PL199385B1 - Sposób i przepływomierz do mierzenia masowego przepływu materiału - Google Patents

Abstract

Sposób mierzenia masowego przep lywu materia lu, po- lega na tym, ze cykliczne odkszta lca si e zespó l rurki prze- plywowej z przep lywaj acym materia lem poprzez wprawianie jej w drgania w p laszczy znie wzbudzenia, a jednocze snie materia l wprawia si e w ruch obrotowy wokó l osi wzd luznej zespo lu rurki przep lywowej i odczytuje si e sygna ly wywo ly- wane ruchem drgaj acym i obrotowym za pomoc a zespo lu czujnikowego. Ruch obrotowy przep lywu materia lu wokó l wzd luznej osi zespo lu rurki przep lywowej (1501) wywo luje si e w odpowiedzi na przep lyw materia lu nadaj ac zespo lowi rurki przep lywowej (1501) z materia lem cykliczne odkszta l- cenie w trybie zyroskopowym w p laszczy znie zyroskopowej i generuj ac sygna ly reprezentuj ace amplitud e cyklicznego odkszta lcenia w trybie zyroskopowym w plaszczy znie zyro- skopowej, a jednocze snie odczytuje si e amplitud e cyklicz- nego odkszta lcenia zespo lu rurki przep lywowej (1501) w p laszczy znie wzbudzenia, po czym okre sla si e stosunek amplitudy cyklicznego odkszta lcenia w trybie zyroskopo- wym zespo lu rurki przep lywowej (1501) w p laszczy znie zyroskopowej i amplitudy cyklicznego odkszta lcenia zespo- lu rurki przep lywowej (1501) w p laszczy znie wzbudzenia, i za pomoc a bloku elektronicznego (1520) miernika, w odpowiedzi na sygna l okre slaj acy stosunek amplitud, generuje si e sygna l wyj sciowy o masowym przep lywie materia lu. Przep lywomierz do mierzenia masowego prze- p lywu materia lu zawiera zespó l rurki przep lywowej (1501) dostosowany do reagowania na jego cykliczne odkszta l- cenie ……….. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i przepływomierz do mierzenia masowego przepływu materiału, a zwłaszcza z wykorzystaniem ruchu wirowego przepływu materiału wewnątrz drgającej rurki przepływowej i mierzący generowane siły żyroskopowe dla określenia informacji dotyczącej przepływu materiału.

Przepływomierze masowe mierzą natężenie przepływu masowego, zamiast natężenia przepływu objętościowego. Są one pożądane, ponieważ pomiar masowy jest często potrzebny dla reakcji chemicznych, receptur, atestowanego przekazu i wielu innych zastosowań. Ponadto, dokładność przepływomierzy masowych nie ulega pogorszeniu przy zmianie gęstości materiału, temperatury lub lepkości. Przepływomierze masowe z efektem Coriolisa występują na rynku od co najmniej 20 lat. Są chętnie stosowane ze względu na ich dokładność i możliwość pomiaru gęstości, a także masy. Jednakże wysoki koszt przepływomierzy Coriolisa ograniczył ich akceptację rynkową.

W znanych przepływomierzach masowych Coriolisa z pojedynczą prostą rurką, rurkę przepływową połączono w obu końcach do równoległej belki wyważenia. Rurkę przepływową wibrowano z przesunię ciem fazowym wzglę dem belki wyważ enia i z czę stotliwoś cią rezonansową w danej pł aszczyźnie wzbudzenia. Pożądaną amplitudę drgań zapewniał wzbudnik elektromagnetyczny. Rurka przepływowa i belka wyważenia pracują jako wzajemne przeciwciężary, dla wytworzenia układu wyważonego dynamicznie.

Umieszczone w dwóch położeniach czujniki prędkości na długości rurki przepływowej mierzą wzajemne prędkości pomiędzy rurką przepływową i belką wyważenia. Czujniki prędkości zwykle umieszcza się w równych odległościach przed i za środkowym punktem rurki.

Wibracyjna rurka przepływowa wytwarza ruch obrotowy w swej przedniej i tylnej połowie. Ruchy obrotowe zatrzymują się i zmieniają zwrot w kierunku drgań rurki przepływowej. Nieruchome końce rurki przepływowej tworzą punkty wychylenia dla obrotu, a podłużny środek rurki przepływowej jest miejscem maksymalnej amplitudy. Materiał przepływający poprzez obracające się segmenty rurki przepływowej wytwarza siłę Coriolisa, która odkształca rurkę przepływową i wytwarza opóźnienie fazowe pomiędzy sygnałami wyjścia dla czujników prędkości. Opóźnienie fazowe pomiędzy sygnałami wyjścia czujników prędkości jest proporcjonalne do natężenia przepływu masowego materiału.

Znane przepływomierze masowe Coriolisa z pojedynczą prostą rurką przepływową zawierały prostą rurkę przepływową o dużej sztywności zginania. Duża sztywność przejawia się w wysokich częstotliwościach przy wyższych trybach drgań rurki przepływowej.

Wzbudzany tryb drgań jest zwykle trybem najmniejszej częstotliwości w pierwszym rodzaju zginania. W tym układzie rurka przepływowa i belka wyważenia drgają z przesunięciem fazowym względem siebie w płaszczyźnie wzbudzenia. Kształt tego trybu drgań jest taki sam, jak kształt drgającej struny gitary.

Maksymalna amplituda drgań występuje w środku a węzły (nieruchome punkty) występują na końcach. Drgania rurki przepływowej wytwarza wzbudnik umieszczony w środku rurki przepływowej i belki wyważ enia.

Przy geometrii prostej rurki przepływowej siła Coriolisa wygina rurkę przepływową do kształtu według drugiego trybu zginania. Drugi tryb zginania przypomina kształt wydłużonej litery S i tworzy trzy węzły. Dwa węzły występują w końcach rurki przepływowej, a trzeci w środku.

Gdy rurka przepływowa wibruje w drugim trybie zginania, obie połówki rurki przepływowej (umieszczone po obu stronach punktu środkowego) drgają z przesunięciem fazowym względem siebie. W drugim trybie zginania występuje częstotliwość rezonansowa niemal trzykrotnie większa od częstotliwości w pierwszym trybie zginania.

Układ posiada wysoką częstotliwość rezonansową, ponieważ rurka przepływowa jest bardzo sztywna oraz bardzo trudno jest wygiąć rurkę przepływową w kształcie drugiego trybu zginania.

Siły Coriolisa oddziaływują na rurkę przepływową z częstotliwością wzbudzenia (częstotliwość rezonansowa pierwszego trybu zginania). Zakładając, że rurka przepływowa jest pozioma i drga w pionowej płaszczyźnie wzbudzenia w pierwszym trybie zginania, odkształcenie Coriolisa dla rurki przepływowej wystąpi również w płaszczyźnie wzbudzenia i będzie mieć kształt drugiego trybu zginania. Jeśli materiał przepływa od lewej strony w prawo i środek rurki przepływowej przechodzi poprzez punkt zerowego przemieszczenia podczas ruchu w dół, siła Coriolisa w lewej połowie rurki przepływowej będzie skierowana w górę, natomiast siła Coriolisa w prawej połowie rurki przepływowej będzie skierowana w dół. Jeśli rurka przepływowa przechodzi z zerowego położenia w górę, kierunek siły

PL 199 385 B1

Coriolisa będzie odwrócony. Siła Coriolisa oddziaływuje na rurkę przepływową w sposób sinusoidalny (w funkcji czasu) z częstotliwością wzbudzenia. Szczytowa wartość siły Coriolisa występuje przy szczytowej prędkości rurki przepływu, a zerowa wartość siły Coriolisa występuje przy zerowej prędkości rurki przepływowej podczas zmiany jej kierunku.

Siła Coriolisa odkształca rurkę przepływową w drugim trybie zginania, lecz w trybie pierwszej częstotliwości (wzbudzenie). Częstotliwość wzbudzenia jest więc znacznie niższa od częstotliwości rezonansowej drugiego trybu zginania, w związku z czym maksymalne ugięcie rurki przepływowej spowodowane siłą Coriolisa jest bardzo małe. Ugięcie Coriolisa ma porównywalną amplitudę z ugięciem statycznym, jakie wystąpiłoby pod wpływem statycznego przyłożenia siły Coriolisa. A zatem, siła Coriolisa wywołana przepływem materiału odkształca sztywną rurkę przepływową o bardzo sztywnym kształcie (drugie zginanie) z częstotliwością (pierwsze zginanie) bardzo oddaloną od częstotliwości rezonansowej drugiego zginania. W wyniku uzyskuje się ekstremalnie małe ugięcie Coriolisa na rurce przepływowej przy bardzo małej różnicy fazowej pomiędzy sygnałami wytwarzanymi przez dwa czujniki prędkości. Typowe opóźnienie (różnica fazowa podzielona przez częstotliwość) pomiędzy dwoma sygnałami wynikającymi z maksymalnego natężenia przepływu w typowym mierniku wynosi 10 mikrosekund. Jeśli błąd miernika nie może przekraczać 0,15% maksymalnego przepływu, wtedy dokładność pomiaru opóźnienia powinna być większa niż 1,5 nanosekundy (1,5 x 10^-9 sekundy). Dokładny pomiar tak małych przyrostów czasowych wymaga zastosowania bardzo złożonych i kosztownych układów elektronicznych.

