rozciąga się od dopływu do odpływu płynu poprzez kanały wirnika zewnętrznego i zespołu pomiarowego efektu Coriolisa. Zespół osiowy zawiera element skrętny połączony jednym końcem z wirnikiem zewnętrzny, a drugim końcem z zespołem pomiarowym efektu Coriolisa, ustawiający zespół pomiarowy Coriolisa z przesunięciem kątowym wokół osi środkowej względem wirnika zewnętrznego w wyniku pomiaru sił Coriolisa powstałych przy przepływie płynu przez kanały wirnika zewnętrznego i zespołu pomiarowego Coriolisa przy ich obrocie. Z wirnikami jest połączony zespół wytwarzający sygnał w odpowiedzi na wielkość kątowego przesunięcia, zaś zespół wytwarzający sygnał proporcjonalny do przesunięcia kątowego pomiędzy wirnikiem zewnętrznym i zespołem pomiarowym Coriolisa jest połączony z wirnikiem zewnętrznym i zespołem pomiarowym Coriolisa.

Według jednej odmiany wynalazku, przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa charakteryzuje się tym, że kanał przepływu płynu zawiera część, która jest usytuowana w płaszczyźnie prostopadłej do środkowej osi obrotu i stycznie do zewnętrznego obrzeża wirnika zewnętrznego, a kanały wirnika zewnętrznego są usytuowane od obrzeża wirnika zewnętrznego do jego wgłębienia i są połączone ze stycznie usytuowaną częścią kanału przepływu płynu. Od wlotu kanałów wirnika zewnętrznego kanał przepływu płynu w obudowie jest usytuowany promieniowo do wewnątrz poprzez kanały wirnika zewnętrznego kanały zespołu pomiarowego efektu Coriolisa do obszaru środkowego zespołu pomiarowego efektu Coriolisa. Z obszarem środkowym zespołu pomiarowego efektu Coriolisa jest połączony odpływ płynu usytuowany współosiowo ze środkową osią obrotu, a wirnik zewnętrzny i zespół pomiarowy efektu Coriolisa są obracane energią strumienia płynu przepływającego w kanałach wirnika zewnętrznego i w kanałach zespołu pomiarowego Coriolisa.

Zespół pomiarowy efektu Coriolisa zawiera wirnik wewnętrzny umieszczony wewnątrz wirnika zewnętrznego.

Na wirniku wewnętrznym i wirniku zewnętrznym jest rozmieszczony stanowiący część zespołu wytwarzającego sygnał zestaw magnesów, a w obudowie mieszczącej płyn jest rozmie

181 170 szczony stanowiący część zespołu wytwarzającego sygnał zestaw cewek, przy czym zestaw cewek i zestaw magnesów są zestawami wytwarzającymi podczas obracania się wirnika wewnętrznego okresowe sygnały wyjściowe odpowiadające różnicy fazowej odpowiadającej przemieszczeniu kątowemu wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego.

Zestaw cewek zawiera cewkę stałą i cewkę ruchomą, a zestaw magnesów zawiera pierwszy zespół magnesów rozmieszczonych na pokrywie wirnika zewnętrznego oraz drugi zespół magnesów rozmieszczonych na wirniku wewnętrznym.

Wirnik zewnętrzny i wirnik wewnętrzny zawierają elementy ograniczające kątowe przesunięcie wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego.

Elementy ograniczające stanowi podłużny w kierunku obwodowym otwór w wirniku wewnętrznym i kołek, którego pierwszy koniec znajduje się wewnątrz wirnika zewnętrznego, a którego drugi koniec jest umieszczony w otworze wirnika wewnętrznego, przy czym wymiary otworu i kołka są dobrane względem siebie zależnie od zakresu ograniczania przemieszczenia i obrotu kątowego wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego.

Wirnik wewnętrzny zawiera usytuowane promieniowo kanały, natomiast wirnik zewnętrznym zawiera kanały odchylone względem położenia promieniowego.

Wirnik zewnętrzny zawiera zespół elementów z powierzchniami prostopadłymi, z których każdy ma kanał posiadający odcinek prostopadły mający otwór zewnętrzny i otwór wewnętrzny rozmieszczone względem siebie pod kątem w przybliżeniu 90°, przy czym otwór wewnętrzny jest usytuowany w powierzchni obwodowej tworzącej obwód wewnętrzny wgłębienia wirnika zewnętrznego, a otwór zewnętrzny jest usytuowany w przybliżeniu prostopadle do zewnętrznego obwodu wirnika zewnętrznego i jest zwrócony w kierunku przeciwnego do stycznego przepływu płynu przy zewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego.

Wirnik zewnętrzny i wirnik wewnętrzny są obracane strumieniem płynu przepływającego przez ich kanały tak, że prędkość styczna zewnętrznego obwodu wirnika zewnętrznego jest większa od prędkości stycznej płynu na zewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego, przy czym otwór zewnętrzny każdego z odcinków prostopadłych kanałów ma kształt czerpaka płynu na zewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego kierującego płyn do wnętrza, zmniejszającego kątową prędkość obrotową wirnika zewnętrznego i spadek ciśnienia na mierniku, odcinka prostopadłego i poprzez kanały wirnika wewnętrznego do odpływu w obudowie.

W środku zewnętrznego wirnika jest zamontowany wałek zespołu osiowego łączący środek wirnika zewnętrznego z obudową dla obrotu wirnika zewnętrznego wokół centralnej osi obrotu, a wałek ma wzdłużne wycięcie, w którym jest osadzony element skrętny w postaci osi skrętnej połączonej na stałe jednym końcem ze środkiem wirnika wewnętrznego i osadzonej drugim końcem wewnątrz wzdłużnego wycięcia w wałku i połączonej z nim.

Wirnik zewnętrzny zawiera tarczową płaską część połączoną na obwodzie z jedną stroną zaopatrzonego w kanały pierścienia wirnika zewnętrznego oraz pokrywę przymocowaną, z możliwością] ej zdejmowania, do drugiej strony pierścienia, zamykającą wgłębienie w wirniku zewnętrznym, a w pokrywie wirnika zewnętrznego jest otwór środkowy połączony z odpływem obudowy, zaś z wewnętrzną powierzchnią pokrywy w pobliżu otworu środkowego pokrywy jest umieszczony eliminator efektu ścinania na prędkość obrotową płynu w kanałach wirnika wewnętrznego wywołanego nieobrotowym stanem płynu w odpływie obudowy.

Eliminator efektu ścinania zawiera kołowy element przymocowany do wewnętrznej powierzchni pokrywy i mający środkowy otwór usytuowany współosiowo z otworem środkowym pokrywy oraz wiele kanałów odchodzących od zewnętrznego obrzeża elementu kołowego, z których każdy jest ustawiony współosiowo z kanałami wirnika wewnętrznego i każdy kanał wirnika wewnętrznego jest połączony na jego obrzeżu poprzez kanał elementu kołowego z środkowym otworem elementu kołowego, przetwarzając ruch płynu, od obrotowego ruchu promieniowego do osiowego i izolowania wirnika wewnętrznego od efektów ścinania płynu.

Między wirnikiem wewnętrznym a otworem odpływu płynu jest umieszczony eliminator efektu ścinania płynu, który jest połączony z wirnikiem zewnętrznym i zamontowany obrotowo na zespole osiowym razem z wirnikiem zewnętrznym, przy czym eliminator efektu ścinania za

181 170 wiera kanały ustawione pod kątem względem przepływu płynu i połączone z kanałami wirnika wewnętrznego, przy czym kanały eliminatora efektu ścinania płynu są połączone z odpływem obudowy przetwarzając kątowy ruch płynu, na ruch osiowy.

Dopływ płynu i odpływ płynu sąusytuowane współosiowo ze środkową osią obrotu wirnika zewnętrznego, a połączony z dopływem płynu kanał przepływu płynu zawiera elementy prowadzące usytuowane w obudowie i tworzące skręcający kanał pomiędzy częścią kanału przepływu płynu usytuowaną osiowo i częścią kanału przepływu płynu usytuowaną stycznie do obrzeża wirnika zewnętrznego.

Współosiowo z centralną osią obrotu wirnika zewnętrznego rozmieszczone są dopływ płynu i odpływ płynu, a obudowa zawiera elementy prowadzące w kształcie stożkowym usytuowane wierzchołkiem przy dopływie, które mają spiralne kanały na swoim obwodzie rozciągające się od końca wierzchołkowego do końca przeciwległego usytuowanego przy obrzeżu wirnika zewnętrznego, przy czym spiralne kanały tworzą tor przepływu płynu doprowadzający płyn stycznie do obrzeża wirnika zewnętrznego, a w środku wirnika wewnętrznego j est umieszczony eliminator efektu ścinania, połączony z wirnikiem zewnętrznym i mający kanały usytuowane od kanałów wirnika wewnętrznego do osiowego odpływu obudowy.

W innej odmianie wynalazku, przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa, charakteryzuje się tym, że dopływ jest usytuowany współosiowo ze środkową osią obrotu i jest połączony ze środkowym obszarem zespołu pomiarowego Coriolisa, a kanał przepływu płynu jest usytuowany od dopływu promieniowo na zewnątrz poprzez kanały zespołu pomiarowego efektu Coriolisa i kanały wirnika zewnętrznego, przy czym kanały wirnika zewnętrznego są usytuowane do jego obrzeża zewnętrznego i są zakrzywione na ich zewnętrznych końcach, które są skierowane w kierunku stycznym do zewnętrznego obrzeża wirnika zewnętrznego i w kierunku prostopadłym do jego osi obrotu, przy czym wirnik zewnętrzny i zespół pomiarowy efektu Coriolisa są obracane przez energię strumienia płynu przepływającego promieniowo na zewnątrz przez kanały zespołu pomiarowego efektu Coriolisa i kanały wirnika zewnętrznego i wychodzącego stycznie z wirnika zewnętrznego.

Zespół pomiarowy efektu Coriolisa zawiera wirnik wewnętrzny umieszczony w wirniku zewnętrznym.

Na wirniku wewnętrznym i wirniku zewnętrznym jest rozmieszczony zestaw magnesów stanowiący część zespołu wytwarzającego sygnał, a zespół wytwarzający sygnał zawiera zestaw cewek rozmieszczonych w obudowie, przy czym zestaw cewek i zestaw magnesów dostosowane są do generowania podczas obracania się wirnika wewnętrznego okresowych sygnałów wyjściowych o różnicy fazowej wskazującej na przemieszczenie kątowe wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego.

Zestaw cewek zawiera cewkę stałąi cewkę ruchomą a zestaw magnesów zawiera pierwszy zespół magnesów rozmieszczonych na pokrywie wirnika zewnętrznego oraz drugi zespół magnesów rozmieszczonych na wirniku wewnętrznym.

Elementy ograniczające stanowi podłużny w kierunku obwodowym otwór w wirniku wewnętrznym i kołek, którego pierwszy koniec znajduje się wewnątrz wirnika zewnętrznego, a którego drugi koniec jest umieszczony w wycięciu wirnika wewnętrznego, przy czym wymiary otworu i kołka są dobrane zależnie od zakresu ograniczania obrotu kątowego wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego.

Każdy z kanałów w wirniku zewnętrznym zawiera otwór wewnętrzny usytuowany w powierzchni obwodowej tworzącej obwód wewnętrzny wgłębienia wirnika zewnętrznego, i otwór zewnętrzny usytuowany na powierzchni obrzeża wirnika zewnętrznego tworzący dyszę każdego kanału na zewnętrznym obrzeżu wirnika zewnętrznego do przyspieszania przepływu płynu w wyjściu odpływu obudowy.

Z wirnikiem zewnętrznym jest połączony silnik obracający wirnik zewnętrzny i wirnik wewnętrzny wokół osi obrotu z prędkością obrotową zwiększoną w stosunku do prędkości obroto wej powodowanej przez przepływ płynu, przy czym wirnik zewnętrzny i wirnik wewnętrzny reagują na zwiększenie prędkości obrotowej zwiększeniem ciśnienia płynu wewnątrz kanałów i przepustowości płynu w przepływomierzu.

Kanały wirnika zewnętrznego są zakrzywi one w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wirnika zewnętrznego i wirnika wewnętrznego, a prędkość płynu wychodzącego z wirnika zewnętrznego i wirnika wewnętrznego oraz przepływ płynu przez zewnętrzny wirnik do odpływu są zwiększone.

Oś obrotu wirnika zewnętrznego jest usytuowana współosiowo z dopływem płynu, i odpływem płynu, a w środku wirnika wewnętrznego jest umieszczony eliminator efektu ścinania mający zespół łopatek kierujących osiowy przepływ płynu promieniowo na zewnątrz do kanałów wirnika wewnętrznego.

W środku zewnętrznego wirnika jest zamontowany wałek zespołu osiowego, za pomocą którego środek wirnika zewnętrznego jest osadzony obrotowo wokół centralnej osi obrotu w obudowie, przy czym wałek ma wzdłużne wycięcie, w którym jest osadzona oś skrętna w postaci drążka skrętnego połączona na stałe jednym końcem ze środkiem wirnika wewnętrznego i osadzona drugim końcem wewnątrz wzdłużnego wycięcia w wałku i połączona z nim.

Wirnik zewnętrzny zawiera tarczową płaską część połączoną na obwodzie z jedną stroną zaopatrzonego w kanały pierścienia wirnika zewnętrznego oraz pokrywę przymocowaną z możliwością jej zdejmowania, do drugiej strony pierścienia, za pomocą której jest zamknięte wgłębienie w wirniku zewnętrznym, a w pokrywie wirnika zewnętrznego jest otwór środkowy połączony z odpływem obudowy, zaś z wewnętrzną powierzchnią pokrywy w pobliżu otworu środkowego pokrywy jest umieszczony eliminator efektu ścinania.

Zarówno dopływ płynu, jak i odpływ płynu rozmieszczone są współosiowo z centralną osią obrotu wirnika zewnętrznego i wirnika wewnętrznego, a w środku wirnika wewnętrznego jest umieszczony eliminator efektu ścinania mający stożkowąpiastę, której końcówka jest umieszczona od strony dopływu i mający zespół łopatek, których jedne końce są przymocowane do obrzeża stożkowej piasty, a drugie końce usytuowane sąprzy dopływie, przy czym stożkowa piasta jest zamocowana do wirnika zewnętrznego i obraca się z nim, a osiowy przepływ płynu z dopływu jest kierowany jako obrotowy kątowy przepływ do wewnętrznego końca kanałów wirnika wewnętrznego, a w obudowie są umieszczone elementy współdziałające ze sobą przy ograniczaniu kątowego przesuwania wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego podczas obrotu.

W przepływomierzu według wynalazku, natężenie przepływu masowego przez przepływomierz określa się z pomiaru przemieszczenia obrotowego między wirnikiem zewnętrznym a wirnikiem wewnętrznym. Płyn przepływający przez ustawione na wprost siebie kanały powoduje ruch obrotowy wirników i wywiera na wirniki pewien moment obrotowy, proporcjonalny do natężenia przepływu masowego płynu. Moment obrotowy działa w równym stopniu na wirniki, zarówno zewnętrzny, jak i Coriolisa. Na wirnik zewnętrzny również oddziałują momenty oporu lepkości, łożysk i uszczelek oraz, w niektórych odmianach wykonania wynalazku, dodatkowo moment napędowy. Na wirnik wewnętrzny, ponieważ wiruje on z tą samą prędkością, co otaczający go wirnik zewnętrzny, nie oddziałuje żaden z tych momentów oporu, lecz tylko moment Coriolisa. Wynikowe odchylenie kątowe wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego jest proporcjonalne do natężenia przepływu masowego płynu zewnętrznego, nie oddziałuje żaden z tych momentów oporu, lecz tylko moment Coriolisa. Wynikowe odchylenie

181 170 kątowe wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego jest proporcjonalne do natężenia przepływu masowego płynu.

Eliminator efektu ścinania przepływomierza według wynalazku zapewnia to, że wirnik wewnętrzny nie jest poddawany działaniu żadnych sił spowodowanych lepkością lub momentem pędu płynu w środkowym oknie dopływowym/odpływowym. Po wszystkich stronach wirnika wewnętrznego występują prześwity, tak że może on swobodnie obracać się współosiowo względem wirnika zewnętrznego w granicach określonych przez drążek skrętny. Zarówno w wirniku zewnętrznym, jak w wirniku wewnętrznym, jak i w eliminatorze efektu ścinania, ukształtowane są kanały prowadzące płyn. W otworze dopływu i odpływu płynu na tarczy pokrywy, te kanały zbiegająsię i uchodząosiowo jako jeden kanał, przez który płyn wchodzi do miernika i wychodzi z niego.