W opisie patentowym US Nr 5,557,973 opisano czujnik przepływu masowego zamontowany w przewodzie, przez który przepływa ciecz. Czujnik przepływu masowego posiada kołnierze do zamontowania w przewodzie, pojedynczą rurkę pomiarową, zewnętrzną rurkę podparcia i wewnętrzny element podparcia. Rurka pomiarowa zamontowana w swych końcach do kołnierzy zawiera część drgającą, mającą kształt kołowego zwoju o stałym skoku. Zewnętrzna rurka podparcia posiada końcówki zamocowane do rurki pomiarowej lub kołnierzy. Końce wewnętrznego elementu podparcia zamocowane są do rurki pomiarowej w sąsiedztwie kołnierzy. Czujnik przepływu masowego ponadto zawiera elementy łączące, równomiernie rozłożone na długości wibrującej części rurki pomiarowej, łączące wibrującą część rurki pomiarowej i element wewnętrznego podparcia, umożliwiające tylko te tryby wibrującej części rurki pomiarowej, w których oś symetrii wibrującej części pozostaje w maksymalnie możliwym stopniu zasadniczo na spoczynkowej cylindrycznej powierzchni otaczającej we wszystkich trybach. Taki czujnik przepływu masowego zawiera również mechanizm wzbudzający wibrującą część rurki pomiarowej do drgań rezonansowych prostopadłych do swej osi symetrii.

Opis patentowy FR 1,139,048 przedstawia koncepcję przepływomierza żyroskopowego posiadającego sztywną śrubową rurkę przepływową wywołującą ruch obrotowy doprowadzanego przepływu materiału. Przyłożenie siły w osi rurki przepływowej z przepływającym materiałem wytwarza siłę żyroskopową, której wielkość jest odniesiona do przepływu materiału. W publikacji nie podano szczegółów i jedynie rozważ a się tam sposób działania przepływomierza dla wytworzenia informacji o przepływie materiału z wykorzystaniem siły żyroskopowej.

Według wynalazku, sposób mierzenia masowego przepływu materiału, w którym materiał przeprowadza się przez zespół rurki przepływowej przepływomierza od wlotu materiału do wylotu i cyklicznie odkształca się zespół rurki przepływowej poprzez wprawianie zespołu rurki przepływowej za pomocą połączonego z nią wzbudnika w drgania w płaszczyźnie wzbudzenia zawierającej wzdłużną oś zespołu rurki przepływowej, a jednocześnie przepływ materiału w zespole rurki przepływowej wprawia się w ruch obrotowy wokół osi wzdłużnej zespołu rurki przepływowej i odczytuje się sygnały wywoływane ruchem drgającym i obrotowym za pomocą zespołu czujnikowego, charakteryzuje się tym, że ruch obrotowy przepływu materiału wokół wzdłużnej osi zespołu rurki przepływowej wywołuje się w odpowiedzi na przepływ materiału nadając zespołowi rurki przepływowej z materiałem cykliczne odkształcenie w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej i generując sygnały reprezentujące amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej, a jednocześnie odczytuje się amplitudę cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia, po czym określa się stosunek amplitudy cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie żyroskopowej i amplitudy cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia, a następnie, za pomocą bloku elektronicznego miernika, w odpowiedzi na sygnał określający stosunek amplitud generuje się sygnał wyjściowy o masowym przepływie materiału.

PL 199 385 B1

Korzystnie, kontroluje się amplitudę cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia.

Zespół rurki przepływowej korzystnie wprawia się w drgania zapewniając częstotliwość rezonansową cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia równą częstotliwości rezonansowej w trybie odkształcenia żyroskopowego, maksymalizując amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym i w płaszczyźnie żyroskopowej.

W innym wariancie wynalazku zespół rurki przepływowej wprawia się w drgania zapewniają c częstotliwość rezonansową cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia różną od częstotliwości rezonansowej odkształcenia w trybie żyroskopowym i zmieniając zależność pomiędzy gęstością i przepływem materiału oraz amplitudą cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej.

Materiał wprawia się w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi zespołu rurki przepływowej za pomocą zespołu rurki przepływowej zawierającego pojedynczą rurkę przepływową z umieszczoną w niej śrubową wstęgą.

Także materiał można wprawiać w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi zespołu rurki przepływowej zawierającego pojedynczą rurkę przepływową która ma kształt śrubowy z umieszczoną w niej śrubową wstęgą.

Materiał można wprawiać w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi zespołu rurki przepływowej za pomocą zespołu rurki przepływowej zawierającego liczne rurki przepływowe skręconych ze sobą wokół wzdłużnej osi.

Materiał wprawia się w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi zespołu rurki przepływowej za pomocą zespołu rurki przepływowej zawierającego jedną rurkę przepływową skręconą wokół pręta wokół wzdłużnej osi.

W zespole rurki przepływowej od przepływu materiału generuje się siły Coriolisa w płaszczyź nie wzbudzenia siły Coriolisa, za pomocą których wytwarza się okresowe odchylenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia, przy czym odchylenia Coriolisa zespołu rurki przepływowej odczytuje się za pomocą zespołu czujnikowego i generuje się sygnały wyjściowe dotyczące przepływu materiału, a następnie za pomocą bloku elektronicznego miernika generowane sygnały odchylenia Coriolisa i sygnały żyroskopowe przetwarza się na sygnał wyjściowy dotyczący przepływu materiału.

Korzystnie też do pomiaru stosuje się przepływomierz posiadający rurkę wyważenia równoległą do zespołu rurki przepływowej i połączoną końcami z zespołem rurki przepływowej za pomocą pierścieni łączących, i za pomocą wzbudnika wprawia się w drgania zespół rurki przepływowej i belkę wyważenia w przeciwnej fazie w płaszczyźnie wzbudzenia z częstotliwością rezonansową zespołu rurki przepływowej napełnionej materiałem i belki wyważenia, przy czym zespół rurki przepływowej napełniony materiałem i belkę wyważenia wprawia się w wibracje za pomocą sił żyroskopowych w płaszczyźnie ż yroskopowej z częstotliwością rezonansową zespołu rurki przepływowej napełnionej materiałem i belki wyważenia, w trybie żyroskopowym.

Według wynalazku przepływomierz do mierzenia masowego przepływu materiału, posiadający wlot materiału, wylot materiału i zespół rurki przepływowej mający wlot i wylot, przy czym wlot zespołu rurki przepływowej jest połączony z zespołem doprowadzającym przepływ materiału, a wylot zespołu rurki przepływowej jest połączony z zespołem odprowadzającym przepływ po przeprowadzeniu przez zespół rurki przepływowej, przy czym z zespołem rurki przepływowej jest połączony wzbudnik do cyklicznego odkształcania zespołu rurki przepływowej z częstotliwością rezonansową w płaszczyźnie wzbudzenia zawierającej oś wzdłużną zespołu rurki przepływowej, i zespół rurki przepływowej zawiera element do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału w zespole rurki przepływowej wokół jego osi wzdłużnej oraz jest połączony z zespołem czujnikowym charakteryzuje się tym, że zespół rurki przepływowej jest dostosowany do reagowania na jego cykliczne odkształcenie pod wpływem wzbudnika i na ruch obrotowy przepływu materiału wzbudzający cykliczny tryb żyroskopowy odkształcenia zespołu z rurką przepływową w płaszczyźnie żyroskopowej, które to odkształcenie w trybie żyroskopowym ma amplitudę odniesioną do wielkości przepływu materiału, a zespół czujnikowy jest dostosowany do reagowania na cykliczny tryb odkształcenia żyroskopowego i wytwarzania sygnałów żyroskopowych wskazujących wielkość przepływu materiału, przy czym zespół czujnikowy zawiera pierwszy czujnik do generowania sygnałów reprezentujących amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym i zawiera drugi czujnik do generowania sygnałów reprezentujących amplitudę cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia, a z zespołem czujnikowym jest połączony blok elektroniczny zawierający element wyznaczania proporcji amplitudy poPL 199 385 B1 łączony do odbioru sygnału z pierwszym czujnikiem i generujący sygnał stosunku amplitudy cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej i amplitudy cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia i zawiera element obliczeniowy połączony do odbioru sygnału z elementem wyznaczania proporcji amplitudy do generowania na podstawie sygnału określającego tę proporcję sygnału wyjściowego dotyczącego przepływu materiału.

Zespół czujnikowy zawiera pierwszy czujnik do generowania sygnałów reprezentujących amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym rurki przepływowej w płaszczyźnie żyroskopowej, a blok elektroniczny miernika zawiera element do kontroli amplitudy cyklicznego odkształcenia rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia i element do wytwarzania sygnału o przepływie masowym w odpowiedzi na wygenerowany sygnał reprezentujący amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym rurki przepływowej w płaszczyźnie żyroskopowej.

Wzbudnik jest dostosowany do odkształcenia cyklicznego zespołu rurki przepływowej poprzez wzbudzenie go z częstotliwością równą częstotliwości rezonansowej odkształcenia w trybie żyroskopowym, dla maksymalizowania amplitudy cyklicznego odkształcania w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej.

Korzystnie wzbudnik jest dostosowany do odkształcenia cyklicznego zespołu rurki przepływowej poprzez wzbudzenie go z częstotliwością wzbudzenia różną od częstotliwości rezonansowej odkształcenia w trybie żyroskopowym, dla zmiany zależności pomiędzy gęstością przepływu materiału i amplitudą cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej.

Zespół rurki przepływowej może zawierać pojedynczą prostą rurkę przepływową, śrubową wstęgę umieszczoną wewnątrz rurki przepływowej do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału wokół wzdłużnej osi rurki przepływowej i wytwarzania cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej.

Zespół rurki przepływowej może też zawierać pojedynczą rurkę przepływową posiadającą kształt śrubowy do wywoływania obrotu przepływu materiału wokół wzdłużnej osi rurki przepływowej.

Zespół rurki przepływowej korzystnie zawiera liczne rurki przepływowe skręcone ze sobą wokół wspólnej wzdłużnej osi i mające wydłużony kształt do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału wokół wspólnej wzdłużnej osi.

Zespół rurki przepływowej zawiera pręt i owiniętą wokół niego rurkę przepływową z utworzeniem spirali do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału wokół wspólnej wzdłużnej osi.

Podłużny pręt może być zasadniczo prosty lub pręt i rurka przepływowa mogą być skręcone razem wokół wspólnej wzdłużnej osi.

Korzystnie, w zespole rurki przepływu są umieszczone czujniki do wykrywania ugięcia od sił Coriolisa rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzania i generowania sygnału Coriolisa zawierającego informacje dotyczące przepływu materiału, a blok elektroniczny miernika jest dostosowany do wytwarzania sygnału wyjściowego dotyczącego przepływu materiału na podstawie generowanych sygnałów Coriolisa i sygnałów żyroskopowych.

Zespół rurki przepływowej zawiera belkę wyważenia, której końce są połączone z rurką przepływową za pomocą pierścieni łączących, przy czym rurka przepływowa i belka wyważenia są cyklicznie odkształcane za pomocą wzbudnika w przeciwnej fazie w płaszczyźnie wzbudzenia, z częstotliwością rezonansową zespołu rurki przepływowej napełnionego materiałem i belki wyważenia, i są cyklicznie odkształcane w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej z częstotliwością rezonansową cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym.

Płaszczyzna żyroskopowa jest prostopadła do płaszczyzny wzbudzenia i do osi podłużnej zespołu rurki przepływowej.

Belka wyważenia i rurka przepływowa korzystnie są otoczone obudową, której końce są połączone z końcami rurki przepływowej, przy czym końce rurki przepływowej wystają poprzez końce obudowy i są połączone z kołnierzami, z których pierwszy kołnierz jest połączony ze źródłem dopływu materiału, a drugi kołnierz jest połączony z odbiornikiem przepływu materiału z zespołu rurki przepływowej do miejsca przeznaczenia.

Końce belki wyważenia są połączone z zespołem rurki przepływowej za pomocą pierścieni łączących pierwszego i drugiego, przy czym pierścienie łączące mają poprzeczne poosiowe występy usytuowane w płaszczyźnie wzbudzenia i zamocowane do poprzecznych ścian bocznych zespołu rurki przepływowej do zmiany częstotliwości rezonansowej rozdzielenia odkształcenia zespołu rurki

PL 199 385 B1 przepływowej i odkształcenia belki wyważenia w płaszczyźnie wzbudzenia i cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym zespołu rurki przepływowej oraz belki wyważenia.

W bocznych ś cianach belki wyważ enia mogą być ukształ towane otwory do zmiany rozdzielenia częstotliwości rezonansowych cyklicznego odkształcenia w płaszczyźnie wzbudzenia i cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym zespołu rurki przepływowej i belki wyważenia we wspomnianej płaszczyźnie żyroskopowej.

Obecny wynalazek eliminuje niedogodności znanych przepływomierzy masowych Coriolisa poprzez zastosowanie siły żyroskopowej zamiast siły Coriolisa w pomiarze przepływu materiału. Wirujący materiał wytwarza działanie rurki przepływowej podobne do żyroskopu. Miernik żyroskopowy różni się od przepływomierzy Coriolisa także tym, że posiada czujniki prędkości w środku rurki przepływowej w jej kierunku wzdłużnym, a nie w przednim i tylnym końcu względem środka, tak jak w przepływomierzach Coriolisa.

W celu zrozumienia, w jaki sposób jest wykorzystana siła żyroskopowa wirującego materiału w sposobie pomiaru przepł ywu materiał u wedł ug wynalazku, najpierw zostanie omówione zachowanie się żyroskopu i siły w dwóch przykładach.

Pierwszy przykład przedstawia ruch (precesję) wynikający z momentu obrotowego przyłożonego do swobodnej osi żyroskopu. Drugi przykład umożliwia obliczenie momentu, jaki siła żyroskopowa wywiera na zamocowanie, gdy zostanie ograniczony ruch żyroskopowy (precesja) według pierwszego przykładu. Jest to ten moment wypadkowy, który odkształca rurkę przepływową w obecnym wynalazku i umożliwia pomiar przepływu masowego.

Żyroskopy są urządzeniami posiadającymi masę wykonującą ruch obrotowy wokół osi, nadającą im moment pędu. Typowy żyroskop posiada masę w postaci okrągłej tarczy zamontowanej na cienkiej osi. Unikalne właściwości żyroskopów wynikają z zasady zachowania momentu pędu. Dla zrozumienia obecnego wynalazku potrzebne jest zrozumienie tylko sposobu zachowania się żyroskopu, a nie powodów takiego zachowania. W związku z tym poniższy opis ograniczono do zachowania się żyroskopu w odniesieniu do przepływomierza żyroskopowego według obecnego wynalazku.

Rozważmy typową zabawkę żyroskopową posiadającą koło zamachowe wykonujące ruch obrotowy na osi ustawionej pod kątem 30° względem pionu. W pierwszym stanie zamontowania zakłada się, przykład 1, że górny koniec osi żyroskopu może swobodnie przemieszczać się we wszystkich kierunkach, natomiast dolny koniec osi zamocowano w jednym punkcie i nie może się przemieszczać, lecz zachowuje swobodę obrotu lub wychylenia we wszystkich kierunkach. Gdyby koło zamachowe nie obracało się, żyroskop natychmiast przewróciłby się pod wpływem momentu siły swego ciężaru pomnożonej przez poziome odsunięcie środka masy od osi w dolnym punkcie. Ruch obrotowy koła zamachowego wytwarza moment pędu żyroskopu przeciwstawny do momentu przewrócenia. Moment przewrócenia powoduje otaczanie pionowej osi przez górny koniec. Prędkość takiego ruchu obrotowego, tzw. precesja, wzrasta gdy górny koniec osi żyroskopu powoli opada w dół. W podsumowaniu, moment przewrócenia wytwarza kątowe przyspieszenie górnego końca osi w kierunku obwodowym wokół pionowej osi. Wzrost precesji jest znanym zwiększeniem chybotania się górnej części upadającej zabawki w postaci bąka. W drugim przykładzie, oś wykonującego ruch obrotowy żyroskopu początkowo leży w osi Y układu współrzędnych (kierunek pionowy) a w dolnym końcu oś ta jest powstrzymana przed przemieszczeniem i może się jedynie obracać we wszystkich kierunkach bez możliwości przesuwu. Ruch górnego końca osi ograniczono do płaszczyzny X-Y i powstrzymano w kierunku Z. Powstrzymanie górnego końca osi symbolizuje rowek wyrównany z osią X, w którym górna część osi może się swobodnie poruszać. Przyłożenie siły w górnym końcu osi w kierunku X (wzdłuż rowka) wytwarza ruch kątowy górnego końca w rowku oraz powoduje obrócenie osi w płaszczyźnie X-Y wokół dolnego punktu osi (nie wokół osi ruchu obrotowego). Obrócenie osi w płaszczyźnie X-Y powodowałoby precesję osi, której zapobiega rowek. Natomiast górny koniec osi oddziaływuje siłą żyroskopową GF na bok rowka w ujemnym kierunku Z. Siłę żyroskopową można obliczyć, ponieważ jest funkcją momentu pędu żyroskopu i prędkości kątowej, z jaką oś obraca się w płaszczyźnie X-Y. W obecnym wynalazku należy zwrócić uwagę, że prędkość kątowa osi w płaszczyźnie X-Y wytwarza siłę GF na osi pod kątem prostym do płaszczyzny X-Y, a także pod kątem prostym do osi żyroskopu.