Przepływomierz według wynalazku zapewnia uzyskanie informacji o natężeniu przepływu masowego przez pomiar wartości, o którą kątowo jest przestawiony wirnik wewnętrzny względem wirnika zewnętrznego wokół wspólnej osi obu wirników. W pierwszej odmianie wynalazku, w której wprowadza się płyn przez dopływ, stycznie do powierzchni wewnętrznej obudowy przepływomierza, i kieruje się płyn przez promieniowe kanały zarówno w wirniku zewnętrznym, jak i w wirniku wewnętrznym, kanały wirnika wewnętrznego rozprowadzają płyn do dopasowanych otworów w eliminatorze efektu ścinania płynu, który obraca się wraz z wirnikiem zewnętrznym i który transformuje przepływ płynu z promieniowego, po wprowadzeniu z kanałów wirnika wewnętrznego, na przepływ osiowy, dochodzący do odpływu płynu z przepływomierza. Eliminator efektu ścinania płynu przy tym izoluje wirnik wewnętrzny od sił, których działaniu byłby poddawany, gdyby płyn był podawany bezpośrednio przez kanały wirnika wewnętrznego do odpływu przepływomierza, w celu osiowego wprowadzenia do rurociągu, z którym przepływomierz jest połączony.

Według innej odmiany wynalazku przepływomierz ma współosiowe dopływy i odpływy, a wprowadzony płyn podawany jest przez eliminator efektu ścinania płynu, przez kanały promieniowe wirnika wewnętrznego i przez pasujące do nich kanały w wirniku zewnętrznym do odpływu płynu.

Zastosowanie kanałów w wirniku zewnętrznym i wirniku wewnętrznym zakrzywionych w płaszczyźnie zawierającej centralną oś obrotu wirników nie oddziałuje na wirowanie ani wirnika wewnętrznego, ani wirnika zewnętrznego, a przy tym usprawnia prace przepływomierza.

Zastosowanie silnika do obracania wirnika wewnętrznego i wirnika zewnętrznego umożliwia realizację podwójnych funkcji przepływomierza jako pompy płynu i miernika przepływu masowego, dla uzyskania informacji o przepływie masy płynu podawanego przez pompę. Korzystnie w tym przypadku kanały w wirniku zewnętrznym są zakrzywione w sposób poprawiający wydajność pompowania układu wirników.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 i 2 przedstawiają siły fizyczne związane z działaniem przepływomierza zawierającego zespół pomiarowy efektu Coriolisa, fig. 3 - pierwszy przykład wykonania rozłożonego przepływomierza zawierającego zespół pomiarowy efektu Coriolisa, w widoku perspektywicznym, fig. 4 przepływomierz z fig. 3 w widoku z góry, fig. 5 - przepływomierz z fig. 4 w przekroju wzdłuż linii 5-5 na fig. 4, fig. 6 - przepływomierz z fig. 4 w przekroju wzdłuż linii 6-6 na fig. 4, fig. 7 przepływomierz z fig. 6 w przekroju wzdłuż linii 7-7 na fig. 6, fig. 8 - drugi przykład wykonania przepływomierza według wynalazku, w przekroju, fig. 9 - siły związane z wirnikiem zewnętrznym mającym kanały niepromieniowe, fig. 10 - fragment przykładu wykonania wirnika zewnętrznego z kanałami niepromieniowymi, w przekroju, fig. 11 i 12 przedstawiająprzepływomierz z ustawionymi współliniowo dopływami i odpływami, w przekroju, fig. 13 przedstawia przykład wykonania, w której zarówno wirnik wewnętrzny, jak i wirnik zewnętrzny zaopatrzone są w kanały niepromieniowe, w przekroju, fig. 14 - następny przykład wykonania rozłożonego przepływomierza zawierającego zespół pomiarowy efektu Coriolisa, z osiowymi dopływami i odpływami, w widoku perspektywicznym, fig. 15 - przepływomierz z fig. 14, w przekroju wzdłuż linii 15-15 na fig. 16, fig. 16 - przepływomierz z fig. 14, w przekroju wzdłuż linii 16-16 na

181 170 fig. 15, fig. 17 - kolejny przykład wykonania przepływomierza napędzanego silnikiem i połączonego z pompą, w widoku z boku, w częściowym przekroju, fig. 18 - przepływomierz z fig. 17 w przekroju wzdłuż linii 18-18 na fig. 17, fig. 19 - fragment przepływomierza z fig. 15, w powiększonym przekroju.

Figura 1 przedstawia rurę przepływową 101 z elementem masy 102 płynu płynącego przez nią z prędkością V. Rura przepływowa 101 z założenia obraca się z prędkością kątową ω wokół punktu obrotu 104. W wibracyjnych przepływomierzach wykorzystujących pomiar efektu Coriolisa obrót rury przepływowej 101 wokół punktu obrotu 104 nie jest ciągły, lecz stanowi ruch oscylacyjny, w którym rura przepływowa 101 obraca się wokół punktu obrotu 104 krótko w jednym kierunku, a następnie odbywa się obrót powrotny w kierunku przeciwnym. Powodem tego jest fakt, że w przypadku konwencjonalnych przepływomierzy nie jest łatwe realizowanie ciągłego obrotu rur przepływowych, ze względu na problemy mechaniczne, jak na przykład niezbędne stosowanie uszczelek i wynikający stąd opór wprowadzany przez uszczelki. Jednakowoż to ograniczenie w przypadku niniejszego wynalazku zostaje przezwyciężone.

Przy opisie rury przepływowej 101 z fig. 1 i 2 zakłada się, że rura przepływowa 101 obraca się w lewo z prędkością kątową ω wokół punktu obrotu 104, określoną wektorem ca W tych warunkach element masy 102 płynu poddawany jest działaniu przyspieszenia Coriolisa A_c podczas jego poruszania się z dala od punktu obrotu 104 z pewną prędkością V. Ponieważ ściany rury przepływowej 101 umożliwiają oddziaływanie na element masy 102 płynu przyspieszeniem Coriolisa, to ściany rury przepływowej podlegają oddziaływaniu siły Coriolisa F_c.

Powstającą siłę Coriolisa F_c przedstawioną na fig. 1 można wyrazić następująco:

F_C=MA_C (1) gdzie:

F_c - siła Coriolisa działająca na rurę

M - masa płynu

A_c - przyspieszenie Coriolisa

Na podstawie praw fizycznych przyspieszenie Coriolisa A_c można wyrazić jako:

A_c = 2(oxV) (2) gdzie:

ω - prędkość kątowa rury przepływowej

V - prędkość płynu

Podstawiając równanie (2) do równania (1), siłę Coriolisa działającą na rurę przepływową można wyrazić jako:

F_c-Mx2(mxV) (3)

Przyspieszenie Coriolisa A_c jest to wartość zmiany prędkości w kierunku stycznym, której doznaj e element masy 102 płynu podczas wędrówki przez rurę przepływową 101 na zewnątrz od punktu obrotu 104. Równanie (2) można intuicyjnie zrozumieć przez założenie, że element masy płynu przebywa skończoną odległość w czasie ót, i że w tym czasie wzrasta odległość elementu 102 płynu od punktu obrotu 104. Jeżeli element 102 płynu znajdował się pierwotnie w odległości R od punktu obrotu 104, to po upływie odstępu czasu Ót element płynu znaj dzie się w odległości R + ÓR od punktu obrotu 104. Prędkość w kierunku stycznym dowolnego punktu rury przepływowej jest funkcją prędkości kątowej cą z którą obraca się rura razy jego odległość od punktu obrotu 104. Na końcu odstępu czasu ót element 102 płynu znajduje się od punktu obrotu 104 dalej owartości óR. W tym przypadku element 102 płynu po okresię ót, wędruje z większą prędkością kątową, kiedy odległość od punktu obrotu wynosi R + ÓR, niż to było na początku tego odstępu czasu, kiedy odległość od punktu obrotu wynosiła R. Ten wzrost prędkości stycznej dzielony przez odstęp czasu ót równa się przyspieszeniu Coriolisa A_c elementu 102 masy płynu. Prędkość liniowa V elementu 102 masy płynu oczywiście pozostaje stała w tym odstępie czasu mimo, że

181 170 element 102 masy płynu zwiększa swoją prędkość w kierunku stycznym w miarę oddalania się od punktu obrotu 104.

Z równania (3) widać, że siła Coriolisa F_c przedstawiona na fig. 1 jest proporcjonalna do masy M płynu płynącego w rurze przepływowej 101, do prędkości kątowej ω, z którą rura przepływowa 101 wykonuje ruch wahadłowy wokół punktu 104, jak również do prędkości V, z którą masa wędruje przez rurę przepływową.

Wspomniano, że znane są przepływomierze masowe Coriolisa typu rotacyjnego, w których utrzymywana jest stała prędkość kątowa płynu podczas poruszania się płynu po torze promieniowym. Osiąga się to przez zastosowanie wirnika z promieniowymi kanałami, przez które przepływa płyn. W przepływomierzach masowych wykorzystujących pomiar efektu Coriolisa znanego typu zwykle stosuje się w silnik do nadawania ruchu obrotowego wirnikowi, przez który przepływa płyn. W niektórych odmianach wykonania rotacyjnego przepływomierza wykorzystującego pomiar efektu Coriolisa według niniejszego wynalazku nie stosuje się silnika, lecz zamiast tego do obrotowego napędzania wirnika wykorzystuje się dynamikę płynącego płynu.

Na figurze 2 i w poniższym omówieniu przedstawiono siły przykładane i przyporządkowane do wirnika obracanego podczas przepływu płynu przez kanały (lub rury) promieniowe w wirniku. Na fig. 2, A_h oznacza pole powierzchni części wewnętrznej rury przepływowej 101 z fig. 1. Element masy 102 równoważny elementowi masy 102 z fig. 1, ma grubość óR i pole przekroju A_h. Masę elementu 102 można wyrazić jako pA_h 6R, gdzie p jest równe gęstości materiału tworzącego element 102, gdzie A_h stanowi przekrój elementu 102 i gdzie 6R jest grubością elementu 102.

Dolna część rury przepływowej 101 znajduje się w odległości R1 od osi 103 zawierającej punkt obrotu 104. Element 102 znajduje się w odległości R2 od punktu obrotu 104.

Poniżej opisano moment obrotowy działający na rurę przepływową 101 w wyniku przyspieszenia Coriolisa podczas ciągłego przepływu płynu przez rurę przepływową 101. Zakłada się, że rura przepływowa 101 stanowi promieniowy kanał wirnika przedstawionego na fig. 3 (lecz nie przedstawionego na fig. 2).

Na podstawie praw mechaniki, moment obrotowy na rurze przepływowej 101 można wyrazić jako τ = RxF_c (4) τ - moment obrotowy na wirniku

R - promień do punktu przyłożenia siły

F_c - siła Coriolisa

Podstawiając wartość siły Coriolisa F_c otrzymana z równania (3), moment obrotowy wirnika można wyrazić jako:

τ = 2RM (ω xV)(5)

Równanie (5) należy wyrazić w postaci różniczkowej dla zsumowania ogólnego momentu obrotowego na długości rumy.

5t = 2R5M(oxV)(6)

Można zauważyć, że masa przyrostowej części elementu 102 płynu z fig. 1 jest równa:

ÓM=pA_hÓR(7) p - gęstość płynu

Ah - pole przekroju kanału

Podstawienie wartości δΜ z równania (7) do równania (6) daje:

δτ = 2RpA_hÓR (ωχΥ) (7.5)

181 170

Ogólny moment obrotowy wirnika otrzymuje się przez scałkowanie równania (7.5). Otrzymuje się wtedy następujące wyrażenie:

1=/2 RpA_h(aóR R. ' gdzie:

R, promień wewnętrzny wirnika 101

R₂ - promień zewnętrzny wirnika 101 ωί V są prostopadłe i można je mnożyć po prostu jako skalary.

Natężenie przepływu masowego płynącego materiału, na przykład przedstawionego jako element 102 na fig. 2, można otrzymać następująco:

ÓM = pA_hÓR(8.1) δΜ_ 5R(8.2) ót ”^{P h} 5T

	δΜ --= V δΤ
gdzie; M - masowa prędkość przepływu	δΜ —= M δί
	Μ = pA_hV	(9)

Podstawiając wyraz M z równania (9) za wyrazy pA_h V w równaniu (8) otrzymuje się następujące wyrażenie:

^R;(io) x = 2 J MmRÓR

R,

Równanie (10) można uprościć następująco:

^R‘ (10-5) x = 2M©JRóR ^R.

Po wykonaniu całkowania otrzymuje się następujące wyrażenie na moment obrotowy x w rurze przepływowej 101 z fig. 2:

x = Mco(R₂ ² - R]²) (11)

Równanie (11) ukazuje, że moment obrotowy na obracającej się rurze, na przykład rurze przepływowej 101 według fig. 2, jest wprost proporcjonalny do natężenia przepływu masy poruszającego się płynu oraz do prędkości kątowej (obrotowej) wirnika. Natężenie przepływu masowego w znanych napędzanych silnikowo rotacyjnych przepływomierzach Coriolisa wyznacza się na podstawie obciążenia silnika. Jednakowoż opory spowodowane uszczelkami, łożyskami i lepkością zmieniają moment obrotowy wirnika i mogą wprowadzać błędy wyznaczania natężenia przepływu masowego tych znanych urządzeń.

181 170

Zgodnie z niektórymi z odmian wykonania niniejszego wynalazku proponuje się rotacyjny przepływomierz masowy Coriolisa, w którym poruszający się płyn napędza wirnik przepływomierza. Zapewnia to samoistną niezawodność przepływomierza w przypadku wszelkich zastosowań, i pozwala na uniknięcie konieczności rozwiązania problemów uszczelnień wału. W jednej z odmian wykonania wynalazku, płyn wpływa do obudowy przepływomierza stycznie do wirnika zewnętrznego, przez promieniowe kanały w wirniku zewnętrznym, przez promieniowe kanały w wirniku wewnętrznym (Coriolisa), i uchodzi przez osiowy odpływ z przepływomierza na środku pokrywy wirnika zewnętrznego. Tymczasowo pomijając opory, można założyć, że moment pędu płynu wchodzącego zachowuje się tak, że płyn w wirnikach ma ten sam średni właściwy moment pędu, do płynu wchodzącego. Z tego powodu kątowa prędkość wirnika, moment Coriolisa i kątowe przemieszczenie wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego można zmierzyć i przeliczyć na natężenie przepływu masowego płynu.

Figura 3 przedstawia w widoku rozłożonym pierwszy korzystny przykład wykonania przepływomierza według wynalazku zawierającego zespół pomiarowy efektu Coriolisa. W tym przykładzie wykonania przepływomierz zawiera walcowo ukształtowaną obudowę 301 mieszczącąpłyn, wirnik zewnętrzny 307 i zespół pomiarowy efektu Coriolisa, który zawiera wirnik wewnętrzny 314. Wirnik zewnętrzny 307 ma pokrywę 317, a obudowa 301 ma pokrywę 303. Dopływ 302 z otworem 327 stanowi część obudowy 301 mieszczącej płyn, podczas gdy odpływ 304 z otworem 337 zamocowany jest do górnej pokrywy 303 obudowy kołnierzem 306. Przy pracy, wirnik zewnętrzny 307 i wirnik wewnętrzny 314 umieszczone są we wgłębieniu 338 obudowy 301 mieszczącej płyn. Wałek 331 osadzony jest na stałe górnym końcem w płaskiej części 340 wirnika zewnętrznego 307, a na dolnym końcu sprzężony jest obrotowo z łożyskiem oporowym 334 z pierścieniem zewnętrznym 333 zaopatrzonym w zabezpieczający pierścień sprężynujący 339. W ten sposób wirnik zewnętrzny 307 może się swobodnie obracać wraz ze swoim wałkiem 331, i umieszczony jest w zapełnionym płynem wgłębieniu 338 obudowy 301.

Oś skrętna 329 stanowiąca wydłużony giętki drążek skrętny, który umieszczony jest w otwartej części środkowej wałka 331 i na stałe zamocowany jest do niej za pomocą wkrętu ustalającego 332. Oś skrętna 329 przechodzi przez otwór (nie przedstawiony na fig. 3) w płaskiej części 340 wirnika zewnętrznego 307 i połączona jest z dolną częścią wirnika wewnętrznego 314 pasowaniem wciskanym, co przedstawiono szczegółowo na fig. 6. Przy pracy wirnik wewnętrzny 314 umieszczony jest wewnątrz zagłębienia 341 wirnika zewnętrznego 307 i zamocowany jest sztywno w górnej części osi skrętnej 329 w postaci drążka skrętnego. Elastyczność osi skrętnej 329 umożliwia obrót kątowy wirnika wewnętrznego 314 o ograniczoną wartość względem wirnika zewnętrznego 307. Ten obrót kątowy wirnika wewnętrznego 314 względem wirnika zewnętrznego 307 jest ograniczona elementami opisanymi w poniżej szczegółowo w odniesieniu do fig. 4 i 5.