Materiał wykonujący ruch obrotowy w rurce przepływu według obecnego wynalazku powoduje zachowanie podobne do pary żyroskopów. Jeden przepływomierz-żyroskop przechodzi od wlotu rurki do środka rurki, natomiast drugi przepływomierz-żyroskop przechodzi od środka rurki do wylotu rurki. Oś ruchu obrotowego żyroskopu odpowiada osi rurki przepływowej a koła zamachowe odpowiadają materiałowi wykonującego ruch obrotowy w każdej połówce rurki. Siła przyłożona do rurki przepływoPL 199 385 B1 wej przez wzbudnik odpowiada sile przyłożonej w górnym końcu rowka w przykładzie 2. Drganie rurki w płaszczyźnie wzbudzenia powoduje obrót osi symetrii rurki przepływowej, czyli osi ruchu obrotowego, w płaszczyźnie wzbudzenia, alternatywnie w każdym kierunku odpowiadającym kierunkowi rowka.

Zamocowane końce rurki przepływowej są punktami osi ruchu obrotowego dwóch przepływomierzy-żyroskopów. Środkowy punkt rurki odpowiada swobodnemu końcowi (czyli rowkowi) dla każdego końca.

Jednakże rowek ograniczający koniec osi żyroskopu w przykładzie 2 nie występuje w przepływomierzu. Nie występują również swobodne końce przepływomierza-żyroskopu (środek rurki), jak w przykładzie 1. W zamian, sztywność rurki przepływowej ogranicza ruch środka rurki poza płaszczyznę wzbudzenia, lecz mu nie zapobiega. Zachowanie się przepływomierza-żyroskopu odpowiada pośredniemu stanowi pomiędzy przykładem 1 i 2.

Siła żyroskopowa powoduje odchylenie środka rurki poza płaszczyznę wzbudzenia, które jest proporcjonalne do siły żyroskopowej GF. Siła żyroskopowa GF jest z kolei proporcjonalna do natężenia przepływu masowego. Tak więc ugięcie rurki przepływowej poza płaszczyznę wzbudzenia może posłużyć do określenia natężenia przepływu masowego przepływającego materiału.

Kierunek siły żyroskopowej GF i ugięcie rurki przepływowej w reakcji na siłę GF są prostopadłe do kierunku wzbudzenia i osi rurki przepływowej. Ugięcie zmienia znak w kierunku żyroskopowym, przy odwróceniu kierunku wzbudzenia drgań. Maksymalne ugięcie rurki w kierunku żyroskopowym występuje wtedy, gdy ugięcie rurki w kierunku wzbudzenia przechodzi przez punkt zerowy, a prędkość w kierunku wzbudzenia ma największą wartość. Ugięcie rurki przepływowej poza płaszczyznę wzbudzenia ma znak zachowania momentu pędu. Jeśli obrót materiału w rurce przepływowej (patrząc w stronę koń ca) nastę puje w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara), wtedy połączone wzbudzenie i wibracje żyroskopowe nadają obu połówką rurki przepływowej ruch eliptyczny w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Prędkość ruchu obrotowego masy w rurce przepływowej (proporcjonalna do natężenia przepływu) wyznacza wielkość ugięcia rurki w kierunku żyroskopowym. Wielkość przepływu określa, jak wąska (mały przepływ) lub szeroka (duży przepływ) jest wypadkowa elipsa. Gdy siła wzbudzenia jest równa sile żyroskopowej, rurka przepływowa tworzy tor kołowy w rzucie bocznym.

Siła żyroskopowa GF i ugięcie rurki przepływowej w kierunku żyroskopowym są proporcjonalne do momentu pędu wirującego przepływu materiału, który wykonuje ruch obrotowy. Moment pędu jest proporcjonalny do iloczynu masy i prędkości wokół osi ruchu obrotowego. Ponieważ iloczyn masy i prędkości wyznacza siłę żyroskopową a zatem ugięcie żyroskopowe, ugięcie to jest proporcjonalne do natężenia przepływu masowego, a nie natężenia przepływu objętościowego. Przy małej gęstości materiału, przy danym natężeniu przepływu masowego, prędkość tego materiału powinna być duża. Odwrotnie, przy małej gęstości materiału w tym samym natężeniu przepływu masowego prędkość materiału musi być mała. Iloczyn gęstości i prędkości jest niezależny od gęstości dla danego przepływu masowego. A zatem gęstość materiału nie jest miarodajna dla dokładnego pomiaru natężenia przepływu masowego.

Siła żyroskopowa GF różni się znacznie od siły Coriolisa w potrójny sposób. Po pierwsze, jak opisano, siła żyroskopowa jest prostopadła do płaszczyzny wzbudzenia, natomiast siła Coriolisa leży w płaszczyź nie wzbudzenia. Po drugie, siła żyroskopowa działa w tym samym kierunku na całej długości rurki przepływowej (co opisano w dalszej części), natomiast siła Coriolisa zmienia swój znak w środku rurki przepływowej.

Jednorodność znaku siły żyroskopowej na długości rurki przepływowej oznacza, że odkształcenie rurki przepływowej dla miernika żyroskopowego występuje w pierwszym trybie zginania, natomiast odkształcenie od siły Coriolisa występuje w drugim trybie zginania. Rurka przepływowa znacznie łatwiej wygina się w pierwszym trybie zginania, niż w drugim trybie zginania, a zatem dla danej siły rurka przepływowa bardziej wygina się w kierunku żyroskopowym. Po trzecie, ugięcie żyroskopowe jest wzbudzane w pobliżu lub przy częstotliwości rezonansowej dla kształtu tego trybu (pierwszy tryb zginania), natomiast ugięcie Coriolisa wzbudza się przy częstotliwości bardzo odległej od częstotliwości rezonansowej w tym trybie (drugi tryb zginania). A zatem, ugięcie żyroskopowe ulega znacznemu wzmocnieniu w wyniku wzbudzenia w pobliżu lub przy częstotliwości rezonansowej, podczas gdy ugięcie Coriolisa następuje w nieznacznym zakresie. Te trzy różnice powodują większe ugięcie żyroskopowe niż ugięcie Coriolisa i pozwalają na zastosowanie tańszego przetwarzania sygnału.

Wielkość siły żyroskopowej jest proporcjonalna do natężenia przepływu masowego, ilości obrotów wytwarzanych przez przegrodę śrubową oraz amplitudy drgań w płaszczyźnie wzbudzenia. Mak8

PL 199 385 B1 symalne natężenie przepływu dla przepływomierza można wyznaczyć w taki sposób, aby siła żyroskopowa przy maksymalnym natężeniu przepływu była w przybliżeniu równa sile wywieranej przez wzbudnik na rurkę przepływową. Tak więc, rurkę przepływową wzbudza się w okręgu maksymalnego natężenia przepływu przez wzbudnik i siłę żyroskopową.

Przy mniejszych natężeniach przepływu siła żyroskopowa jest mniejsza i okrąg jest bardziej spłaszczony. Dla ustalenia natężenia przepływu jeden czujnik wykrywa prędkość w kierunku żyroskopowym, a drugi w kierunku wzbudzenia.

Proporcja wielkości szczytowych (szczytowa prędkość żyroskopowa/szczytowa prędkość wzbudzenia) będzie ułamkiem maksymalnego natężenia przepływu, jakie występuje. Sposób z zastosowaniem ilorazu prędkości jest łatwy w realizacji i pozwala uniknąć trudności i kosztów pomiaru czasu w nanosekundach.

Zgodnie z innymi możliwymi przykładami realizacji sposobu według wynalazku pominięto zastosowanie rurki przepływowej z wewnętrzną powierzchnią śrubową. Natomiast rurkę przepływową nawinięto śrubowo wokół sztywnego pręta w taki sposób, że śrubowy zwój i pręt mają wspólną oś podłużną. Powoduje to ruch obrotowy przepływu materiału wokół wzdłużnej osi. Rurkę przepływową i pręt wprawia się w wibracje w płaszczyźnie wzbudzenia dla wytworzenia żyroskopowych ugięć w prostopadłej płaszczyźnie. Alternatywnie, stosuje się parę skręconych ze sobą rurek przepływowych, tworzących parę śrubowych członów o wspólnej (wzdłużnej) śrubowej osi.

W ten sposób wytwarza się ruch obrotowy przepływu materiału w obu rurkach przepływowych wokół wspólnej osi. Skręconą parę wibruje się za pomocą wzbudnika, a przepływ materiału wytwarza siły żyroskopowe, jak opisano powyżej. Alternatywnie, stosuje się jedną rurkę przepływową zwiniętą śrubowo dla wytworzenia ruchu obrotowego materiału przepływającego wokół śrubowej osi rurki przepływu. Rurkę przepływową wprawia się w wibracje za pomocą wzbudnika wytwarzając ugięcia żyroskopowe wynikające z ruchu obrotowego przepływu materiału.

Zgodnie z jeszcze innym możliwym przykładem realizacji sposobu według wynalazku przed i za środkiem rurki przepływowej umieszcza się czujniki prędkości dla wykrywania ugięć Coriolisa w rurce przepływowej. Sygnał wyjściowy tych czujników wykorzystuje się wraz z sygnałami czujników żyroskopowych, tworząc przepływomierz generujący sygnały żyroskopowe i sygnały Coriolisa dla ustalenia informacji wyjściowej o przepływie materiału.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat żyroskopu posiadającego wirującą oś wykonującą ruch precesyjny; fig. 2 - schemat żyroskopu z ograniczonym ruchem precysyjnym; fig. 3 - przegrodę ślimakową w widoku z boku; fig. 4 - przegrodę ślimakową zamontowaną wewnątrz rurki przepływowej; fig. 5 - dwie skręcone rurki przepływowe; fig. 6 - rurkę przepływową i skręcony z nią pełen pręt; fig. 7 - rurkę przepływową skręconą wokół prostego pręta; fig. 8 - rurkę przepływową w kształcie śrubowym; fig. 9 - wibrującą wysięgnikową rurkę przepływową wypełnioną przepływem materiału wykonującym ruch wirowy; fig. 10, 11 - rurkę przepływową z fig. 9 z pokazaniem ruchu tej rurki z przepływem i bez przepływu, widok z boku; fig. 12 - koncepcję wibruj ą cej rurki przepł ywowej; fig. 13 - parę wibrują cych rurek wysię gnikowych; fig. 14 - wibrującą rurkę przepływową zamocowaną w obu końcach, wypełnioną przepływem wirującego materiału; fig. 15 - jeden możliwy korzystny przykład wykonania przepływomierza żyroskopowego, w przekroju; fig. 16 - następny korzystny przykład wykonania połączonego przepływomierza żyroskopowego, w przekroju; fig. 17 - pierścień łączący w widoku perspektywicznym; fig. 18 - belki wyważenia w widoku perspektywicznym; fig. 19 - pierwszy korzystny przykład wykonania bloku elektronicznego miernika do przepływomierza żyroskopowego z fig. 15; fig. 20 - drugi przykład wykonania bloku elektronicznego miernika do przepływomierza żyroskopowego z fig. 15; fig. 21 - przykład wykonania bloku elektronicznego miernika do przepływomierza żyroskopowego z fig. 16.

Dla lepszego zrozumienia zasady działania żyroskopowego przepływomierza do pomiaru przepływu masowego według wynalazku niezbędne jest zrozumienie zasady siły żyroskopowej oraz możliwości jej zastosowania w drgającej rurce przepływowej. Na fig. 1 pokazano żyroskop 100 posiadający koło zamachowe 101 i oś 102 o długości L. Koło zamachowe i oś wirują z prędkością kątową ω wokół osi wirowania 103 zgodnej z osią symetrii osi 102. Oś 102 ma długość L ustawioną pod kątem względem osi pionowej Y 105 (kierunek pionowy) układu współrzędnych 104. Koło zamachowe 101 ma promień wirowania r będący takim promieniem, na którym można skoncentrować masę żyroskopu dla uzyskania tej samej bezwładności rotacji, jak dla rozprzestrzenionej masy koła zamachowego 101 i osi 102. Dolny koniec ż yroskopu zamocowany jest w punkcie P, przez co ż yroskop 100 moż e swobodnie wirować we wszystkich kierunkach, lecz bez możliwości przemieszczenia w żadnym kierunku.

PL 199 385 B1

Na żyroskop oddziaływuje siła grawitacji (nie pokazano) wytwarzająca moment obrotowy przewracający żyroskop. Moment przewrócenia powoduje krążenie osi żyroskopu wokół osi pionowej Y 105, jak pokazuje tor 108. Krążenie osi pionowej Y 105 nosi nazwę precesji.

Na fig. 2 jest pokazany żyroskop 200 z osią 102 ustawioną w pionowym położeniu. Górny koniec osi 102 przechodzi poprzez rowek 209 w płycie 210. Płytę zamocowano przestrzennie i nie może się poruszać. Rowek biegnie w kierunku osi poziomej X 106 i ogranicza górny koniec osi 102 do ruchu tylko w kierunku osi poziomej X. Dolny koniec osi zamocowano jak w przypadku osi na fig. 1, w związku z czym może się tylko obracać, bez przemieszczania.

Na górny koniec osi 102 na fig. 2 oddziaływuje siła (nie pokazano) w kierunku osi poziomej X nadająca mu prędkość V. Ponieważ dolny koniec osi zamocowany jest w punkcie P, oś 102 ma prędkość kątową V/L w płaszczyźnie X-Y. Prędkość kątowa osi 102 żyroskopu może wywoływać precesję osi, jak na fig. 1 z tą różnicą, że precesję ogranicza rowek 209. W zamian, oś 102 wywiera siłę żyroskopową GF na bok rowka w ujemnym kierunku osi Z. Można zauważyć, że siła żyroskopowa GF jest prostopadła do osi wirowania 103 i kierunku prędkości górnej części osi 102.

Wzór na moment obrotowy GL podają podręczniki dynamiki, na przykład Kent's Mechanical Engineer's Handbook, wydanie dwunaste, str. 7-18. Moment jest dany wzorem [1].

GL = mr ² nN

Gdzie:

GL = moment obrotowy na osi m = masa koła zamachowego r = promień wirowania N = ilość obrotów koła zamachowego V = prędkość górnej części osi L = długość osi

Powyższe przykłady zachowania się żyroskopu i wzory na siłę żyroskopową podano dla lepszego zrozumienia siły żyroskopowej oddziaływującej na drgającą rurkę przepływową zawierającą wirujący materiał. Mają miejsce jednakże istotne różnice pomiędzy żyroskopami i przepływomierzami według obecnego wynalazku, które będą omówione w miarę przedstawiania.

Aby przepływ materiału w rurce przepływowej wykazywał właściwości żyroskopowe, musi mieć nadany ruch wirowy. Na fig. 3 pokazano jedno możliwe korzystne wykonanie urządzenia 300 umieszczonego w rurce przepływowej w celu nadania ruchu obrotowego dla przepływającego materiału. Urządzenie 300 jest metalową wstęgą 301 skręconą i włożoną oraz wlutowaną wewnątrz rurki przepływowej. Wstęga 301 daje przepływ materiału ze znaną ilością obrotów wokół wzdłużnej osi 310 podczas przechodzenia przepływu przez rurkę. W miarę wzrostu natężenia przepływu materiału wzrasta prędkość przepływu materiału i prędkość wirowania materiału, co polepsza właściwości żyroskopowe.

Na fig. 4 pokazano wstęgę 301 według fig. 3 po wlutowaniu w rurkę przepływową 401. Taką geometrię można również uzyskać poprzez bezpośrednie wytłaczanie odpowiedniego materiału do pożądanego kształtu, dla zaformowania połączonej rurki przepływowej i śrubowej wstęgi. Proces wytłaczania będzie odpowiedni dla miernika żyroskopowego ze sztucznego tworzywa. Wzbudnik D powoduje wibracje rurki przepływowej 401 w płaszczyźnie wzbudzenia, natomiast śrubowa wstęga 405 zapewnia przepływ materiału ze znaną ilością obrotów wokół wzdłużnej osi 410, podczas przechodzenia przepływu materiału na długości rurki przepływowej.

Na fig. 5 pokazano alternatywne urządzenie 500 z rurką przepływową zapewniające znaną ilość obrotów w przepływie materiału wokół wzdłużnej osi 510, podczas jego przechodzenia przez długość rurki przepływowej. Urządzenie 500 wykonane jest poprzez skręcenie i zlutowanie kilku rurek przepływowych 501 i 502 o mniejszej średnicy w złożoną rurkę przepływową. Rurka przepływowa urządzenia 500 ma zaletę prostego i taniego narzędzia, choć ma również wadę występowania wysokiego spadku ciśnienia materiału przepływającego przez ten miernik. Wysoki spadek ciśnienia z powodu mniejszej średnicy rurki wymaga zastosowania licznych rurek. Wzbudnik D wibruje urządzenie 500 w danej płaszczyźnie.