Górna powierzchnia pokrywy 317 wirnika zewnętrznego 307 zapatrzona jest w piastę 319, która mieści uszczelkę 321 współpracującąz dolną częścią odpływu 304 płynu. Górna część uszczelki 321 styka się z dnem pokrywy 303 obudowy. Uszczelka 321 zapewnia to, że płyn musi płynąć przez kanały 3091312 wirników 307 i 314 dla dotarcia do odpływu 304. Górna powierzchnia pokrywy 303 obudowy zaopatrzona jest w otwory 357 i 346 mieszczące cewki ruchomą 323 i stałą 324, wykorzystywane w sposób poniżej opisany do wyznaczania przemieszczenia kątowego między wirnikiem wewnętrznym 314 a wirnikiem zewnętrznym 307 przy przepływie płynu przez przepływomierz z fig. 3.

W praktyce wirnik wewnętrzny 314 umieszcza się wewnątrz wgłębienia 341 wirnika zewnętrznego 307. Pokrywę 317 wirnika następnie mocuje się za pośrednictwem wkrętów do górnej powierzchni wirnika zewnętrznego 307 za pomocąjego otworów gwintowanych 311. Podzespół następnie umieszcza się we wgłębieniu 338 obudowy 301. Pokrywa 303 obudowy mocuje się za pomocą wkrętów i otworów gwintowanych 326 i 328 do górnej powierzchni obudowy 301. Zmontowany przepływomierz następnie dołącza się do rurociągu (nie przedstawiony) przez dołączenie części zasilającej rurociągu do dopływu 302 płynu i dołączenie drugiej części rurociągu do odpływu 304 płynu. Przechodzenie poruszającego się płynu przez otwór 327 dopływu

181 170

302 do wewnętrznej części obudowy 301 powoduje obrót w lewo wirnika zewnętrznego 307 i wirnika wewnętrznego 314, podczas przechodzenia płynu przez promieniowe kanały 309 wirnika zewnętrznego, przez kanały promieniowe 312 wirnika wewnętrznego 314, i przez kanały 443 eliminatora 442 efektu ścinania płynu, który na stałe zamocowany jest do dolnej powierzchni pokrywy 317 wirnika. Płyn przechodzi dalej ku górze przez odpływ 304 płynu do rurociągu obsługiwanego przez przepływomierz.

Przepływ płynu przez kanały promieniowe 309 i 312 wirników 307 i 314 powoduje ich obrót w lewo. Podczas tego obrotu wirnik wewnętrzny 314 przesunięty jest kątowo względem wirnika zewnętrznego 307 z powodu sił Coriolisa działających na wirnik wewnętrzny. Przesunięcie kątowe umożliwiają właściwości skrętne osi skrętnej 329. Cewka stała 324 współdziała z magnesami 316 osadzonymi w wirniku wewnętrznym 314. Każda cewka wytwarza sygnały wyjściowe na przewodach 3 53 i 3 53 podczas przechodzenia obok tej cewki współpracujących z nią magnesów. Sygnał wyjściowy każdej cewki stanowi przebieg okresowy dzięki występowaniu wielu magnesów, z którymi współdziała każda cewka. Sygnały na przewodach 353 1353 podawane są do układów elektronicznych 351 miernika, który na podstawie otrzymanych sygnałów 352 i 353 wyznacza natężenie przepływu masowego i inne informacje.

Cewka ruchoma 323 jest ustawiona w sposób sterowany wewnątrz otworu 346. Pozwala to na wyregulowanie położenia cewki ruchomej 323 tak, aby wyjściowe przebiegi okresowe były współfazowe w warunkach braku przepływu w mierniku. Jest to potrzebne do celów kalibracyjnych. Położenie cewki ruchomej 323 wewnątrz otworu 346 blokuje się za pomocą elementu unieruchamiającego 348 i wkrętu 349, które wkręca się w otwór 347 przy dociśnięciu spodu elementu unieruchamiającego do górnej powierzchni cewki ruchomej 323, dla zapobieżenia jego dalszemu przemieszczaniu się. Po kalibracji sygnały wyjściowe tych dwóch cewek są współfazowe względem siebie dla warunków braku przepływu w przepływomierzu, lecz rozsunięte są czyli przesunięte w fazie względem siebie, w warunkach przepływu. To przesunięcie fazy jest proporcjonalne do natężenia przepływu masowego materiału przepływającego w przepływomierzu i wykorzystywane jest przez układy elektroniczne 351 miernika do wyznaczania natężenia przepływu masowego materiału.

Figura 4 przedstawia dalsze szczegóły konstrukcji przepływomierza z fig. 3, a zwłaszcza stanowi widok z góry konstrukcji z fig. 3. Na fig. 4 przedstawiono okrągłą obudowę 301 mieszczącą płyn, mającą dopływ 302 z otworem 327. Płyn z zasilającej części rurociągu (nie przedstawiona) przechodzi przez otwór 327 i wchodzi do wnętrza obudowy 301 mieszczącej płyn. Płyn wędruje w lewo, jak to pokazano na fig. 4, i wchodzi do części 407 kanału przepływu płynu utworzonej między wewnętrznąpowierzchniąwalcową405 obudowy 301 a obwodem 406 wirnika zewnętrznego 307. Płyn przechodzi dalej w lewo do części 407 o kształcie kołowym kanału przepływu płynu i wchodzi w otwory promieniowych kanałów 309 w wirniku zewnętrznym 307 i ostatecznie wchodzi w promieniowe kanały 309 w wirniku zewnętrznym 307 i stąd przechodzi przez odpowiednie kanały 312 w wirniku wewnętrznym 314. Dalej płyn wędruje w stronę środka wirnika wewnętrznego 314 i ostatecznie napotyka otwory w eliminatorze 342 efektu ścinania płynu. Każdy otwór 343 w eliminatorze 342 efektu ścinania płynu pokrywa się z jednym z promieniowych kanałów 312 w wirniku wewnętrznym 314. Eliminator 342 efektu ścinania płynu wpuszcza płyn z wielu promieniowych kanałów 312 w wirującym wirniku wewnętrznym 314i zmienia kierunek przepływu płynu, dla zebrania go w pojedynczym odcinku osiowym zaopatrzonym w otwór 337 odpływu 304.

Zespół wielu otworów 326 pod wkręty służy do mocowania pokrywy 303 obudowy do górnej powierzchni obudowy 301 mieszczącej płyn. Poza tym na fig. 4 przedstawiono zespół magnesów 316 w wirniku wewnętrznym 314, jak również zespół magnesów 344 osadzonych w pokrywie 317 wirnika. Wszystkie magnesy 344 są rozmieszczone w pokrywie 317 wirnika tak, że występująna przemian z gwintowanymi otworami 318 pod wkręty, co widać na fig. 3, lecz jest niewidoczne na fig. 4. Innymi słowy, otwory 318 pod wkręty i magnesy 344 rozmieszczone są na przemian w pobliżu obwodu pokrywy 317 wirnika. Cewka 324 reaguje na ruch magnesów 316, natomiast cewka 323 reaguje na ruch magnesów 344. Elementy 349 i 348 umożliwiają sterowaną

181 170 regulację położenia cewki 323 w otworze 346. Elementy 349 i 348 umożliwiająsterowanąregulację w otworze 346 położenia cewki 323. Położenie cewki 324 nie jest regulowane i dopasowana jest ona ciasno do wnętrza otworu 327.

Figury 4 i 5 ukazują kołek 402 wstawiony we wgłębienie 401 w wirniku wewnętrznym 314. Jak to pokazano na fig. 5, szczyt kołka 402 osadzonyjest w wirniku wewnętrznym 314, natomiast dół kołka 402, jak to przedstawiono na fig. 4, wpuszczony jest do wnętrza otworu 401. Kołek 402 i otwór 401 ograniczają wartość możliwego kątowego przesunięcia wzajemnego wirników 314 i 307. Ograniczenie przemieszczenia kątowego ogranicza naprężenia na osi skrętnej 329. Szczególnie korzystne jest to w warunkach rozruchu, gdyż w innym przypadku przemieszczenie wirnika wewnętrznego 314 mogłoby być wystarczająco duże do uszkodzenia osi skrętnej 329. Możliwe są inne przykłady wykonania mechanicznego. Tak więc, kołek 402 mógłby być osadzony w wirniku wewnętrznym 314 i wchodzić do otworu w wirniku zewnętrznym 307. Kołek 402 mógłby być osadzony w zewnętrznej ścianie 507 wirnika 307 i sięgać z boku fig. 5 do wnętrza otworu w obwodzie wirnika wewnętrznego 314. Kołek 403 i otwór 404 zapewniająpodobne ograniczenie kątowego przemieszczenia wirnika wewnętrznego 314 w taki sam sposób, j ak kołek 402 i otwór 401. Część 407 kanału przepływu płynu jest usytuowany między ścianą 507 wirnika zewnętrznego, pokrywą 317 wirnika zewnętrznego i powierzchnią wewnętrzną obudowy 301 mieszczącej płyn, włącznie z dolną powierzchnią pokrywy 303 obudowy.

Figura 6 przedstawia dalsze szczegóły urządzenia z fig. 3. Stanowi ona przekrój pionowy wzdłuż linii 6-6 z fig. 4. Na fig. 6 przedstawiono obudowę 301 mieszczącą płyn, zawierającą wirnik zewnętrzny 307 i wirnik wewnętrzny 314, wraz z promieniowymi kanałami 309 w wirniku zewnętrznym i kanałami 312 w wirniku wewnętrznym 314. Górna część wałka 331 zamocowana jest na stałe do dolnej części wirnika zewnętrznego 307 a jego spód zamocowany jest za pomocą pierścienia sprężynującego do łożyska oporowego 334. Cały zespół umieszczony jest wewnątrz pierścienia zewnętrznego 333 łożyska, który jest zaopatrzony w otwór do wprowadzania smaru stałego lub podobnego, i który oddziela gómączęść pokrywy 336 łożyska od łożyska oporowego 334 i spodu wałka 331. Wewnątrz i współosiowo względem wałka 331 znajduje się oś skrętna 329, która na swojej dolnej części zamocowanajest za pomocą wkrętu 332 do wałka 331 na swojej górnej części sztywno zamocowanej do dolnej części wirnika wewnętrznego 314. Płyn w części 407 kanału przepływu płynu zajmuje przestrzeń między wewnętrzną częścią obudowy 301 a wirnikiem zewnętrznym 307 i pokrywą 317 wirnika. Cewki 323 i 324 przedstawiono jako rozmieszczone wewnątrz pokrywy 303 obudowy. Przyporządkowane magnesy 344 i 316 przedstawiono jako osadzone, odpowiednio, w pokrywie 317 wirnika i górnej części wirnika wewnętrznego 314.

Na figurze 6 przedstawiono szczegółowo eliminator 342 efektu ścinania płynu. Kanały 343 eliminatora 342 efektu ścinania płynu przejmują przepływ płynu z wewnętrznej części 313 promieniowych kanałów 312 w wirniku wewnętrznym 314 i kierują go do otworu 337 w odpływie 304 płynu. Element 602 eliminatora 342 efektu ścinania jest stożkowy, dla nadania otrzymywanemu płynowi pewnej prędkości kątowej podczas jego wchodzenia w kanały 343. Eliminator 342 efektu ścinania płynu jest zamocowany na stałe do spodu płyty pokrywowej 317 wirnika, która z kolei zamocowanajest wkrętami 318 do wirnika zewnętrznego 307. To bezpośrednie sprzężenie między eliminatorem 342 efektu ścinania płynu i wirnikiem zewnętrznym 307 zapewnia, że płyn opuszczający wirnik wewnętrzny 314 wstępnie ma tę samą prędkość kątową co wirnik wewnętrzny. Ponieważ wychodzący płyn wiruje z tą samą prędkością co wirnik wewnętrzny, to nie może na wirnik wewnętrzny wywierać momentu obrotowego spowodowanego oporem lepkościowym. To odizolowanie wirnika wewnętrznego 314 od ujemnych oddziaływań lepkości wychodzącego płynu poprawia dokładność pomiaru przepływu masowego. W niektórych odmianach wykonania otwór 337 stanowi doprowadzenie płynu. Eliminator 342 efektu ścinania w takich odmianach wykonania realizuje tę samą funkcję odseparowywania.

Figura 7 ukazuje dalsze szczegóły urządzenia przedstawionego na fig. 4. Na fig. 7 przedstawiono obudowę 301 mieszczącą płyn, wirnik zewnętrzny 307 i wirnik 314 Coriolisa. Przedstawiono również promieniowe kanały 309 w wirniku zewnętrznym 307 i promieniowe kanały 312

181 170 w wirniku wewnętrznym 314 zespołu pomiarowego efektu Coriolisa. Część 407 kanału przepływu płynu między wewnętrzną częścią obudowy 301 mieszczącej płyn, a zewnętrzną częścią wirnika zewnętrznego 307 przejmuje przepływ płynu z otworu 327 dopływu 302. Przejęty płyn przepływa w lewo w części 407 kanału przepływu płynu i przechodzi promieniowymi kanałami 309 w wirniku zewnętrznym 307, wędruje przez promieniowe kanały 312 w wirniku wewnętrznym 314 i ostatecznie opuszcza miernik w odpływie 304 płynu. Podczas tego generowane są siły Coriolisa, które powodują wspomniane powyżej kątowe przemieszczenie między wirnikiem wewnętrznym 314 a wirnikiem zewnętrznym 307. Wartość bezwględnątego przemieszczenia kątowego mierzy się za pomocą cewek 323 współdziałających z magnesami 344 i 316, jak to już opisano. Eliminator 342 efektu ścinania płynu obraca się synchronicznie z wirnikiem zewnętrznym 307, przejmuje przepływ płynu z promieniowych kanałów 312 w wirniku wewnętrznym 314i kieruje ten przepływ ku górze i na zewnątrz przez odpływ 304 płynu i jego otwór 337.

Prędkość kątowa połączonych wirników można wyznaczyć z prawa zachowania momentu pędu. Moment pędu wchodzącego płynu wynosi:

I| ⁼ MjVjR₂ (12) gdzie:

I| - wejściowy moment pędu

M, - masa płynu wchodzącego

V! . prędkość płynu wchodzącego

R₂ - promień zewnętrzny zewnętrznego wirnika

I —= VR, M ^{1 2} (B) gdzie:

I/Mj - moment pędu właściwy płynu

Moment pędu płynu wirnika w połączonych wirnikach można wyznaczyć przez całkowanie względem R. Wirnik, zewnętrzny oraz Coriolisa, uważa się za pojedynczy zespół. R₂ jest to zewnętrzny promień wirnika zewnętrznego 307, a R[ stanowi promień osiowego kanału odpływowego na eliminatorze 342 efektu ścinania płynu.

Przekształcając równanie (12) w równanie różniczkowe otrzymuje się dla momentu pędu płynu wirnika:

6I_r=SM_rV_rR (14) gdzie:

I_R - moment pędu płynu wirnika

M_r - masa płynu wirnika

V_R - prędkość styczna płynu wirnika

Z równania (7) otrzymuje się:

δΜ = pA_hóR - nripSR (15) gdzie:

r - promień okrągłego otworu w wirniku p - gęstość płynu

Ponieważ z równania (14) V_R - caR, to podstawiając je i wstawiając równanie (15) do równania (14) i całkując otrzymuje się:

^R> (16)

I_R= J(nr²ÓRp)(_WR)(R) gdzie:

R_t - promień wypływu wirnika

R₂ - promień zewnętrzny wirnika ω - prędkość kątowa wirnika

181 170

Porządkując równanie (16) otrzymuje się:

Na podstawie równania (13), właściwy średni moment pędu najednostkę masy płynu w wirniku wyznacza się przez dzielenie równania (18) przez masę płynu znajdującego się w wirniku. Masa płynu jest równa objętości kanału promieniowego pomnożonej przez gęstość płynu. Przy tym otrzymuje się następujące wyrażenie:

I_R J_OT ² _Pq)(R;-R;)(19)

M_r 3^²p(R₂-R,)

Upraszczając równanie (19) otrzymuje się:

I_R ω(^-^)(20)

M_r ~3(R₂-R,)

Jeżeli założymy, że promień, R], okna wyjściowego jest mały (zerowy) w stosunku do zewnętrznego promienia wirnika zewnętrznego, R₂, to równanie (20) przechodzi w:

I_R uR² ₂(21)

M_r~ 3

Na mocy zachowania momentu pędu właściwy moment pędu płynu w wirnikach, I_R/M_R, jest równy właściwemu momentowi pędu płynu, Ij/M_r Otrzymuje się wtedy:

ωR V₂R₂(22

3' z równań 14, 21 gdzie: V₂ = o>R₂, otrzymuje się:

V₂ = 3v,(23) gdzie:

V₂ - prędkość styczna wirnika przy R₂

V_t - prędkość płynu wchodzącego

Te obliczenia wykazują, że prędkość styczna obwodu wirnika zewnętrznego 307 jest równa trzykrotnej prędkości stycznej płynu wchodzącego (przy zaniedbaniu oporu). Wyniki doświadczalne wykazują, że nawet przy oporze lepkościowym i łożyskowym, obwód wirnika ma większą prędkość, niż wchodzący płyn. Wchodzący płyn zostaje gwałtowanie przyspieszony w kierunku stycznym i wpływa do wirnika zewnętrznego. Przy dalszej wędrówce płynu promieniowo do wewnątrz, jego prędkość styczna zmniejsza się wraz z promieniem, aż do osiągnięcia, w pobliżu osi wirnika, prędkości stycznej bliskiej zeru. Na wirnik zewnętrzny 307 oddziałuje moment oporu spowodowany nagłym przyspieszeniem płynu, jak również opór lepkościowy oraz opór łożysk. Działa nań również moment obrotowy w kierunku wirowania, spowodowany opóźnieniem stycznym (Coriolisa). Wirnik wewnętrzny 314 zespołu pomiarowego efektu Coriolisa otoczony jest przez wirnik zewnętrzny 3 07 i dlatego działa nań tylko moment obrotowy Coriolisa w kierunku wirowania. W równowadze, wirnik wewnętrzny dostarcza momentu napędowego,

181 170 podczas gdy wirnik zewnętrzny dostarcza momentu równego momentowi oporowemu i przeciwnie skierowanego.