Na fig. 6 pokazano alternatywne urządzenie 600 z rurką przepływową, zapewniające przepływ materiału ze znaną ilością obrotów wokół wzdłużnej osi 610 podczas przechodzenia przez przepły10

PL 199 385 B1 womierz. W urządzeniu 600 występuje pusta rurka przepływowa 601 i pełen podłużny pręt 602, skręcone ze sobą. Urządzenie 600 ma tę zaletę, że rurka przepływowa może mieć wystarczająco dużą średnicę dla dostarczenia żądanego przepływu materiału, natomiast skręcenie z prętem 602 daje wystarczającą sztywność urządzenia 600 z rurką przepływową 601. Wzbudnik D wibruje urządzenie 600 w płaszczyźnie wzbudzenia, w pionowej płaszczyźnie rysunku.

Na fig. 7 przedstawiono alternatywne urządzenie 700 z rurką przepływową zapewniające przepływ materiału ze znaną ilością obrotów wokół wzdłużnej osi 710 przy przechodzeniu materiału przez przepływomierz. W urządzeniu 700 śrubową rurkę przepływową 701 zwinięto wokół prostego pręta 702, który nadaje sztywność rurce przepływowej 701. Rurka przepływowa 701 może mieć wystarczającą średnicę dla uzyskania żądanej zdolności przepływu materiału. Lewe końce rurki przepływowej i prę ta oznaczono 706 i 705, natomiast prawe koń ce oznaczono 703 i 704. Wzbudnik D pionowo wibruje urządzenie 700. Na fig. 8 przedstawiono alternatywne urządzenie 800 z rurką przepływową, zapewniające przepływ materiału ze znaną ilością obrotów wokół wzdłużnej osi 810 podczas przechodzenia przez przepływomierz, część którego stanowi pokazane urządzenie 800. Wzbudnik D pionowo wibruje urządzenie 800. W urządzeniu 800 występuje śrubowa rurka przepływowa 801, posiadająca lewy koniec 803 i prawy koniec 802.

Na fig. 9 pokazano działanie siły żyroskopowej na wibrującej wysięgnikowej rurce przepływowej 901 zawierającej wibrujący materiał. Taką geometrię można zastosować w przepływomierzu, lecz w tym przypadku służy ona głównie dla zrozumienia, a także wypełnienia przedziału pomiędzy żyroskopem według fig. 2 i przepływomierzem według obecnego wynalazku, w którym zamocowano oba końce rurki przepływowej. Rurkę przepływową 901 ustawiono w osi X a jej wolny koniec 908 wykonuje wraz ze wzbudnikiem drgania rezonansowe w kierunku pionowym, czyli w kierunku osi Y. Nieruchomy koniec 904 jest połączony z nieruchomą płytą 902. Rurka przepływowa 901 zawiera śrubową przegrodę 905 (podobną do śrubowej wstęgi 301), która powoduje obrót przepływu materiału w ruchu pokazanym przez tor 903 wokół wzdłużnej osi 910. Linią ciągłą pokazano przejście w kierunku dolnym rurki przepływowej 901 poprzez zerowe przemieszczenie. Rurka ma prędkość V w ujemnym kierunku osi Y. Liniami przerywanymi 906 i 907 pokazano rurkę przepływową 901 w maksymalnym wychyleniu w dodatnim i ujemnym kierunku osi Y. Drgania rurki przepł ywowej w kierunku osi Y nadają jej (oraz osi wirowania) przemienny obrót w płaszczyźnie X-Y (płaszczyzna wzbudzenia) wokół jej zamocowanego końca 904. Wywołany drganiami obrót osi wirowania materiału jest porównywalny z prędkością kątową V/L osi wirowania żyroskopu na fig. 2. GF jest siłą żyroskopową, jaką wywiera obracający się materiał na wysięgnikową rurkę przepływową 901, gdy rurka przepływowa wygina się w dół. Siła GF jest prostopadła do prędkości V i do osi rurki. W górnym i dolnym punkcie swego ruchu rurka przepływowa zatrzymuje się i zmienia kierunek. Powoduje to obracanie osi rurki przepływowej w płaszczyźnie X-Y wokół jej nieruchomego końca 904, dla zmiany kierunku. Zmiana kierunku siły żyroskopowej GF następuje również przy zmianie obrotu rurki przepływowej w płaszczyźnie X-Y. W ten sposób siła GF przybiera postać sinusoidalną, w fazie z prędkością V rurki przepływowej, lecz o kierunku prostopadłym do prędkości V rurki przepływu i osi rurki przepływu.

Wysięgnikowa rurka przepływowa według fig. 9 różni się od żyroskopu według fig. 2 wieloma cechami. Na fig. 2 cała oś żyroskopu obraca się z tą samą prędkością, natomiast obrót osi rurki przepływowej 901 w płaszczyźnie wzbudzenia zmienia się na jej długości. Obrót wysięgnikowej rurki przepływowej 901 wzrasta od zera w jej zamocowanym końcu 904 do maksimum w swobodnym końcu 908. Siła żyroskopowa według fig. 9 dla drgającej rurki przepływowej jest również poosiowo rozłożona na długości rurki przepływowej 901, przy czym w zamocowanym końcu siła ma wartość zerową, a w swobodnym końcu ma wartość maksymalną. Wyraż ający siłę żyroskopową wzór [1] określa moment wywierany na sztywną oś, której cała oś symetrii obraca się o tę samą wielkość. Wzór [1] nie dotyczy bezpośrednio zginania rurki przepływu.

Wzór na moment żyroskopowy dla zginanej rurki przepływowej łatwo można wyrazić rachunkowo. Rurkę przepływową dzieli się na małe odcinki o pomijalnie małej długości i masie. Każdy mały odcinek można potraktować jako prosty odcinek rurki, ponieważ jego krzywizna jest bardzo mała. Jednakże dla określenia wielkości obrotu każdego odcinka rurki przepływu wymagane jest określenie krzywizny całej odkształconej rurki. Korzystnie, zdeformowany kształt drgającej rurki przepływowej jest w przybliż eniu taki sam, jak zdeformowany kształt jednorodnie odkształconej belki wysięgnikowej. Dla ujednorodnienia obciążonej belki, odkształcenie (ugięcie od poziomu) jest proporcjonalne do sześcianu odległości od stałego końca. W przypadku drgań sinusoidalnych prędkość jest proporcjonalna do przemieszczenia. A zatem, rozkład prędkości na długości rurki jest proporcjonalny do sześcianu odlePL 199 385 B1 głości od zamocowanego końca. Oznacza to, że szczytowa prędkość drgań każdego segmentu rurki przepływowej określona wzorem [1] jest również proporcjonalna do sześcianu odległości od zamocowanego końca rurki, a siła żyroskopowa GF na każdym segmencie jest również proporcjonalna do sześcianu odległości od zamocowanego końca. Rozkład siły żyroskopowej GF wzdłuż drgającej rurki pokazują strzałki GF. Moment żyroskopowy netto GFL wyznacza się poprzez całkowanie momentu na długości przepływu. Szczytowy moment żyroskopowy określa wzór [2].

G_FL = 1/3mr² πΝ

Gdzie:

GFL = moment żyroskopowy netto m = masa koła zamachowego r = promień wirowania

N = ilość obrotów koła zamachowego

Vmax = szczytowa prędkość końca rurki przepływowej

L = dł ugość osi

Wzór [2] wykazuje, że szczytowy moment drgającej wysięgnikowej rurki przepływowej jest po prostu jedną trzecią momentu w wirującym żyroskopie według wzoru [1]. Różnica wartości wynika ze zginania rurki przepływowej w funkcji jednorodnego obrotu osi żyroskopowej. Moment według wzoru [2] jest istotny, ponieważ wygina rurkę przepływową poza płaszczyznę wzbudzenia (płaszczyzna X-Y) i służy do pomiaru przepływu materiału.

Wzór na siłę żyroskopową GF zastosowany do rurki przepływowej w czasie jest po prostu wartością szczytową pomnożoną przez częstotliwości drgań osi.

G_fL = 1/3mr² f-30j cos(wt)

GFL = moment żyroskopowy netto m = masa koł a zamachowego r = promień wirowania

N = ilość obrotów koła zamachowego

Vmax = szczytowa prędkość końca rurki przepływowej

L = dł ugość osi w = częstotliwości drgań osi

Figury 10 i 11 przedstawiają drgającą przepływową rurkę wysięgnikową 901 według fig. 9. Na fig. 10 i 11 pokazano koniec wibrującej rurki przepływowej 901 bez przepływu materiału, a zatem bez obrotu materiału. Pokazany linią ciągłą okrąg końcówki 908 przedstawia rurkę przepływową w zerowym przemieszczeniu. Liniami przerywanymi pokazano maksymalne przemieszczenie w kierunku dodatnim i ujemnym.