Oś skręta 329 w postaci drążka skrętnego, która łączy wirnik wewnętrzny 314 z wirnikiem zewnętrznym 307 umożliwia kątowe przesunięcie między nimi, które jest proporcjonalne do momentu obrotowego. Przesunięcie kątowe mierzy się za pośrednictwem napięcia generowanego w cewkach ruchomej 323 i stałej 324 przez magnesy 316 i 344. Magnesy 316 zamocowane są do wirnika wewnętrznego 314 a magnesy 344 zamocowane są do pokrywy 317 wirnika. Stosuje się magnesy w liczbie dostatecznie dużej, tak że w cewkach indukowane są ciągi impulsów napięciowych powodując wystąpienie w przybliżeniu sinusoidalnego przebiegu wyjściowego każdej cewki.

Okresowe przebiegi wyjściowe z cewki ruchomej 323 wyrównywane podczas montażu przepływomierza, tak że przy zerowym przepływie nie występuje żadne przesunięcie fazowe. Odbywa się to przy napędzaniu obrotowym wirników za pomocą silnika przy pustym przepływomierzu i zdjętej pokrywie łożyskowej 336 dla umożliwienia czasowego połączenia silnika z osią wirnika. Cewkę ruchomej 323 przemieszcza się tak, aby zmieniać kąt fazowy między wyjściowymi przebiegami okresowymi cewek 323 i 324. Po wyrównaniu przebiegów sinusoidalnych (zerowym kącie fazowym) blokuje się położenie cewki ruchomej 323. Można wykazać, że po wykalibrowaniu sygnału wyjściowego miernika, przedział czasu między przejściem obu przebiegów sinusoidalnych jest proporcjonalny do natężenia przepływu masowego i nie zależy od obrotów wirnika.

Wykazać to można w sposób następujący:

Φ = ωΤ gdzie:

Φ - przemieszczenie kątowe ω - prędkość kątowa

T - odstęp czasu między falami lecz τ ,

Φ - —— (równanie sprężyny skrętnej ) K gdzie:

x - moment Coriolisa (równanie (11))

K_s - stała sprężyny skrętnej z równań 11, 24, 25:

(R² ₂ - R²,)

Φ=ωΤ=Μω—-K s

(24) (25) (26)

Uwaga: i R^ są to promienie, wewnętrzny i zewnętrzny, wewnętrznego wirnika (Coriolisa).

Zatem:

_T M(R;₂-R^) (27)

K s

Równanie (27) wykazuje, że przedział czasu między momentami mijania magnesów jest wprost proporcjonalny do natężenia przepływu masowego. Jest on niezależny od oporu w łożyskach, oporu lepkościowego i od prędkości obrotowej. Tak więc wynalazek rozwiązuje problemy związane ze znanymi rotacyjnymi przepływomierzami masowymi.

Fakt, że pomiar przepływu masy za pomocąurządzenia według niniejszego wynalazku jest niezależny od prędkości obrotowej, ma jeszcze jedną zaletę . Umożliwia on ukształtowanie kanałów płynowych (kanałów promieniowych) zapewniające zmniejszenie spadku ciśnienia na mierniku. W przemyśle dokonuje się prób zminimalizowania spadku ciśnienia w układach hy

181 170 draulicznych ze względu na straty energii. Wszystkie przepływomierze wykorzystujące pomiar efektu Coriolisa wytwarzają spadek ciśnienia przepływającego płynu. Spadek ciśnienia w mierniku z fig. 3 wynika głównie z konieczności promieniowego przepływu płynu do wewnątrz, przeciw działaniu siły odśrodkowej obracającego się wirnika. Prędkość obrotowa wirnika i spadek ciśnienia przepływomierza można zminimalizować przez zakrzywienie kanałów płynowych, tak aby na obwodzie wirnika ich otwory zwrócone były w kierunku wirowania, jak to pokazano na fig. 8.

Na figurze 8 przedstawiono rotacyjny przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa podobny do przedstawionego na fig. 3 lecz z czerpakami na zewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego 807, dla zmniejszenia obrotów wirnika. Przepływomierz w tym przykładzie wykonania zawiera obudowę 301 mieszczącą płyn, zaopatrzoną w styczny dopływ 302 płynu, którego otwór 327 umożliwia przepływ płynu do części 407 kanału przepływu płynu w obudowie 301. Przepływomierz z fig. 8 ma wirnik zewnętrzny 807 i wirnik wewnętrzny 314. Część 407 kanału przepływu płynu usytuowana jest między powierzchnią wewnętrzną obudowy 301 mieszczącej płyn, a powierzchnią zewnętrzną wirnika zewnętrznego 807 ijego pokrywa 303 (nie przedstawioną na fig. 8).

Wirnik zewnętrzny 807 jest porównywalny z wirnikiem zewnętrznym 307 z fig. 3 z tym wyjątkiem, że jego obwód zaopatrzony stanowi zespół elementów 801 z powierzchniami prostopadłymi. Wirnik wewnętrzny 314 ma zespół promieniowych kanałów 312, podobnie jak wirnik wewnętrzny 314 z przykładu wykonania z fig. 3. Kanały 309 w wirniku zewnętrznym 307 z przykładu wykonania z fig. 3 w przykładzie wykonania z fig. 8 zastąpiono kanałami 802 wirnika zewnętrznego 807, które posiadają odcinki prostopadłe. Otwór wewnętrzny 804 każdego odcinka prostopadłego kanału 802 jest usytuowany w jednej osi z dopasowanym do niego promieniowym kanałem 312 w wirniku wewnętrznym 314. Otwór zewnętrzny 803 odcinka prostopadłego kanału 802 wirnika zewnętrznego 807 pełni funkcje czerpakową. Wewnętrzny koniec każdego promieniowego kanału 312 w wirniku 807 znajduje się na wprost kanału 343 eliminatura 342 efektu ścinania płynu, który pełni tę sama funkcję, co eliminator 342 efektu ścinania płynu z przykładu wykonania z fig. 3. Mianowicie, eliminator 342 efektu ścinania płynu przejmuje przepływ płynu z promieniowych kanałów 312 i kieruje go osiowo ku górze, także płyn opuszcza przepływomierz przez otwór przelotowy 337 odpływu 304 płynu bez eliminatora efektu ścinania płynu znajdującego się na wirniku wewnętrznym 314.

Równanie (23) wykazuje, że prędkość na obwodzie wirnika zewnętrznego 307 w przykładzie wykonania z fig. 3 jest trzykrotnie większa od prędkości płynu dochodzącego. W przykładzie wykonania z fig. 8, prędkość na obwodzie wirnika zewnętrznego 807 jest nieco większa, niż prędkość płynu dopływającego. Natomiast otwory wewnętrzne 803 odcinków prostopadłych kanałów 802 czerpią płyn podczas wirowania wirnika zewnętrznego 807 z prędkością wyższą, niż prędkość płynu dopływającego. Powoduje to wtłaczanie płynu dopływającego w otwór zewnętrzny 803 kanału 802, przez wirnik zewnętrzny 807 i, z kolei, przez promieniowe kanały 312 w wirniku wewnętrznym 314. Przy tym energia dynamiczna płynu dopływającego zostaje przetworzona w ciśnienie płynu, co osłabia obrót wirników zewnętrznego 807 i wewnętrznego 314 zmniej szając spadek ciśnienia na przepływomierzu. Siła reakcyjna wytwarzana przy tej konwersji energii powoduje również zwolnienie rotacji wirnika wewnętrznego i wirnika zewnętrznego, zmniejszając tym samym siłę odśrodkową w dopływającym płynie. To z kolei, nadal zmniej sza spadek ciśnienia w przepływomierzu z fig. 8. Przykład wykonania z fig. 8 jest podobny pod wszystkimi innymi względami do przykładu z fig. 3-7, włącznie ze sposobem połączenia wirników sobą i z obudową 301 mieszczącą płyn za pomocą wałów, łożysk i tym podobnych.

Chociaż kanały 802 wirnika zewnętrznego 807 mogą być zakrzywione lub zaopatrzone w odcinki prostopadłe, to kanały 312 wirnika wewnętrznego 314 są proste, z tego powodu, że zakrzywienie kanałów 312 wirnika wewnętrznego 314 powoduje powstawanie momentu obrotowego na wirniku wewnętrznym 314, proporcjonalnego do prędkości płynu, a zatem zależnego od gęstości płynu. Jest to niepożądane. Zależność prędkości można przedstawić w odniesieniu do fig. 9 przez rozkład sił przyspieszenia płynu na dwie składowe sumacyjne; wywołane ruchem obrotowym wirnika o kanałach prostych, i wywołane zakrzywieniem kanałów. Składowa momentu

181 170 obracającego się wirnika została już wyznaczona (równanie (11)). Rozwiązanie dla składowej momentu spowodowanej krzywizną upraszcza się przy założeniu, że dowolną krzywą, jak na przykład elementu 902, można zredukować do szeregu krótkich odcinków zakrzywionych o stałym promieniu. Rozwiązanie dla krzywej o stałym promieniu można zatem rozciągnąć na krzywą dowolną.

Na figurze 9, środek krzywizny zakrzywionego odcinka kanału przepływowego 902 przedstawiono jako umieszczony dowolnie w odniesieniu do osi wirnika, 903. Siłę na tym zakrzywionym odcinku przepływu 902 można obliczyć z dobrze znanego równania siły odśrodkowej, które wyraża się następująco:

„ MV² (28)

F =---curve gdzie:

M - masa

- prędkość

- promień krzywizny, 907

Równanie różniczkowe na siłę odśrodkowądziałającąna zakrzywiony kanał przepływowy 902 z fig. 9 jest następujące:

_e ÓMV² óF =-----cos0 curve £ (29) gdzie:

δΜ - różniczka masy płynu

V - prędkość płynu r - promień krzywizny

Różniczka siły dF_curve 914 na każdym różniczkowym elemencie 912 masy, dM skierowana jest w kierunku promieniowym odcinka 902 rury. Θ jest to kąt między dF_curve 914 a dwusieczną 906 odcinka o stałym przekroju zakrzywionego kanału przepływowego 902. dF_curve 914 rozbita jest na jej składowe ortogonalne, dF_curvesin0 916 i dF_curvecos0 913. Składowe sinusoidalne dla dodatniego 0 będą kompensowały składowe dla ujemnego 0 podczas sumowania sił dla całego odcinka zakrzywionego. Wszystkie składowe kosinusoidalne dF_curve są dodatnie i równoległe do linii 906, a zatem są addytywne. Zatem równanie dla łącznej siły odśrodkowej przechodzi w następujące:

| ,(30) fV“

F = ΙδΜ — cos0 curve *<.

ąr gdzie:

- kąt między różniczką siłą 914 a dwusieczną krzywej 902

0_C - długość kątowa zakrzywionego kanału przepływowego δΜ = pA_hr50 gdzie:

p - gęstość płynu

A_h - pole przekroju poprzecznego kanału

- kątowy wymiar krzywej w radianach

Zatem,

Ą

F = jMV cos0ó0 curve ^J

Równanie (9) wyraża M jako:

M = pA_hV (31) (32 (33)

181 170 (34) (35)

Wstawiając równanie (33) w równanie (32) otrzymuje się: F = [mFcos0ó0 curve

Przez scałkowanie równania (34) otrzymuje się:

. 0

F = 2MVsin— curve 2

Moment obrotowy na wirniku wywołany wektorem 906 siły, F_curve, jest równy iloczynowi wektorowemu F_curve i wektora R 904 łączącego oś wirnika ze środkiem krzywizny.

Przez wyznaczenie iloczynu wektorowego tych dwóch wektorów i podstawieniu do równania (35) na F_curve, otrzymuje się:

®(36) τ = 2RMV sin— sina curve2 gdzie:

R - wektor promieniowy 904 od środka 907 wirnika do środka 901 krzywej a - kąt między wektorami 904 i 906

Znaczącym czynnikiem w równaniu (36) jest wyraz oznaczający prędkości płynu, V. Fakt, że moment obrotowy na wirniku jest proporcjonalny do prędkości płynu znaczy, że płyny o różnej gęstości przepływające przy tym samym natężeniu przepływu masowego dadząw wyniku różne zmierzone wartości momentu obrotowego a zatem różne wskazywane przepływy masowe. Jest to niepożądane. Jeżeli miernik ma być niewrażliwy na gęstość płynu, to kanały płynowe w wirniku wewnętrznym nie powinny mieć zakrzywienia w płaszczyźnie wirnika. Jednakowoż kanały płynowe, które są zakrzywione i znajdująsię w płaszczyźnie, w której znajduje się oś wirnika nie oddziałują niekorzystnie na moment obrotowy spowodowany efektem Coriolisa powstający na wirniku. W tym przypadku wektor siły odśrodkowej przecina się z osią wirnika i nie wytwarza momentu obrotowego na wirniku. W celu wytworzenia na wirniku momentu obrotowego wektor siły odśrodkowej powinien być przykładany z przesunięciem względem osi wirnika.

Figura 13 ukazuje zakrzywiony kanał w wirniku wewnętrznym 314 mający wektor 1306 siły znajdujący się w tej samej płaszczyźnie, co oś 1304 wirnika wewnętrznego 314. W tym przypadku wektor 1306 siły spowodowany tym zakrzywieniem w kanale 1302 nie ma wpływu na ruch obrotowy wirnika. Z drugiej strony, gdyby promieniowy kanał, na przykład 312 w wirniku wewnętrznym z fig. 8 był zakrzywiony tak, że zakrzywione znajdowałoby się w płaszczyźnie wirnika i zatem było widoczne na fig. 8, to wynikowy wektor siły nie przecinałby się z osią środkową wirnika wewnętrznego a zatem wytwarzałyby wypadkowy moment obrotowy wywierający moment obrotowy nadający wirnikowi wewnętrznemu pewne przemieszczenie kątowe względem wirnika zewnętrznego.

Kanały w wirniku zewnętrznym 307 wykonania z fig. 3 i 4 nie muszą być promieniowe i mogą być w razie potrzeby zakrzywione, jak to pokazano na fig. 8, w celu zmniejszenia obrotów wirnika i spadku ciśnienia na przepływomierzu. Jakkolwiek krzywizna kanałów 802 wirnika zewnętrznego 807 oddziałuje na prędkość kątową wirnika zewnętrznego 807, jak również wirnika wewnętrznego 314, to nie oddziałuje na właściwości pomiaru przez przepływomierz przepływu masy, ponieważ czynnikiem krytycznym jest opóźnienie czasowe obrotu wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego. Podobnie, czynniki takie, jak lepkość płynu, opór w łożyskach i inne straty mogązmniejszyć prędkość kątową zarówno wirnika wewnętrznego, jak i wirnika zewnętrznego. Jednakowoż nie oddziałuje to samo w sobie na wirnik wewnętrzny. Opóźnienie czasowe wirnika wewnętrznego w odniesieniu do wirnika zewnętrznego pozostaje nie zmienione i nie wpływająna nie czynniki takie, jak lepkość płynu, tarcie w łożyskach lub krzywizny kanałów wirnika zewnętrznego. Podsumowując, kanały płynowe w wirniku zewnętrznym

181 170 nie muszą być promieniowe i mogą być zakrzywione, jak to pokazano na fig. 8 dla zmniejszenia obrotów silnika i spadku ciśnienia miernika.