Przy braku przepływu materiału wibracje rurki przepływowej pozostają w płaszczyźnie wzbudzenia. Na fig. 11 pokazano w rzucie z boku drgającą rurkę przepływową 901, z przepływem materiału. Żyroskopowy efekt wymusza drgania rurki przepływowej 901 poza płaszczyzną pionową, w ruchu eliptycznym. Pokazane linią przerywaną okręgi górny 1101 i dolny 1102 przedstawiają maksymalne przemieszczenie w kierunku dodatnim i ujemnym. Pokazane linią przerywaną okręgi lewy 1103 i prawy 1104 przedstawiają maksymalne przemieszczenie rurki przepływowej w żyroskopowym kierunku dodatnim i ujemnym. Narysowany linią ciągłą okrąg środkowy przedstawia położenie rurki w stanie spoczynkowym, wewnętrzna strzałka pokazuje kierunek wirowania materiału. Szerokość elipsy W utworzonej przez okręgi 1103-1104 jest proporcjonalna do żyroskopowego momentu na rurce przepływowej 901. Szerokość W jest również proporcjonalna do iloczynu masy przepływu materiału i prędkości obrotu materiału (patrz wzory [1-3]), a zatem do natężenia przepływu masowego materiału. Elipsa przybiera postać okręgu, gdy moment żyroskopowy netto jest równy momentowi wywieranemu przez wzbudnik na rurkę przepływową. Należy zauważyć, że przemieszczenie wywołane wzbudzaniem i przemieszczenie żyroskopowe są wzajemnie prostopadłe, i gdy jedno przybiera wartość maksymalną, drugie jest równe zeru. Suma dwóch planarnych wibracji daje ruch eliptyczny, jak pokazano na fig. 11.

PL 199 385 B1

Wysięgnikową rurkę przepływową 901 według fig. 9, 10 i 11 wibruje się siłą sinusoidalną ze wzbudnika D. Częstotliwość siły sinusoidalnej ustawiana jest pod względem sprawności energetycznej jako równa częstotliwości rezonansowej pierwszego trybu zginania rurki przepływowej. W przypadku rezonansu, dla utrzymania dużej amplitudy drgań potrzebna jest bardzo mała siła wzbudzenia. Częstotliwość rezonansowa rurki przepływu w zginaniu jest taka sama w kierunku wzbudzenia, jak i w kierunku żyroskopowym, ze względu na symetrię rurki przepływowej. Sinusoidalną siłę żyroskopową, jak na przykład siłę wzbudzenia, z częstotliwością rezonansową (wzbudzenia) wywiera na rurkę przepływową przepływający materiał. Ponieważ siła żyroskopowa oddziaływuje na rurkę przepływową z częstotliwością rezonansową rurki przepływowej w kierunku żyroskopowym, w rezultacie powstaje duża amplituda odkształcenia rurki przepływowej w kierunku żyroskopowym.

W jednym korzystnym przykładzie wykonania przepływomierz żyroskopowy posiada rurkę przepływową zamocowaną w obu końcach. Na fig. 12 i 13 przedstawiono różnice pomiędzy rozkładem siły żyroskopowej na wysięgnikowej rurce przepływowej i na rurce przepływowej zamocowanej w obu końcach 1202 i 1203. Rurka przepływowa 1201 podobnie jak wysięgnikowa rurka przepływowa 901 zawiera śrubową przegrodę (nie pokazano) powodującą ruch obrotowy przepływu materiału. Rurkę przepływową 1201 pokazano liniami przerywanymi 1204 w maksymalnym ugięciu w kierunku wzbudzenia. Na fig. 13 pokazano parę wysięgnikowych rurek przepływowych 1308L i 1308R, a każda z nich jest podobna do wysięgnikowej rurki przepływowej 901 według fig. 9-11. Liniami przerywanymi 1305L i 1305R pokazano wysięgnikowe rurki przepływowe 1308L i 1308R również w maksymalnym wychyleniu w kierunku wzbudzenia.

Z porównania kształtów ugięcia rurek według fig. 12 i 13 wynika istotna różnica. Pochylenie osi wysięgnikowych rurek 1305L i 1305R wzrasta w ciągły sposób w kierunku wolnych (centralnych) końców obu rurek. Natomiast pochylenie osi ciągłej rurki 1201 początkowo wzrasta i następnie maleje do zera w środkowej części rurki. Taka różnica w sposobie odkształcenia powoduje różnicę wielkości obrotu w płaszczyźnie wzbudzenia podczas drgań. Ciągła rurka przepływowa 1201 zawiera centralny segment, który nie obraca się przy drganiach w płaszczyźnie wzbudzenia, lecz jedynie przemieszcza się w górę i w dół. Brak obrotu w centralnym segmencie oznacza brak generowania siły żyroskopowej przez przepływający i obracający się materiał w centralnym segmencie. Odwrotnie, wysięgnikowe rurki przepływowe posiadają maksymalne pochylenie, a zatem swój największy obrót i siłę żyroskopową w wolnych końcach. Na fig. 14 przedstawiono rozkład siły żyroskopowej w rurce przepływowej z przegrodą śrubową (nie pokazano) i z zamocowanymi dwoma końcami. Rurkę przepływową 1401 ustawiono w taki sposób, że ruch wzbudzenia leży poza płaszczyzną kartki papieru (kierunek osi Y). Magnes wzbudnika D pokazano w środku rurki przepływowej. Rurkę przepływową wzbudza się z częstotliwością rezonansową pierwszego trybu zginania. Czujnik prędkości 1405 pokazano poniżej środka rurki przepływowej, gdzie mierzy się prędkość przepływu w kierunku żyroskopowym. Ciągłymi liniami pokazano rurkę przepływową w zerowym przemieszczeniu w kierunku żyroskopowym (osi Z). Liniami przerywanymi pokazano rurkę przepływową w maksymalnym przemieszczeniu w kierunku żyroskopowym (osi Z). Drgania rurki przepływowej 1401 w płaszczyźnie wzbudzenia (niewidocznej w tym rzucie) powodują obrócenie lewej połowy osi rurki przepływowej względem lewego końca 1402, natomiast prawa połowa osi rurki przepływowej obraca się względem swego prawego końca 1403. Środek rurki nie obraca się, lecz przemieszcza. Przepływ wirującego materiału w połączeniu z drganiami rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia wytwarzają siły żyroskopowe oddziaływujące na rurkę przepływową pod kątem 90° względem płaszczyzny wzbudzenia i względem osi rurki przepływowej. Wzdłuż rurki przepływowej 1401 pokazano rozkład siły żyroskopowej GF (strzałki), gdy rurka przepływowa przechodzi przez punkt zerowego odkształcenia w kierunku żyroskopowym. Wartość szczytowa siły żyroskopowej występuje w przybliżeniu na 25% i 75% długości rurki żyroskopowej. Siła ta maleje do zera w obu końcach rurki przepływowej oraz w środku, ze względu na brak obrotu osi rurki w obu tych położeniach.

Pomimo niejednorodnego rozkładu sił rurka przepływowa 1401 odkształca się w swym pierwszym trybie zginania (tak jak w trybie wzbudzenia) w płaszczyźnie żyroskopowej. Występuje inicjacja pierwszego trybu zginania, ponieważ jest to jedyny tryb odkształcenia w tym samym kierunku (całkowicie dodatnim lub całkowicie ujemnym). Ponadto, przy częstotliwości wzbudzenia materiał oddziaływuje na rurkę siłami żyroskopowymi. Częstotliwość wzbudzenia jest również częstotliwością rezonansową pierwszego trybu zginania w kierunku żyroskopowym. W trybie pierwszego zginania występuje duża reakcja żyroskopowa, ponieważ wzbudzenie rurki przez siłę żyroskopową następuje z częstotliwością rezonansową lub zbliżoną.