W przykładzie wykonania z fig. 10 przedstawiono przykład wykonania przepływomierza zawierającego wirnik wewnętrzny 314 zespołu pomiarowego efektu Coriolisa osadzony współśrodkowo z wirnikiem zewnętrznym 1001 zaopatrzonym na obwodzie zewnętrznym w otwory strumieniowe. W tym przykładzie wykonania płyn wchodzi do przepływomierza na jego środku przez otwór 337 odpływu 304 i ulega przyspieszeniu stycznemu (przyspieszeniu Coriolisa) w miarę posuwania się na zewnątrz przez promieniowe kanały 312 w obracającym się wirniku wewnętrznym 314 i przez kanały 1002 w wirniku zewnętrznym 1001. W wirniku zewnętrznym 1001 kanały płynowe 1002 mają zakręt o 90°, tak że płyn wychodzi stycznie przez dysze 1003. Siła reakcyjna płynu, przy dokonywaniu zakręcenia o 90° powodują obracanie się wirnika zewnętrznego 1001. Dodatkowo można zwiększyć prędkość obrotową przez zwężenie ,pola zewnętrznego 1001. Przepływomierz w przykładzie wykonania z fig. 10 mierzy przepływ masowy płynu dokładnie tak samo, jak uprzednio opisane przykłady wykonania przepływomierzy, przez pomiar przesunięcia kątowego między wirnikami, zewnętrznym 1001 i Coriolisa 314. Prędkość kątową w równowadze wirnika napędzanego strumieniami można obliczyć dla przypadku bez tarcia. Moment obrotowy odrzutu jest równy indukowanemu oporowi Coriolisa i przeciwnie skierowany, określając warunki równowagi. Siłę odrzutu strumieni wyznacza się ze zmiany momentu pędu płynu przy zmianach kierunku i przyspieszeniach.

Dobrze wiadomo, że:

Γ. = ρν/Α| (37) gdzie: p - gęstość płynu

F_t - siła odrzutu strumienia swobodnego

Vj - zmiana prędkości płynu w strumieniu

Aj - pole strumienia

Na mocy równania (4) moment obrotowy określa się jako:

τ = RF (37.1) gdzie:

F - siła

R - odległość

Wstawienie równania (37) do równania (37.1) daje:

^tj ⁼(38) gdzie:

τ - moment napędowy

R₂ - zewnętrzny promień wirnika - promień dla strumienia Z równania (9): pVA = M(39)

Wstawiając równanie (39) w równanie (38) otrzymuje się:

= M Vj R₂ - moment napędowy strumienia(40)

M VjR₂ = M(o(R₂ ²-R|²)(41)

Przy wirniku w równowadze, moment Coriolisa jest równy momentowi napędowemu strumienia z równania (40).

Zlikwidujmy M po obu stronach równania (41) dla otrzymania:

V_jR₂ = _W(R₂ ²-R₁ ²) (41.5)

Jeżeli promień wlotu osiowego, Rj, dąży do zera, to:

181 170

VjR₂ = ω R₂ ² - V₂R₂ (42) gdzie:

V₂ - prędkość styczna wirnika należy zauważyć, że V₂ = ω R₂

Wtedy

Vj=V_t (43) gdzie:

Vj - prędkość płynu w strumieniu

V_t - prędkość styczna wirnika

Wykazuje to, że w przypadku układu beztarciowego prędkość obwodowa wirnika jest równa prędkości wylotowej w strumieniach i jest przeciwnie skierowana. Zatem po opuszczeniu wirnika pozostaje z zerową prędkością kątową. Ma to sens, kiedy wchodzi on do wirnika z zerową prędkością kątową i przy założeniu beztarciowości łożysk wirnika. Pozostaje to w kontraście do przykładu wykonania z fig. 3, gdzie prędkość styczna wirnika jest w przybliżeniu trzykrotnie większa od prędkości płynu. Co się tyczy przykładu wykonania przepływomierza z fig. 10, gdyby prędkość płynu w strumieniach była dokładnie równa prędkości stycznej wirnika, płyn nie opuszczałby otworu 327 w oknie wyjściowym 302. W praktyce nie stanowi to problemu, ponieważ z powodu strat w łożyskach i strat z tytułu lepkości płynu, prędkość styczna V_t wirnika jest mniejsza od tej prędkości bez tarcia, a zatem V_t jest mniejsze od Vj. Umożliwia to skierowanie płynu w prawo na fig. 10 i przez otwór 327 okna wyjściowego z przepływomierza. Szczegóły mechaniczne połączenia wirników w przykładzie wykonania z fig. 10 z obudową 301 mieszczącą płyn nie zostały przedstawione na fig. 10, ponieważ takie szczegóły sąpodobne do przedstawionych na fig. 3-7.

Przykład wykonania przepływomierza z wirnikiem strumieniowym z fig. 10, w przypadku niektórych zastosowań ma pewne zalety w stosunku do poprzednich przykładów wykonania, ponieważ płyn wędruje promieniowo na zewnątrz, a zatem siła odśrodkowa wzmaga przepływ płynu i zmniejsza spadek ciśnienia. Źródłem pierwotnym spadku ciśnienia w przykładzie wykonania do trybu pracy strumieniowej z fig. 10 jest przyspieszenie płynu w dyszach 1003 wirnika zewnętrznego 1001. Przyspieszenie można zmniejszyć zwiększając przekrój strumienia. Dajeto małą prędkość obrotową wirnika i mały spadek ciśnienia przy dużych natężeniach przepływu. Jest to dobre w przypadku zastosowań, w których natężenie przepływu waha się między przepływem dużym a przepływem zerowym, jak na przykład w przypadku ładowarki torowej lub przy transferze awaryjnym. Niestety, ta konstrukcja daje małą sprawność przy małych natężeniach przepływu.

Sprawność przy małych wartościach natężenia przepływu jest zła z powodu małej prędkości wirnika. Prędkość wirnika oddziałuje na dokładność na dwa sposoby. Pierwszy jest oczywisty. Przy bardzo małych wartościach przepływu siły oporu stają się większe od sił ciągu i wirnik zatrzymuje się. Brak wyjściowego przebiegu sinusoidalnego z cewek ruchomej 323 i stałej 324 (fig. 3) oznacza brak możliwości pomiaru przepływu. Drugi sposób, w jaki prędkość obrotowa wirnika wpływa na dokładność jest bardziej subtelny. Równanie (25) wykazuje, że opóźnienie czasowe między przebiegami okresowymi z cewek ruchomej 323 i stałej 324 jest niezależne od prędkości obrotowej. Parametrem degradującym się przy małej prędkości obrotowej jest stosunek sygnału do szumu.

Szum przy pomiarze opóźnienia czasowego może być pochodzenia elektrycznego lub mechanicznego. Przykładem mechanicznego źródła szumu są niewielkie oscylacje kątowe wirnika wewnętrznego mogące wystąpić w wyniku skrętnej wibracji z zewnątrz (rurociągu). Oscylacje te mogą powodować niedokładność kąta fazowego wynikającego z siły Coriolisa. Niedokładność kąta fazowego mógłby również dawać szum elektryczny w sygnałach wyjściowych. Przy małym natężeniu przepływu można założyć, że szum jest niezależny od natężenia przepływu. Równania dla opóźnienia czasowego, wynikające z równania (24) z uwzględnieniem szumu, przedstawiono poniżej.

181 170

Φ±Υ Φ Υ τ=---=—±ω ω ω (44) gdzie:

Τ - opóźnienie czasowe

Φ - opóźnienie fazowe

Υ - niedokładność kąta fazowego ω - prędkość kątowa

Opóźnienie fazowe, Φ, jest proporcjonalne do ωζ równania (11).

τ Mo(R^Rj) κ^- K ss gdzie:

Kj - stała sprężyny skrętnej

Podstawienie równania (45) do równania (44) daje w wyniku:

Mro(R²-R²) Y(46)

T =--—— ± — k ω ω s

Upraszczając przez ω otrzymuje się:

M(R²-R²) γ(47)

T=----— ± — k ω s

Należy zauważyć, że jakkolwiek indukowana przepływem część opóźnienia czasowego, T, j est niezależna od ω, to część opóźnienia czasowego odnosząca się do niedokładności opóźnienia czasowego ma ow mianowniku. Zatem, przy bardzo małej prędkości wirnika, niedokładność opóźnienia czasowego (i prędkości przepływu) staje się bardzo duża.

Jednym ze sposobów przezwyciężenia tych samoistnych problemów małej wartości przepływu w mierniku pracującym w trybie strumieniowym z fig. 10 jest przeprowadzenie wałka 331 przez obudowę 301 mieszczącą płyn, i obracanie wirnika zewnętrznego 1001 za pomocą silnika, w sposób pokazany na fig. 17, gdzie z wałkiem 331 połączony jest silnik 1701. Wirnik zewnętrzny 1001 może wtedy być obracany szybko nawet przy małym natężeniu przepływu, i opóźnienie czasowe, T, pozostaje niezmienne przy znacznym zmniejszeniu zaszumienia sygnału. Przy dużych wartościach natężenia przepływu, odrzut strumieni płynu daje większość mocy obracania i zapotrzebowanie energii silnika jest małe.

Znane rotacyjne przepływomierze Coriolisa zaopatrzone były w napędy silnikowe i mierzyły moment obrotowy na silniku napędowym w celu określenia momentu Coriolisa na pojedynczym wirniku. Na silnik oddziaływał zatem opór w łożyskach, opór uszczelek i opór lepkościowy. Te opory wprowadzały błąd do pomiaru przepływu. Według niniejszego wynalazku dzięki konstrukcji z wirnikiem wewnątrz innego wirnika, zapewnia się odizolowanie wirnika pomiarowego Coriolisa od wspomnianych powyżej źródeł oporu, co daje podwyższenie dokładności miernika.

Podsumowując, tryb strumieniowy pracy z fig. 10 ze wspomaganiem silnikowym zapewnia dokładne pomiary w szerokim zakresie przepływu. Ponadto, przy dużych wartościach natężenia wykazuje on mały spadek ciśnienia i małe zużycie mocy.

Na figurze 13 przedstawiono przepływomierz nieco podobny do przedstawionego na fig. 6, w tym, że zawiera eliminator 342 efektu ścinania, wirnik zewnętrzny 307, wirnik wewnętrzny 314 zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, wałek 331 wirnika zewnętrznego i oś skrętna dla wirnika wewnętrznego 314. Na fig. 6 kanały 312 w wirniku wewnętrznym 314 i kanały 309 w wimi

181 170 ku zewnętrznym 307 są promieniowe. W odróżnieniu od tego, na fig. 13, kanał 1302 w wirniku wewnętrznym 314 jest zakrzywiony, podobnie jak kanał 1301 w wirniku zewnętrznym 307. Zakrzywienie kanałów 1302i 1301 nie ma wpływu na obracanie się tych dwóch wirników ani na przemieszczenie kątowe wirnika wewnętrznego 314 względem wirnika zewnętrznego 307. Powodem tego jest to, że wektor siły generowanej przez zakrzywienie kanału 1302, jak na przykład wektor siły 1306 znajduje się w tej samej płaszczyźnie, w której leży oś 1304 układu wirnikowego.

Dla odróżnienia, dowolna krzywizna kanału 312 wirnika wewnętrznego 314 na fig. 7 wytworzyłaby wektor nie znajdujący się w płaszczyźnie osi środkowej układu wirnikowego, a zatem wypadkowy wektor siły miałby wpływ na ruch obrotowy układu wirnikowego z fig. 7. Urządzenie z fig. 13 przedstawiono tylko szkicowo, ponieważ jest ono identyczne z przedstawionym na fig. 6, z wyjątkiem zakrzywienia 1302 i 1301, odpowiednio, w wirniku wewnętrznym 314 i wirniku zewnętrznym 307.

Szczegóły mechaniczne połączenia wirnika zewnętrznego 307 i wirnika wewnętrznego 314 za pomocą wałów lub tym podobnych z obudowąnie zostały przedstawione na fig. 13, ponieważ są one bardzo podobne do przedstawionych na fig. 3-7

Figury 11 i 12 ukazują liniowy rotacyjny przepływomierz 1100 zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa mający dopływ 1102 i odpływ 1106 współosiowy z centralną osią układu wirnikowego przepływomierza. Przepływomierz 1100 poza tym zawiera obudowę 1101 mieszczącą płyn i pokrywę 1104 obudowy, która zamocowana jest do obudowy 1101 mieszczącej płyn za pomocą wkrętów 1117. W skład elementów znajdujących się wewnątrz obudowy 1101 mieszczącej płyn, wchodzi wirnik zewnętrzny 1114 zainstalowany na wale centralnym 1123, wirnik wewnętrzny zespołu pomiarowego efektu Coriolisa (nie przedstawiony) wpuszczony w wirnik zewnętrzny 1114 i zaopatrzony w oś w postaci drążka skrętnego, wpuszczoną w głąb osi 1123. Wirnik zewnętrzny 1114 zawiera zespół kanałów 1116, które współpracują z odpowiednimi kanałami w wirniku wewnętrznym. Odpływ 1106 płynu cofnięty jest w głąb tulei 1108 zamocowanej do pokrywy 1104 obudowy za pomocą wkrętów (nie przedstawione). Oś 1123 przytrzymywanajest wewnątrz elementu 1112 za pomocą łożysk 1121 i 1119 oraz pierścienia sprężynującego 1122 po lewej stronie wału 1123 w odniesieniu do przedstawienia na fig. 11.

W praktyce płyn wchodzi do przepływomierza 1100 przez otwór 1103 dopływu 1102 i kierowany jestprzez elementy prowadzące 1111,1112 do obwodu wirnika zewnętrznego 1114 i jego kanałów 1116. Spiralne kanały 1113 w elementach prowadzących 1111 i 1112 są zakrzywione, jak to pokazano na fig. 12, tak, że osiowy przepływ płynu wchodzącego w otwór 1103 ulega konwersji na przepływ styczny przy opuszczaniu przezeń spiralnego kanału 1113 i wchodzi do części 1124 kanału przepływu płynu, która stanowi przestrzeń między obwodem zewnętrznym wirnika zewnętrznego 1114 a wewnętrzną powierzchnią obudowy 1101 mieszczącej płyn. Dzięki spiralnym kanałem 1113 płyn wchodzi do części 1124 kanału przepływu płynu tak, że przepływ jest styczny względem obwodu wirnika zewnętrznego 1114. Ta styczna prędkość płynu powoduje obrót układu wirnikowego, wraz z wirnikiem zewnętrznym 1104, wokół jego osi 1123. Płyn wchodzi w kanały 1116 w taki sam sposób, jak opisany w przypadku poprzednich odmian wykonania włącznie z odmianami wykonania z fig. 3 i 7. Zatem, płyn wchodzi w kanały 1116 obracającego się wirnika zewnętrznego 1114, przechodzi przez odpowiednie kanały w wirniku wewnętrznym i uchodzi z przepływomierza za pośrednictwem elementu porównywalnego z eliminatorem 342 efektu ścinania i 343 z fig. 3. Stąd płyn przepływa na prawo, według fig. 11, przez odpływ 1106 płynu i jego otwór 1107.

Elementy prowadzące 111111112 zawieraj ą spiralne kanały 1113 zapewniaj ące konwersj ę osiowego wejściowego przepływu płynu z otworu 1103 dopływu 1102 do kierowania płynu stycznie względem zewnętrznej powierzchni wirnika zewnętrznego 1114. Element prowadzący przedni 1111 zamocowany jest do elementu prowadzącego tylnego 1112 wkrętami 1118. Element prowadzący przedni 1111 można odłączyć od elementu prowadzącego tylnego 1112 za pomocą wkrętów 1118 w razie potrzeby, ze względów konserwacyjnych dla wymiany lub sprawdzenia łożysk 1119i 1121. Wkręty 1161 na fig. 12 mocują obudowę 1101 do elementu prowadzącego tylnego 1112.

181 170

Cewki stała 1131 i ruchoma 1132 współpracują z magnesami (nie przedstawione) w wirniku zewnętrznym 1114 i wirniku wewnętrznym przy generacji sygnałów wyjściowych wykorzystywanych przez układy elektroniczne 1140 miernika dla pomiaru natężenia masowego przepływu płynu i zapewnienia innych informacji.

Przepływomierz w przykładzie wykonania z fig. 11 i 12 korzystnie jest zaopatrzony również w kołek podobny do kołka 402 (fig. 4) dla ograniczenia obrotu kątowego wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego 1114. Kołek ten korzystnie odchodzi od zewnętrznego wirnika 1114 i wchodzi do wnętrza otworu w wirniku wewnętrznym, podobnego do otworu 401.

Wszystkie uprzednio omówione przykłady wykonania, z wyjątkiem tej z fig. 11 i 12, przedstawiają przepływomierz z jednym oknem dla płynu w kierunku osiowym i jednym w kierunku stycznym. Często pożądane jest ze względu na koszty instalacyjne dysponować dwoma współosiowymi oknami płynowymi (dopływem/odpływem). Na fig. 14,15,16 i 19 przedstawiono przykład wykonania przepływomierza posiadającego obudowę wirnika z podstawą 1401 oraz pokrywą 1407, które na kołnierzach 1402 i 1408 sąskręcone śrubami lub podobnymi elementami przechodzącymi przez kanały 1419. Pokrywa 1407 obudowy ma cylindryczny dopływ 1404 płynu i otwór 1406, który przejmuje płyn z rurociągu podającego (nie przedstawione). Podstawa 1401 obudowy zawiera przedstawiony na fig. 15 cylindryczny odpływ 1403 z otworem 1519.

Przepływomierz z fig. 14 zawiera dodatkowo pokrywę 1409 wirnika zewnętrznego 307, eliminator 1411 efektu ścinania płynu, wirnik wewnętrzny 1412 i wirnik zewnętrzny 1414. W taki sam sposób, jak w przypadkach uprzednio opisanych, odmiana wykonania, wirnik wewnętrzny 1412 jest wciśnięty we współosiowe z nim wgłębienie w wirniku wewnętrznym 1412. Eliminator 1411 efektu ścinania płynu zamocowany jest, jak to opisano poniżej, do wirnika zewnętrznego 1414 i obraca się wokół centralnej osi 1434 współfazowo z wirnikiem zewnętrznym 1414. Działanie eliminatora 1411 efektu ścinania płynu jest takie samo, jak eliminatora 342 efektu ścinania płynu na fig. 3, przy czym dopuszcza on osiowy przepływ płynu do prostokątnych kanałów 1422 w wirniku wewnętrznym 1412. W wyniku tego eliminator 1411 efektu ścinania płynu poprawia dokładność pomiaru efektu Coriolisa przez izolowanie wirnika wewnętrznego 1412 od działania momentów obrotowych, których działaniu podlegałby, gdyby przejmował bezpośredni przepływ od otworu dopływowego 1406. Pokrywa 1409 wirnika zewnętrznego wykonuje te same funkcje co pokrywa 317 wirnika na fig. 3, jest zamocowana sztywno do wirnika zewnętrznego 1414 i obraca się współfazowo z wirnikiem zewnętrznym 1414 wokół wspólnej osi 1434.

Wirnik wewnętrzny 1412 zaopatrzony jest w skrzydełka 1432 i prostokątne kanały 1422. Wirnik zewnętrzny 1414 ma skrzydełka 1431 i prostokątne kanały 1421. Wirnik wewnętrzny 1412 połączony jest z jednym końcem osi skrętnej 1413, której drugi koniec wchodzi w otwór w wałku 1416. Jedenkoniec wałka 1416 połączony jest z płaskąpowierzchnią wirnika zewnętrznego 1414. Drugi koniec wałka 1416 połączonyjest z łożyskami w elemencie stożkowym 1426, jak to opisano poniżej. Wałek 1416 przechodzi przez otwór w piaście 1429 w obudowie łożyskowej 1433. Obudowa łożyskowa 1433 zaopatrzona jest w miseczkowe wgłębienie 1417 z piastą 1429 odchodzącą od podstawy środka części wgłębionej, jak to pokazano na fig. 14. Obudowa łożyskowa 1433 zaopatrzona jest w zewnętrzne skrzydełka 1418 utrzymujące obudowę łożyskową 1433 wewnątrz miseczkowego wgłębienia 1435 podstawy obudowy 1401.

Przy pracy, przetwarzany płyn podawany jest do przepływomierza przez otwór 1406 dopływu 1404 i, z kolei, do eliminatora 1411 efektu ścinania płynu. Eliminator 1411 efektu ścinania płynu przetwarza otrzymywany przepływ osiowy w rotacyjny przepływ promieniowy podawany do otworów 1422 i następnie przez otwory 1421 wirnika zewnętrznego 1414. Kanały 1421 są zakrzywione w sposób pokazany na fig. 16 a przepływ płynu przez nie powoduje powstanie siły obracającej wirniki i eliminator 1411 efektu ścinania płynu wokół osi skrętnej 1413. Płyn opuszczający wirnik zewnętrzny 1414 przechodzi przez skrzydełka 1418 obudowy łożyskowej 1433 i uchodzi przez odpływ 1403 przepływomierza.

Oś skrętna 1413 jest podobna do osi skrętnej 329 z fig. 3 tym, że umożliwia przesunięcie kątowe wirnika wewnętrznego 1412 zespołu pomiarowego efektu Coriolisa w stosunku do wirnika zewnętrz

181 170 nego 1414 w odpowiedzi na siły Coriolisa generowane na wirniku wewnętrznym 1412 podczas przechodzenia płynu przez otwory 1422 w obracającym się wirniku wewnętrznym 1412.

Eliminator 1411 efektu ścinania zawiera zespół łopatek 1423, przy czym przestrzenie między łopatkami tworzą kanały 1424. Zarówno podstawa obudowy 1401, jak i pokrywa obudowy 1407 ma kształt w zasadzie stożkowy. Większy koniec każdej z nich jest dostatecznie duży dla pozostawienia przestrzeni pierścieniowej między jego powierzchnią wewnętrzną a wirnikiem zewnętrznym 1414. Płyn opuszcza wirnik zewnętrzny 1414 z małą prędkością kątową wychodząc do przestrzeni pierścieniowej między nim a podstawą 1401 obudowy. Różnica między wykonaniami przepływomierzy liniowych według fig. 11 i 12 w stosunku do fig. 14-16 i 19 polega na tym, że wchodzący płyn w odmianach wykonania z fig. 11 i 12 otrzymuje pęd potrzebny do obracania wirnika zewnętrznego 1114 przed dojściem do obwodu wirnika zewnętrznego. Płynowi wchodzącemu nadaj e się moment pędy za pośrednictwem spiralnych kanałów 1113 ukształtowanych w elementach prowadzących 111111112. Spiralne kanały 1113 pełnią tę funkcję dzięki ich ukierunkowaniu podobnemu do gwintu śruby.

W przykładzie z fig. 14 do 16 i 19, natomiast, płyn wchodzi w środek eliminatora 1411 efektu ścinania płynu bez momentu pędu. Wirnik wewnętrzny 1412 i zewnętrzny 1414, obraca się siłą odrzutu płynu uchodzącego na wirniku zewnętrznym 1414 przy wymuszaniu zmiany kierunków przepływu płynu. Mechanizm powstawania odrzutu jest taki sam, jak w przypadku przykładu wykonania z fig. 10.

Figury 15,16 i 19 razem przedstawiają dodatkowe szczegóły przykładu wykonania z fig. 14. Fig. 15 stanowi wykrój wzdłuż linii 15-15 z fig. 16. Fig. 16 stanowi przekrój wzdłuż linii 16-16 z fig. 15.

Poczynając od środka, fig. 16 przedstawia koniec osi skrętnej 1413 otoczonej powierzchnią 1514 wirnika wewnętrznego 1412, który otoczony jest odcinkiem piasty 1512 eliminatora efektu ścinania płynu. Jest ona umieszczona w zwężeniach wirnika wewnętrznego 1114. Eliminator 1411 efektu ścinania płynu, jak to pokazano na fig. 15, zawiera końcówkę, czyli wierzchołek 1511 stożkowa ukształtowanej piasty 1512, której zewnętrzna powierzchnia kształtowa 1510 na fig. 15 połączona jest z krawędziami łopatek 1423. Przestrzeń między łopatkami 1423 tworzy kanały 1424. Jak to najlepiej widać na fig. 15, przepływ płynu przejmowanego przez kanały 1424 eliminatora 1411 efektu ścinania płynu kierowanyjest przez tę kształtową powierzchnię 1510 (fig. 16) piasty 1512 z przepływu osiowego w przepływ promieniowy w miarę wędrówki płynu w dół fig. 15. Płyn przepuszczany jest również przez łopatki 1423, zamocowane do obracającej się stożkowej piasty, 1512. Ten wirujący przepływ płynu opuszcza powierzchni 1510 piasty 1512 na fig. 15 i wchodzi w pobliżu prostokątnych kanałów 1422 w wirnik wewnętrzny 1412, co najlepiej jest widoczne na fig. 16.

Jak to przedstawiono na fig. 16, płyn wprowadzony do przepływomierza wnika kanałami 1424 eliminatora 1411 efektu ścinania płynu w kierunku osiowym i jest przetwarzany przez zakrzywioną powierzchnię 1510 w promieniowy przepływ płynu. Przepływ promieniowy płynu z kanałów 1424 eliminatora 1411 efektu ściania płynu podawanyjest do kanałów 1422 wirnika wewnętrznego 1412, który ma obszary otwarte między łopatkami 1432 wirnika wewnętrznego 1412.

Na figurze 16, płyn opuszcza kanały 1422 w wirniku wewnętrznym 1412 i wchodzi w ukształtowane do pełnienia funkcji dyszy kanały 1421 wirnika zewnętrznego 1414. Ukształtowane do pełnienia funkcji dyszy kanały 1421 wirnika zewnętrznego 1414 zawierają otarte przestrzenie między łopatkami 1431 wirnika zewnętrznego 1414. Efekt odrzutowy płynu opuszczającego kanały 1421 w wirniku zewnętrznym 1414 zapewnia powstanie siły napędowej powodującej obracanie się wirnika w lewo według fig. 16 wokół jego środka. Wirnik wewnętrzny 1412, eliminator 1411 efektu ścinania płynu i pokrywa 1409 wirnika wirują współfazowo z wirnikiem wokół wspólnej osi centralnej 1434. Jednakowoż dzięki elastyczności osi skrętnej 1413, wirnik wewnętrzny 1412 może mieć pewne przesunięcie obrotowe względem wirnika zewnętrznego 1414 w wyniku sił Coriolisa powstawających w obracającym się wirniku wewnętrznym 1412. Płyn opuszczający ukształtowane do pełnienia funkcji dyszy kanały 1421 wirnika zewnętrznego 1414 wchodzi w otwartą przestrzeń 1601 przedstawioną na fig. 16.

181 170

Ponieważ fig. 16 jest przekrojem wzdłuż linii 16-16 z fig. 15, to na fig. 16 przekrój pokrywy 1407 obudowy jest ukazany jako zakreskowany element 1602. Element stanowi część 1603 powierzchni zewnętrznej pokiywy 1407 obudowy. Na fig. 16 przedstawiono również kołnierz 1408 pokrywy 1407 obudowy i jego kanały 1419.

Figura 15 przedstawia dodatkowe szczegóły budowy przepływomierza w przykładzie wykonania z fig. 14 i 16, w częściowym przekroju. Na fig. 15 przedstawiono otwór 1406 dopływu 1404, który przejmuje przetwarzany płyn i przekazuje go przez kanały 1424 eliminatora 1411 efektu ścinania płynu. Przy tym za pomocąkształtowej powierzchni 1510 piasty 1512 zmieniany jest kierunek przepływu płynu z osiowego na promieniowy i płyn wprowadzany jest w kanały 1422 wirnika wewnętrznego 1412.

Dolna część (na fig. 15) piasty 1512 zawiera zespół ramion 1518, którego dolne brzegi stykają się z częściąpowierzchni 1522 wirnika zewnętrznego 1414. Śruba 1509 w każdym ramieniu umożliwia sztywne zamocowanie eliminatora 1411 efektu ścinania płynu do części 1522 wirnika zewnętrznego 1414. Ramiona 1518 eliminatora 1411 efektu ścinania płynu przechodzi przez otwory w płaskich powierzchniach 1516 i 1524 wirnika wewnętrznego, tak że eliminator 1411 efektu ścinania płynu może być zamocowany sztywno swoimi ramionami 1518 do wirnika zewnętrznego 1414. Kanały w płaskich powierzchniach 1516,1524 wirnika wewnętrznego są dostatecznie większe od średnicy ramion 1518, aby umożliwiały kątowe przemieszczanie się wirnika wewnętrznego względem wirnika zewnętrznego i eliminatora efektu ścinania płynu. Z wyjątkiem tych otworów w powierzchniach 1516 i 1524 podstawy wirnika 1412 Coriolisa, podstawa wirnika 1412 Coriolisa składa się w zasadzie z okrągłego płaskiego elementu tarczowego (nie przedstawiony), do którego przymocowane są skrzydełka 1432 wirnika 1412 Coriolisa. Skrzydełka 1432 wirnika wewnętrznego 1412 rozmieszczone sąmiędzy płaskim obszarem podstawy u ich spodu, a na wierzchołkach połączone sąz częściowo stożkowym elementem 1436 wirnika wewnętrznego. Połączenie dolnego brzegu elementu stożkowego 1436 i skrzydełka 1432 wirnika wewnętrznego 1412 przedstawiono na fig. 15. Na fig. 15, dolne części łopatek 1432 przedstawiono jako połączone z powierzchnią podstawy 1516 wirnika wewnętrznego.

Oś skrętną 1413 na fig. 15 przedstawiono z zamocowanym sztywno do elementu 1524 wirnika wewnętrznego 1412 jej górnym końcem i dolnym końcem 1504 zamocowanym za pomocą zespołu wkrętów do dolnego końca osi 1416. Oś skrętna 1413 przechodzi przez łożysko 1526 na górnym końcu osi 1416. Oś 1416 przedstawiono jako sztywno zamocowaną do części 1522 wirnika zewnętrznego 1414. Oś 1416 przechodzi przez łożysko 1506 piasty 1429, sięga do dołu fig. 15 i kończy się w łożysku 1427. Dolny koniec osi 1416 przechodzi przez łożysko 1427 i kończy się w otwartym obszarze 1503 stanowiącym wewnętrzną część elementu stożkowego 1426. Element stożkowy 1426 zamocowany jest do elementu 1433 za pomocą kanałów 1501, mieszczących wkręty do łączenia tych dwóch elementów. Pierścień sprężynująca 1523 utrzymuje oś 1416 w odpowiednim położeniu.

Górna część na fig. 15 pokrywy 1407 obudowy zawiera uszczelkę 1532 znajdującąsię między pokrywą 1407 obudowy a pokrywą 1409 wirnika w celu zapobieżenia przeciekom między tymi dwoma elementami. Odmiana wykonania z fig. 14 - 16 i 19 zawiera również cewki 1533 i 1534 (przedstawione na fig. 19), które współpracują z magnesami 1536 i 1537 w celu umożliwienia wyznaczenia kątowego przemieszczenia się wirnika wewnętrznego 1412 względem wirnika zewnętrznego 1414 w taki sam sposób, jak omówiony w odniesieniu do przykładu wykonania z fig. 3-7.

Nafigurze 19 przedstawiono skrzydełka 1432 i 1431, odpowiednio wirnika wewnętrznego 1412 i wirnika zewnętrznego 1414. Te skrzydełka są rozmieszczone wewnątrz pokrywy 1407 obudowy. Zewnętrzna pokrywa 1409 wirnika jest przedstawiona w sąsiedztwie górnych części skrzydeł 1431 i 1432 z zewnętrzną pokrywą 1409 wirnika przymocowaną do elementu 1437 i szczytów skrzydełek 1431, tak że obraca się współfazowo z obrotem wirnika zewnętrznego 1414. Magnes 1536 przedstawiono jako osadzony na górze skrzydełka 1432 wirnika wewnętrznego, natomiast magnes 1537 przedstawiono jako osadzony w pokrywie 1409 wirnika zewnętrznego. Magnes 1536 współpracuje z cewką 1533, natomiast magnes 1537 współpracuje z cewką

181 170

1534. Obydwie cewki przedstawiono jako przymocowane do pokrywy 1407 obudowy. Wirowanie tych magnesów przed odpowiednimi cewkami podczas obracania się odpowiednich wirników umożliwia pomiar obrotu kątowego wirnika wewnętrznego 1412 względem wirnika zewnętrznego 1414, i z kolei umożliwia wyznaczenie natężenia przepływu masowego materiału płynącego przez przepływomierz. Przewody 1941 i 1942 cewek 1534 i 1533 dołączone są do układów elektronicznych miernika, które działają w charakterze układów pomiarowych do wyznaczania przepływu masowego i innej informacji odnoszącej się do przepływającego płynu.

Na figurze 19 przedstawiono również skrzydełka 1423 i otwory kanałów 1424 eliminatora 1411 efektu ścinania płynu. Poza tym na fig. 19 przedstawiono wierzchołek 1511 i zakrzywioną powierzchnię 1510 piasty 1512, która stanowi dolną część eliminatora 1411 efektu ścinania płynu. Poza tym na fig. 19 przedstawiono element 1522, który stanowi część wirnika zewnętrznego 1414 i który przedstawiono jako połączony z dolną częścią skrzydełka 1431. Również dolną część skrzydełka 1432 wirnika wewnętrznego 1412 przedstawiono jako połączoną z powierzchnią 1516 podstawy wirnika wewnętrznego.

Figury 17 i 18 przedstawiająkolejny przykład wykonania przepływomierza według wynalazku z napędem silnikowym, który pełni podwójną funkcję pompy i przepływomierza do pomiaru natężenia przepływu płynu wychodzącego z pompy. Ta odmowa wykonania jest podobna, pod pewnymi względami, do przykładu wykonania z fig. 10, jak również do odmian wykonania z fig. 3,4,5,6 i 7. Na fig. 17 i 18 zastosowano odnośniki liczbowe identyczne, jak w urządzeniach uprzednio opisanych na innych figurach, które mają podobną funkcję, co tak samo oznaczone elementy na fig. 17 i 18.

Urządzenie z fig. 17 i 18 zawiera obudowę 301 mieszczącą płyn i zaopatrzonąw wirnik zewnętrzny 307 umieszczony wewnątrz wgłębienia obudowy mieszczącej płyn i wirnik wewnętrzny 314 umieszczony wewnątrz wgłębienia w wirniku zewnętrznym w taki sam sposób, jak w przypadku wykonania z fig. 3. Eliminator 342 efektu ścinania płynu zaopatrzony jest w otwory 343 w centralnym wgłębieniu wirnika wewnętrznego, lecz przymocowane w sposób przedstawiony na fig. 3 do płyty pokrywowej wirnika zewnętrznego (nie przedstawiony na fig. 17 i 18) tak, aby obracała się współfazowo z wirnikiem zewnętrznym 307. Eliminator 342 efektu ścinania płynu zawiera kanały 343, tak jak przedstawiony na fig. 3. Zadaniem eliminatora 342 efektu ścinania jest przejmowanie płynu przepływającego przez otwór 337 i przekształcanie tego osiowego przepływu płynu w rotacyjny promieniowy przepływ promieniowy, który jest wprowadzany do kanałów promieniowych 312 wirnika wewnętrznego 314. Wirnik wewnętrzny w przykładzie wykonania z fig. 18 jest stosunkowo wąski w porównaniu z wcześniejszymi przykładami wykonania, natomiast szerokość wirnika zewnętrznego 307 w stosunku do przykładów wykonania omówionych wcześniej jest stosunkowo duża.

Dopływ płynu do przepływomierza w przykładzie wykonania z fig. 18 jest podobny jak w przykładzie wykonania z fig. 10 w tym, że otrzymywany płyn wprowadzany jest do otworu 337 odpływu 304 płynu i opuszcza obudowę mieszczącą płyn, przez otwór 327.

Figura 17 jest nieco podobna do fig. 6 i przedstawia połączenie osi skrętnej 329 wirnika wewnętrznego i wałka 331 wirnika zewnętrznego 307 z różnymi elementami mieszczącej płyn obudowy przepływomierza. Fig. 17 przedstawia silnik 1701 połączony z wałkiem 331, która w taki sam sposób, jak przedstawiony na fig. 6, dołączona jest do wirnika zewnętrznego 307. Oś skrętna 329 współpracująca z wirnikiem wewnętrznym 314 w taki sam sposób, jak przedstawiony na fig. 6, jest wpuszczona do wnętrza wałka 331 wirnika zewnętrznego 307 i jest sztywno połączona po lewej stronie, na fig. 17, z wałkiem 331 wirnika zewnętrznego 307 za pomocą wkrętu mocującego 332. Łożysko oporowe 334 i pierścień sprężynujący 339 utrzymują wałek 331 wirnika zewnętrznego 307 wewnątrz obudowy 301 mieszczącej płyn i jej pokrywy łożyskowej 336.

Silnik 1701 zapewnia moment obrotowy niezbędny do obracania układu wirnikowego w lewo w odniesieniu do przedstawienia na fig. 18. Kanały 309 w wirniku zewnętrznym 307 sązakrzy wionę w sposób przedstawiony na fig. 18 dla poprawienia sprawności wirnika zewnętrznego 307 jako pompy płynu, kiedy układ wirnikowy obracany jest w lewo przez silnik 1701. Kanały 312 w wirniku wewnętrznym 314 biegnąpromieniowo, w taki sam sposób, jaki przedstawiono w

181 170 przypadku poprzednich odmian wykonania dla zwiększenia sprawności wykrywania ruchu Coriolisa przez wirnik wewnętrzny 314 przy obracaniu się układu wirnikowego w prawo w odniesieniu do fig. 18 pod działaniem silnika 1701. Wewnętrzne końce kanałów 312 wirnika wewnętrznego łączą się z kanałami 343 w eliminatorze 342 efektu ścinania płynu, który w taki sam sposób, jak to opisano, izoluje kanały 312 wirnika wewnętrznego 314 od osiowego przepływu płynu otrzymywanego przez przepływomierz za pośrednictwem otworu 337 odpływu 304 płynu.

Obracanie układu wirnikowego wokół wałka 331 wirnika zewnętrznego 307 za pomocąsiInika 1701 powoduje przepuszczanie materiału otrzymywanego przez odpływ 304 przez kanały 343 w eliminatorze 342 efektu ścinania, przez promieniowe kanały 312 w wirniku wewnętrznym 314 do kanałów 309 wirnika zewnętrznego 307. Ruch obrotowy wirnika zewnętrznego 307 i zakrzywienie jego kanałów 309 zapewnia skuteczne pompowanie otrzymywanego płynu, który opuszcza przepływomierz przez otwór 302 odpływu 327 płynu. Przepływ płynu na zewnątrz ze środkowej części przepływomierza Coriolisa przez jego kanały 312 do wirnika zewnętrznego 307 powoduje nabranie przez każdą elementarną cześć płynu w kanałach promieniowych 312 większej prędkości kątowej podczas jego przepływu na zewnątrz od środka przepływomierza.

Jak to opisano w związku z fig. 1 i 2, przyspieszenie styczne wywiera siłę skierowany zgodnie z ruchem wskazówek zegara na wirnik wewnętrzny i ścianki jego kanałów 312. Ścianki kanałów 312 zapewniają siłę niezbędną do nadania płynowi zwiększonej prędkości stycznej. Ta siła na ściankach kanałów 343 powoduje opóźnienie wirnika wewnętrznego w ruchu obrotowym w stosunku do wirnika zewnętrznego 307 i wskutek tego uzyskania przemieszczenia kątowego w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara względem wirnika zewnętrznego 307. Na to przemieszczenie kątowe wirnika wewnętrznego 314 pozwalająwłaściwości sprężyste osi skrętnej 329.

W taki sam sposób, jak pokazany na fig. 3,4,5 i 6, urządzenie z fig. 17 i 18 zaopatrzone jest w magnesy (nie przedstawione) osadzone w wirniku wewnętrznym 314 i wirniku zewnętrznym 307 i współpracujące z nim cewki porównywalne z cewkami 323 i 324 z fig. 3. Te elementy współpracują w opisany sposób dla pomiaru wartości, o którą wirnik wewnętrzny 314 jest przesunięty kątowo względem wirnika zewnętrznego 307. To przesunięcie kątowe wskazuje natężenie przepływu masowego materiału podawanego przez pompę z fig. 17 i 18 do rurociągu zewnętrznego lub podobnego (uwzględniając nie przedstawiony). Natężenie przepływu masowego wyznacza się za pomocą układów elektronicznych miernika w odpowiedzi na sygnały podawane do nich z cewek 323 i 324. Kołek ograniczający i otwór 401 ograniczająprzemieszczenie kątowe wirnika wewnętrznego 314 względem wirnika zewnętrznego 307.

Poprzednich obliczeń dokonano przy założeniu warunków równowagi. Warunki te istnieją, kiedy natężenie przepływu jest stałe, a wirnik ma czas na badanie prędkości. W warunkach przejściowych do przyspieszania i opóźniania wirników potrzebny jest moment obrotowy. Ten moment obrotowy jest przyczyną błędnych wskazań natężenia przepływu, jakkolwiek w trakcie cyklu obejmującego zarówno przyspieszanie, jak i opóźnianie, błędy się znoszą. W strumieniowej odmianie wykonania wirnik zewnętrzny napędza wirnik wewnętrzny za pośrednictwem drążka skrętnego. Ponieważ płyn wędruje promieniowo na zewnątrz, wirnik wewnętrzny opóźnia się względem wirnika zewnętrznego. Przy wzroście prędkości obrotowej wirników (albo w wyniku wzrostu prędkości silnika, albo zwiększania się natężenia przepływu) wirnik wewnętrzny opóźnia się jeszcze bardziej wskutek jego momentu bezwładności. Wskazywane natężenie przepływu będzie zatem zawyżone. Kiedy prędkość obrotowa wirników maleje, moment bezwładności przeciwdziała momentowi Coriolisa, a zatem odczyty miernika sązaniżone. Można wykazać, że jeżeli początkowa i końcowa prędkość obrotowa jest taka sama, to błędy spowodowane przyspieszaniem i opóźnianiem znoszą się wzajemnie. Znaczy to, że cykle ustawicznego uruchamiania i zatrzymywania zapewniają dokładność, i że błędy w wyniku zmian prędkości nie kumulują się w dłuższych okresach działania.

W drugim przykładzie wykonania, w którym płyn przechodzi promieniowo na zewnątrz, płyn napędza wirnik wewnętrzny za pośrednictwem siły Coriolisa. Wirnik wewnętrzny przy stałym przepływie wyprzedza wirnik zewnętrzny. Zwiększanie przepływu (i prędkości obroto

181 170 wej) dąje w wyniku zmniejszenie wypadkowego mementu wirnika wewnętrznego o moment obrotowy niezbędny do jego przyspieszania. Zatem miernik zaniża wskazania. Podobnie, zmniejszanie przepływu daje w wyniku zawyżenie wskazań miernika. Jak w pozostałych odmianach wykonania, w czasie trwania cyklu błędy kompensują się wzajemnie. Skrajnie duże przyspieszenia mogące wystąpić w wyniku nagłego otwarcia lub zamknięcia zaworu mogłyby spowodować nadwyrężenie drążka skrętnego i uszkodzenie miernika. Dla ochrony osi v skrętnej przed nadmiernymi momentami skręcającymi w wirniki wbudowuje się ograniczniki, które ograniczają kątowe przemieszczenie między nimi. Taki ogranicznik składa się z walcowego kołka wchodzącego w obwodową szczelinę w drugim wirniku (fig. 5), lub też może składać się z ramion mocujących eliminatora efektu ścinania przechodzących przez zwymiarowane z nadmiarem otwory w wirniku wewnętrznym (fig. 19). Długość szczeliny wyznaczona jest tak, aby umożliwić dostatecznie duże przemieszczenie dla maksymalnej zakładanej wartości natężenia przepływu, lecz niewystarczające do nadwyrężenia drążka skrętnego.

Jest oczywiste, że patentowany wynalazek nie ma być ograniczony do opisu korzystnych odmian wykonania, lecz obejmuje inne modyfikacje i przykłady w zakresie i zgodnie z ideą wynalazku. tak więc, termin „płyn”, stosowany jest w niniejszym opisie w odniesieniu do materiału przepływającego przez opisany przepływomierz, jak i pompę. Termin ten jedynie oznacza materiał, który może być przetwarzany przez urządzenie według niniejszego wynalazku. Jest oczywiste, że urządzenie według niniejszego wynalazku może być stosowane nie tylko do płynów jako takich, lecz dowolnego innego materiału, który może przepływać, bądź być przepompowywany przez urządzenie według niniejszego wynalazku. Również stosowany niniejszy termin „kanał” obejmuje otwór o dowolnym kształcie przekroju, na przykład okrągłym, prostokątnym, trójkątnym, lub o dowolnym innym możliwym kształcie, włącznie z nieregularnym.

Możliwe jest również zastosowanie w charakterze urządzeń do pomiaru fazy zamiast magnesów i cewek, optycznych urządzeń detekcyjnych lub innych przydatnych urządzeń.

Zastosowany niniejszy termin „płyn” rozumie się w szerokim sensie i może obejmować dowolne substancje, takie jak gazy, szlamy, mieszaniny itp., mogące przepływać przez kanał, przewód lub rurę.

181 170

FIG. 19

327

FIG. !6

FIG. /5

181 170

FIG. ΙΟ

181 170

321

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 6,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa, posiadający mieszczącąpłyn obudowę, w której j est zamontowany obrotowo wokół środkowej osi obrotowej wirnik zewnętrzny z zespołem osiowym mający wgłębienie współosiowe z jego centralną osią obrotu, a we wgłębieniu jest umieszczona co najmniej cześć zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, który zawiera zespół wytwarzający sygnał wyjściowy i połączone z nimi elektroniczny zespół przetwarzania i który jest zamontowany obrotowo wokół środkowej osi obrotu, przy czym zespół pomiarowy efektu Coriolisa zawiera zestaw kanałów usytuowanych od obwodu zewnętrznego zespołu pomiarowego efektu Coriolisa do jego obszaru centralnego, zaś wirnik zewnętrzny ma zespół kanałów, z których przynajmniej niektóre są połączone przepływowo z co najmniej niektórymi kanałami zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, a w obudowie mieszczącej płyn jest ukształtowany kanał przepływu płynu, który rozciąga się od dopływu do odpływu płynu poprzez kanały wirnika zewnętrznego i zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, zaś zespół osiowy zawiera element skrętny połączony jednym końcem z wirnikiem zewnętrznym, a drugim końcem z zespołem pomiarowym efektu Coriolisa, ustawiający zespół pomiarowy Coriolisa z przesunięciem kątowym wokół osi środkowej względem wirnika zewnętrznego w wyniku pomiaru sił Coriolisa powstałych przy przepływie płynu przez kanały wirnika zewnętrznego i zespołu pomiarowego Coriolisa przy ich obrocie, a z wirnikami jest połączony zespół wytwarzający sygnał w odpowiedzi na wielkość kątowego przesunięcia, zaś zespół wytwarzający sygnał proporcjonalny do przesunięcia kątowego pomiędzy wirnikiem zewnętrznym i zespołem pomiarowym Coriolisa jest połączony z wirnikiem zewnętrznym i zespołem pomiarowym Coriolisa, znamienny tym, że kanał przepływu płynu zawiera część (407,1124), która jest usytuowana w płaszczyźnie prostopadłej do środkowej osi obrotu i stycznie do zewnętrznego obrzeża wirnika zewnętrznego (307, 807,1114), a kanały (309, 802,1116, 1301) wirnika zewnętrznego (307, 807, 1114) są usytuowane od obrzeża wirnika zewnętrznego (307, 807, 1114) do jego wgłębienia (341) i są połączone ze stycznie usytuowaną częścią (407,1124) kanału przepływu płynu, przy czym od wlotu kanałów (309, 802, 1116, 1301) wirnika zewnętrznego (307, 807, 1114) kanału przepływu płynu w obudowie (301, 1101) jest usytuowany promieniowo do wewnątrz poprzez kanały (309,802,1116,1301) wirnika zewnętrznego (307,807,1114) kanały (312,1302) zespołu pomiarowego efektu Coriolisa do obszaru środkowego zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, a z obszarem środkowym zespołu pomiarowego efektu Coriolisa jest połączony odpływ (304,1106) płynu usytuowany współosiowo ze środkową osią obrotu, a wirnik zewnętrzny (307, 807) i zespół pomiarowy efektu Coriolisa są obracane energią strumienia płynu przepływającego w kanałach (309,802,1116,1301) wirnika zewnętrznego (307,807) i w kanałach (312, 1302) zespołu pomiarowego Coriolisa.
2. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół pomiarowy efektu Coriolisa zawiera wirnik wewnętrzny (314) umieszczony wewnątrz wirnika zewnętrznego (307,807).
3. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że na wirniku wewnętrznym (314) i wirniku zewnętrznym (307, 807, 1114) jest rozmieszczony stanowiący część zespołu wytwarzającego sygnał zestaw magnesów, a w obudowie (301,1101) mieszczącej płyn jest rozmieszczony stanowiący część zespołu wytwarzającego sygnał zestaw cewek, przy czym zestaw cewek i zestaw magnesów są zestawami wytwarzającymi podczas obracania się wirnika wewnętrznego (314) okresowe sygnały wyjściowe odpowiadające różnicy fazowej odpowiadającej przemieszczeniu kątowemu wirnika wewnętrznego (314) względem wirnika zewnętrznego (307,807,1114).
4. Przepływomierz według zastrz. 3, znamienny tym, że zestaw cewek zawiera cewkę stałą (324) i cewkę ruchomą (323), a zestaw magnesów zawiera pierwszy zespół magnesów

181 170 (344) rozmieszczonych na pokrywie (317) wirnika zewnętrznego (307, 807) oraz drugi zespół magnesów (316) rozmieszczonych na wirniku wewnętrznym (314).
5. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że wirnik zewnętrzny (307, 807, 1114) i wirnik wewnętrzny (314) zawierająelementy ograniczające kątowe przesunięcie wirnika wewnętrznego (314) względem wirnika zewnętrznego (307, 807,1114).
6. Przepływomierz według zastrz. 5, znamienny tym, że elementy ograniczające stanowi podłużny w kierunku obwodowym otwór (401) w wirniku wewnętrznym (314) i kołek (402), którego pierwszy koniec znajduje się wewnątrz wirnika zewnętrznego (307,807), a którego drugi koniec jest umieszczony w otworze (401) wirnika wewnętrznego (314), przy czym wymiary otworu (401) i kołka (402) są dobrane względem siebie zależnie od zakresu ograniczania przemieszczenia i obrotu kątowego wirnika wewnętrznego (314) względem wirnika zewnętrznego (307, 807).
7. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że wirnik wewnętrzny (314) zawiera usytuowane promieniowo kanały (312), natomiast wirnik zewnętrzny (807) zawiera kanały (802) odchylone względem położenia promieniowego.
8. Przepływomierz według zastrz. 7, znamienny tym, że wirnik zewnętrzny (807) zawiera zespół elementów (801) z powierzchniami prostopadłymi, z których każdy ma kanał (802) posiadający odcinek prostopadły mający otwór zewnętrzny (803) i otwór wewnętrzny (804) rozmieszczone względem siebie pod kątem w przybliżeniu 90°, przy czym otwór wewnętrzny (804) jest usytuowany w powierzchni obwodowej tworzącej obwód wewnętrzny wgłębienia wirnika zewnętrznego (807), a otwór zewnętrzny (803) jest usytuowany w przybliżeniu prostopadle do zewnętrznego obwodu wirnika zewnętrznego (807) i jest zwrócony w kierunku przeciwnego do stycznego przepływu płynu przy zewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego (807).
9. Przepływomierz według zastrz. 8, znamienny tym, że wirnik zewnętrzny (807) i wirnik wewnętrzny (314) są obracane strumieniem płynu przepływającego przez ich kanały tak, że prędkość styczna zewnętrznego obwodu wirnika zewnętrznego (807) jest większa od prędkości stycznej płynu na zewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego (807), przy czym otwór zewnętrzny (803) każdego z odcinków prostopadłych kanałów (802) ma kształt czerpaka płynu na zewnętrznym obwodzie wirnika zewnętrznego (807) kierującego płyn do wnętrza, zmniejszającego kątową prędkość obrotową wirnika zewnętrznego (807) i spadek ciśnienia na mierniku, odcinka prostopadłego i poprzez kanały (312) wirnika wewnętrznego (314) do odpływu (304) w obudowie (301).
10. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że w środku zewnętrznego wirnika (307,807) jest zamontowany wałek (331) zespołu osiowego łączący środek wirnika zewnętrznego (307,807) z obudową (301) dla obrotu wirnika zewnętrznego (307) wokół centralnej osi (329) obrotu, a wałek (331) ma wzdłużne wycięcie, w którym jest osadzony element skrętny w postaci osi skrętnej (329) połączonej na stałe jednym końcem ze środkiem wirnika wewnętrznego (314) i osadzonej drugim końcem wewnątrz wzdłużnego wycięcia w wałku (331) i połączonej z nim.
11. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że wirnik zewnętrzny (307, 807) zawiera tarczową płaską część (340) połączoną na obwodzie z jedną stroną zaopatrzonego w kanały (309,802,1301) pierścienia wirnika zewnętrznego (307,807) oraz pokrywę (317) przymocowaną z możliwościąjej zdejmowania, do drugiej strony pierścienia, zamykającą wgłębienie w wirniku zewnętrznym (307,807), a w pokrywie (317) wirnika zewnętrznego (307,807) jest otwór środkowy połączony z odpływem (304) obudowy (301), zaś z wewnętrzną powierzchnią pokrywy (317) w pobliżu otworu środkowego pokrywy (317) jest umieszczony eliminator (342) efektu ścinania na prędkość obrotową płynu w kanałach (312, 1302) wirnika wewnętrznego (314) wywołanego nieobrotowym stanem płynu w odpływie (304) obudowy (301).
12. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że eliminator (342) efektu ścinania zawiera kołowy element przymocowany do wewnętrznej powierzchni pokrywy (317) i mający środkowy otwór (319) usytuowany współosiowo z otworem środkowym pokrywy (317) oraz wiele kanałów (343) odchodzących od zewnętrznego obrzeża elementu kołowego, z których każdy jest ustawiony współosiowo z kanałami (312) wirnika wewnętrznego (314) o każdy kanał

181 170 (312) wirnika wewnętrznego (314) jest połączony na jego obrzeżu poprzez kanał elementu kołowego z środkowym otworem (319) elementu kołowego, przetwarzając ruch płynu, od obrotowego ruchu promieniowego do osiowego i izolowania wirnika wewnętrznego (314) od efektów ścinania płynu.
13. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że między wirnikiem wewnętrznym (314) a otworem (337) odpływu (304) płynu jest umieszczony eliminator (342) efektu ścinania płynu, który jest połączony z wirnikiem zewnętrznym (307,807) i zamontowany obrotowo na zespole osiowym razem z wirnikiem zewnętrznym (307,807), przy czym eliminator (342) efektu ścinania zawiera kanały (343) ustawione pod kątem względem przepływu płynu i połączone z kanałami (312) wirnika wewnętrznego (314), przy czym kanały (343) eliminator (342) efektu ścinania płynu sąpołączone z odpływem (304) obudowy (301) przetwarzając kątowy ruch płynu, na ruch osiowy.
14. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że dopływ (1102) płynu i odpływ (1106) płynu są usytuowane współosiowo ze środkową osią obrotu wirnika zewnętrznego (1114), a połączony z dopływem płynu kanał przepływu płynu zawiera elementy prowadzące (1111, 1112) usytuowane w obudowie (1101) i tworzące skręcający kanał pomiędzy częścią kanału przepływu płynu usytuowaną osiowo i częścią kanału przepływu płynu usytuowaną stycznie do obrzeża wirnika zewnętrznego (1114).
15. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że współosiowo z centralną osią obrotu wirnika zewnętrznego (1114) rozmieszczone są dopływ (1102) płynu i odpływ (1106) płynu, a obudowa (1101) zawiera elementy prowadzące (1111,1112) w kształcie stożkowym usytuowane wierzchołkiem przy dopływie (1102), które mają spiralne kanały (1113) na swoim obwodzie rozciągające się od końca wierzchołkowego do końca przeciwległego usytuowanego przy obrzeżu wirnika zewnętrznego (1114), przy czym spiralne kanały (1113) tworzą tor przepływu płynu doprowadzający płyn stycznie do obrzeża wirnika zewnętrznego (1114), a w środku wirnika wewnętrznego jest umieszczony eliminator efektu ścinania, połączony z wirnikiem zewnętrznym (1114) i mający kanały usytuowane od kanałów wirnika wewnętrznego do osiowego odpływu (1106) obudowy (1001).
16. Przepływomierz zawierający zespół pomiarowy efektu Coriolisa, posiadający mieszczącą płyn obudowę, w której jest zamontowany obrotowo wokół środkowej osi obrotowej wirnik zewnętrzny z zespołem osiowym mający wgłębienie współosiowe z jego centralną osią obrotu, a we wgłębieniu jest umieszczona co najmniej część zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, który zawiera zespół wytwarzający sygnał wyjściowy i połączone z nimi elektroniczny zespół przetwarzania i który jest zamontowany obrotowo wokół środkowej osi obrotu, przy czym zespół pomiarowy efektu Coriolisa zawiera zestaw kanałów usytuowanych od obwodu zewnętrznego zespołu pomiarowego efektu Coriolisa do jego obszaru centralnego, zaś wirnik zewnętrzny ma zespół kanałów, z których przynajmniej niektóre są połączone przepływowo z co najmniej niektórymi kanałami zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, a w obudowie mieszczącej płyn jest ukształtowany kanał przepływu płynu, który rozciąga się od dopływu do odpływu płynu poprzez kanały wirnika zewnętrznego i zespołu pomiarowego efektu Coriolisa, zaś zespół osiowy zawiera element skrętny połączony jednym końcem z wirnikiem zewnętrznym, a drugim końcem z zespołem pomiarowym efektu Coriolisa, ustawiający zespół pomiarowy Coriolisa z przesunięciem kątowym wokół osi środkowej względem wirnika zewnętrznego w wyniku pomiaru sił Coriolisa powstałych przy przepływie płynu przez kanały wirnika zewnętrznego i zespołu pomiarowego Coriolisa przy ich obrocie, a z wirnikami jest połączony zespół wytwarzający sygnał w odpowiedzi na wielkość kątowego przesunięcia, zaś zespół wytwarzający sygnał proporcjonalny do przesunięcia kątowego pomiędzy wirnikiem zewnętrznym i zespołem pomiarowym Coriolisa jest połączony z wirnikiem zewnętrznym i zespołem pomiarowym Coriolisa, znamienny tym, że dopływ (302,1404) jest usytuowany współosiowo ze środkową osią obrotu i jest połączony ze środkowym obszarem zespołu pomiarowego Coriolisa, a kanał przepływu płynu jest usytuowany od dopływu (302, 1404) promieniowo na zewnątrz poprzez kanały (312,1422) zespołu pomiarowego efektu Coriolisa i kanały (309, 1002, 1421) wirnika

181 170 zewnętrznego (307, 1001, 1414), przy czym kanały (309, 1002, 1421) wirnika zewnętrznego (307,1001,1414) są usytuowane do jego obrzeża zewnętrznego i są zakrzywione na ich zewnętrznych końcach, które są skierowane w kierunku stycznym do zewnętrznego obrzeża wirnika zewnętrznego (307,1001,1414) i w kierunku prostopadłym do jego osi obrotu, przy czym wirnik zewnętrzny (307, 1001, 1414) i zespół pomiarowy efektu Coriolisa są obracane przez energię strumienia płynu przepływającego promieniowo na zewnątrz przez kanały (312,1422) zespołu pomiarowego efektu Coriolisa i kanały (309, 1002, 1421) wirnika zewnętrznego (307, 1001, 1414) i wychodzącego stycznie z wirnika zewnętrznego (307,1001,1414).
17. Przepływomierz według zastrz. 16, znamienny tym, że zespół pomiarowy efektu Coriolisa zawiera wirnik wewnętrzny (314, 1412) umieszczony w wirniku zewnętrznym (307, 1001,1414).
18. Przepływomierz według zastrz. 17, znamienny tym, że na wirniku wewnętrznym (314,1412) i wirniku zewnętrznym (307,1001,1414) jest rozmieszczony zestaw magnesów stanowiący część zespołu wytwarzającego sygnał, a zespół wytwarzający sygnał zawiera zestaw cewek rozmieszczonych w obudowie (301), pi^zy czym zestaw cewek i zestaw magnesów dostosowane są do generowania podczas obracania się wirnika wewnętrznego (314,1412) okresowych sygnałów wyjściowych o różnicy fazowej wskazującej na przemieszczenie kątowe wirnika wewnętrznego (314,1412) względem wirnika zewnętrznego (307,1001,1414).
19. Przepływomierz według zastrz. 18, znamienny tym, że zestaw cewek zawiera cewkę stałą (324) i cewkę ruchomą (323), a zestaw magnesów zawiera pierwszy zespół magnesów (344) rozmieszczonych na pokrycie (317) wirnika zewnętrznego (307,1001) oraz drugi zespół magnesów (316) rozmieszczonych na wirniku wewnętrznym (314).
20. Przepływomierz według zastrz. 16, znamienny tym, że wirnik zewnętrzny (307,1001, 1414) i wirnik wewnętrzny (314,1414) zawierają elementy ograniczające kątowe przesunięcie wirnika wewnętrznego (314,1414) względem wirnika zewnętrznego (307,1001, 1414).
21. Przepływomierz według zastrz. 20, znamienny tym, że elementy ograniczające stanowi podłużny w kierunku obwodowym otwór (401) w wirniku wewnętrznym (314) i kołek (402), którego pierwszy koniec znajduje się wewnątrz wirnika zewnętrznego (307,1001,1414), a którego drugi koniec jest umieszczony w otworze (401) wirnika wewnętrznego (314,1414), przy czym wymiary otworu (401) i kołka (402) są dobrane względem siebie zależnie od zakresu ograniczania obrotu kątowego wirnika wewnętrznego (314,1414) względem wirnika zewnętrznego (307,1001,1414).
22. Przepływomierz według zastrz. 16, znamienny tym, że każdy z kanałów (309,1002, 1421) w wirniku zewnętrznym (307,1001,1114) zawiera otwór wewnętrzny usytuowany w powierzchni obwodowej tworzącej obwód wewnętrzny wgłębienia wirnika zewnętrznego (307, 1001, 1114), i otwór zewnętrzny usytuowany na powierzchni obrzeża wirnika zewnętrznego (307,1001,1114) tworzący dyszę każdego kanału (309,1002,1421) na zewnętrznym obrzeżu wirnika zewnętrznego (307,1001,1114) do przyspieszenia przepływu płynu w wyjściu odpływu (304) obudowy (301,1001).
23. Przepływomierz według zastrz. 16, znamienny tym, że z wirnikiem zewnętrznym (307) jest połączony silnik (1701) obracający wirnik zewnętrzny (307) i wirnik wewnętrzny (314) wokół osi obrotu z prędkością obrotową zwiększoną w stosunku do prędkości obrotowej powodowanej przez przepływ płynu, przy czym wirnik zewnętrzny (307) i wirnik wewnętrzny (314) reagują na zwiększenie prędkości obrotowej zwiększeniem ciśnienia płynu wewnątrz kanałów i przepustowości płynu w przepływomierzu.
24. Przepływomierz według zastrz. 23, znamienny tym, że kanały (309) wirnika zewnętrznego (307) są zakrzywione w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wirnika zewnętrznego (307) i wirnika wewnętrznego (314), a prędkość płynu wychodzącego z wirnika zewnętrznego (307) i wirnika wewnętrznego (314) oraz przepływ płynu przez zewnętrzny wirnik (307) do odpływu (304) są zwiększone.
25. Przepływomierz według zastrz. 16, znamienny tym, że oś obrotu wirnika zewnętrznego (1414) jest usytuowana współosiowo z dopły wem (1404) płynu, i odpływem (1403) płynu, a

181 170 w środku wirnika wewnętrznego (1412) jest umieszczony eliminator (1411) efektu ścinania mający zespół łopatek (1423) kierujących osiowy przepływ płynu promieniowo na zewnątrz do kanałów (1422) wirnika wewnętrznego (1412).
26. Przepływomierz według zastrz. 16, znamienny tym, że w środku zewnętrznego wirnika (307,1001,1414) jest zamontowany wałek (331,1416) zespołu osiowego, za pomocąktórego środek wirnika zewnętrznego (307,1001,1414) jest osadzony obrotowo wokół centralnej osi obrotu w obudowie (301,1006), przy czym wałek (331,1416) ma wzdłużne wycięcie, w którym jest osadzona oś skrętna (329,1413) w postaci drążka skrętnego połączona na stałe jednym końcem ze środkiem wirnika wewnętrznego (314,1412) i osadzona drugim końcem wewnątrz wzdłużnego wycięcia w wałku (331,1416) i połączona z nim.
27. Przepływomierz według zastrz. 17, znamienny tym, że wirnik zewnętrzny (307,1001) zawiera tarczową płaską część (340) połączoną na obwodzie z jedną stroną zaopatrzonego w kanały (309,1002) pierścienia wirnika zewnętrznego (307,1001) oraz pokrywę (317) przymocowaną, z możliwością jej zdejmowania, do drugiej strony pierścienia, za pomocą której jest zamknięte wgłębienie w wirniku zewnętrznym (307, 1001), a w pokrywie (317) wirnika zewnętrznego (307,1001) jest otwór środkowy połączony z odpływem (304) obudowy (301), zaś z wewnętrzną powierzchnią pokrywy (317) w pobliżu otworu środkowego pokrywy (317) jest umieszczony eliminator (342) efektu ścinania.
28. Przepływomierz według zastrz. 27, znamienny tym, że eliminator (342) efektu ścinania zawiera kołowy element przymocowany do wewnętrznej powierzchni pokrywy (317) i mający środkowy otwór (319) usytuowany wsptiłosiowo z otworem środkowym pokrywy (317) oraz wiele kanałów (343) odchodzących od zewnętrznego obrzeża elementu kołowego, z których każdy jest ustawiony współosiowo z kanałami (312) wirnika wewnętrznego (314)i każdy kanał (312) wirnika wewnętrznego (314) jest połączony na jego obrzeżu poprzez kanał elementu kołowego z środkowym otworem (319) elementu kołowego, przetwarzając ruch płynu, od obrotowego ruchu promieniowego do osiowego i izolowania wirnika wewnętrznego (314) od efektów ścinania płynu.
29. Przepływomierz według zastrz. 16, znamienny tym, że zarówno dopływ (1404) płynu, jak i odpływ (1403) płynu rozmieszczone są współosiowo z centralną osią obrotu wirnika zewnętrznego (1414) i wirnika wewnętrznego (1412), a w środku wirnika wewnętrznego (1412) jest umieszczony eliminator (1411) efektu ścinania mający stożkową piastę (1512), której końcówka (1511) jest umieszczona od strony dopływu (1404) i mający zespół łopatek (1423), których jedne końce są przymocowane do obrzeża stożkowej piasty (1512), a drugie końce usytuowane sąprzy dopływie (1404), przy czym stożkowa piasta (1512) jest zamocowana do wirnika zewnętrznego (1414) i obraca się z nim, a osiowy przepływ płynu z dopływu (1404) jest kierowany jako obrotowy kątowy przepływ do wewnętrznego końca kanałów (1422) wirnika wewnętrznego (1412), a w obudowie są umieszczone elementy (1518) współdziałające ze sobą przy ograniczaniu kątowego przesuwania wirnika wewnętrznego (1412) względem wirnika zewnętrznego (1414) podczas obrotu.

* * *