PL 199 385 B1

Na fig. 15 pokazano korzystny przykład wykonania przepływomierza masowego według wynalazku. Przepływomierz masowy 1500 zawiera belkę wyważenia 1502 połączoną z rurką przepływową 1501 za pomocą pierścieni łączących 1503 i 1504 w końcach belki wyważenia 1502. Belkę wyważenia i rurkę przepływową według fig. 15 wzbudza się w przeciwnych fazach za pomocą wzbudnika D, wzajemną częstotliwością rezonansową w płaszczyźnie wzbudzenia (prostopadła do kartki papieru). Belka wyważenia 1502 służy do wyrównoważenia rurki przepływowej 1501 w kierunku wzbudzenia i w kierunku żyroskopowym, a tym samym w stałych obszarach (węzłach) w końcach aktywnej części rurki przepływowej, gdzie rurka przepływowa łączy się z odnośnymi pierścieniami łączącymi 1503 i 1504. Częstotliwość rezonansowa pierwszego trybu zginania belki wyważenia 1502 jest równa lub nieco mniejsza od częstotliwości rezonansowej pierwszego trybu zginania rurki przepływowej 1501. Belka wyważenia 1502 może być rurowym członem o częstotliwości rezonansowej obniżonej przez dodaną małą masę i wycięcia 1514. Położenie i wpływ wycięć opisano poniżej w odniesieniu do fig. 18. Belka wyważenia 1502 według fig. 15 może również posiadać symetrię czterokierunkową (oba kierunki w płaszczyźnie wzbudzenia i w płaszczyźnie siły ż yroskopowej), przez co będzie mieć równe częstotliwości rezonansowe w kierunku wzbudzenia i w kierunku żyroskopowym. Zrównanie częstotliwości rezonansowych maksymalizuje amplitudę drgań żyroskopowych, a zatem czułość przepływu miernika.

Przy przepływie materiału siła żyroskopowa wzbudza drgania rurki przepływowej 1501 w kierunku żyroskopowym (w płaszczyźnie kartki papieru) z tą samą częstotliwością (wzbudzenia). Ruch rurki przepływowej 1501 w kierunku żyroskopowym pod kątem 90° do kierunku wzbudzenia wzbudza belkę wyważenia w kierunku żyroskopowym poprzez pierścienie łączące 1503, 1504, które mocują końce rurki wyważenia 1502 do końców aktywnej części rurki przepływowej 1501. Ponieważ rurka przepływowa jest wzbudzana częstotliwością rezonansową lub zbliżoną, z przesunięciem fazowym względem kierunku żyroskopowego dla rurki przepływowej, zwiększa swą amplitudę aż do zrównoważenia ruchu przepływowego rurki przepływowej. Tak więc rurka przepływowa 1501 wykonuje drgania w płaszczyź nie wzbudzenia i w płaszczyźnie ż yroskopowej, i jest dynamicznie równoważona w obu kierunkach poprzez belkę wyważenia 1502. Natomiast przepływomierz Coriolisa z pojedynczą rurką przepływową wyważa się dynamicznie tylko w trybie wzbudzenia. Większość handlowych przepływomierzy Coriolisa nie ma zrównoważenia siły Coriolisa. Siła Coriolisa oddziaływuje na rurkę przepływową z częstotliwością wzbudzenia i w płaszczyźnie wzbudzenia, lecz siła Coriolisa ma przeciwne znaki po każdej stronie wzbudnika. Taki rozkład siły Coriolisa sprzyja wzbudzeniu drugiego trybu zginania belki wyważenia i przeciwdziała sile Coriolisa. Jednakże częstotliwość rezonansowa drugiego trybu zginania belki wyważenia jest prawie trzy razy większa od częstotliwości wzbudzenia. A zatem, belka wyważenia nie jest wzbudzana w drugim trybie zginania i siły Coriolisa nie są w pełni równoważone. Wyjątek stanowi belka wyważenia o zwiększonej czułości, ujawniona w opisie patentowym US 5,987,999, ponieważ eliminuje tę kwestię. Siła ma przeciwne znaki po obu stronach wzbudnika. Belka wyważenia opisana w US 5,987,999 ma obniżoną częstotliwość rezonansową dla drugiego trybu zginania, tym samym leżącą w pobliżu częstotliwości wzbudzenia. Dla innych handlowych przepływomierzy ze względu na separację częstotliwości drugi tryb zginania belki wyważenia nie jest wystarczająco wzbudzany i siła Coriolisa nie jest równoważona. Brak zrównoważenia stanowi problem w przypadku mierników Coriolisa, ponieważ prowadzi do wstrząsów miernika i przejawia się w jego niedokładności. Nie dotyczy to miernika żyroskopowego, ponieważ żyroskopowe drgania rurki przepływowej równoważy belka wyważenia.

Siły Coriolisa powstają w drgającej rurce przepływowej miernika żyroskopowego. Siły te mogą nie wywierać wpływu na pomiar żyroskopowy, jednakże ponieważ pozostają wraz z wypadkowym ugięciem Coriolisa w rurce przepływowej, występują w płaszczyźnie wzbudzenia i nie są wykrywane przez centralnie umieszczony czujnik prędkości żyroskopowej. Ponadto, niezrównoważone drgania w płaszczyź nie wzbudzenia i w płaszczyźnie Coriolisa nie wywierają wpływu na pomiar amplitudy żyroskopowej w płaszczyźnie żyroskopowej.

W mierniku na fig. 15 zastosowano magnes wzbudnika D i cewkę wzbudzając ą (nie pokazano) w ś rodku na d ł ugoś ci rurki przepł ywowej i belki wyważ enia. Czujnik amplitudy wzbudzenia (czujnik prędkości) 1508 jest umieszczony po przeciwnej stronie rurki przepływowej względem magnesu wzbudnika D. Sygnał wyjściowy czujnika amplitudy wzbudzenia jest proporcjonalny do prędkości lub amplitudy drgań rurki przepływowej 1501 względem belki wyważenia 1502 w kierunku wzbudzenia. Służy on do kontrolowania amplitudy wzbudzenia drgającej rurki przepływowej.

Czujnik amplitudy żyroskopowej (czujnik prędkości) 1511 jest umieszczony w środku rurki przepływowej 1501 pod kątem 90° do wzbudnika D. Sygnał wyjściowy czujnika prędkości jest proporcjo14

PL 199 385 B1 nalny do prędkości lub amplitudy drgań rurki przepływowej względem belki wyważenia w kierunku żyroskopowym. Ponieważ amplituda drgań rurki przepływowej w kierunku żyroskopowym jest proporcjonalna do amplitudy wzbudzenia i natężenia przepływu masowego, sygnał wyjściowy czujnika prędkości żyroskopowej nie może służyć jako jedyny wskaźnik natężenia przepływu masowego. Musi być znana również amplituda drgań wzbudzenia. Taki korzystny sposób nie kontroluje dokładnie amplitudy drgań wzbudzenia, lecz dokładnie mierzy amplitudę drgań wzbudzenia. Do określenia natężenia przepływu masowego stosuje się iloraz sygnału wyjścia czujnika prędkości żyroskopowej 1511 i sygnału wyjściowego zmierzonej amplitudy czujnika wzbudzenia 1508. W sposobie tym mierzy się zasadniczo współczynnik kształtu eliptycznego toru przyjmowanego przez rurkę przepływową. Współczynnik kształtu elipsy jest proporcjonalny do natężenia przepływu masowego i jest niezależny od wielkości elipsy oraz amplitudy wzbudzenia.

Przepływomierz 1500 według fig. 15 posiada rurkę przepływową 1501 i belkę wyważenia 1502, a ich końce są połączone pierścieniami łączącymi 1503 i 1504. Bierne części 1501L i 1501R rurki przepływowej 1501 wystają poosiowo na zewnątrz poza pierścienie łączące 1503, 1504 i poprzez końce 1509 obudowy 1505. Rurka przepływowa dochodzi do kołnierzy 1506 i 1507. Łączniki 1512 obudowy łączą końce belki wyważenia 1502 z wewnętrzną ścianą 1519 obudowy 1505.

Działanie przepływomierza 1500 kontroluje blok elektroniczny miernika 1520. W tym celu wysyłane są sygnały torem 1521 dla napędu wzbudnika D wytwarzającego drgania rurki przepływowej 1501 i belki wyważenia 1502 w przeciwnej fazie, w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny kartki papieru. Czujnik wzbudzenia 1508 mierzy amplitudę wibracji wzbudzenia, a sygnał wzbudzenia drgań doprowadza się do układu elektronicznego 1520 torem 1522. W wyniku przepływu materiału poprzez drgającą rurkę przepływową, jak opisano uprzednio, powstają siły żyroskopowe. Siły te wytwarzają zróżnicowane fazowo drgania w rurce przepływowej i belce wyważenia, w płaszczyźnie kartki papieru. Drgania żyroskopowe wykrywa czujnik prędkości żyroskopowej 1511 i podaje sygnały torem 1523 do układu elektronicznego 1520. Układ elektroniczny przetwarza sygnały odebrane torami 1522 i 1523 i wytwarza sygnały wyjściowe podawane torem 1526, zawierające informacje dotyczące przepływu materiału. Kołnierze 1507 i 1506 przepływomierza 1500 są połączone z obudową 1505 poprzez szyjki 1510.

W przepływomierzu 1500 może występować belka wyważenia tworząca z rurką parę o częstotliwości rezonansowej w kierunku wzbudzenia różnej od częstotliwości żyroskopowej rezonansowej w kierunku żyroskopowym. Przykład posiadający różne częstotliwości rezonansowe dla kierunku wzbudzenia i kierunku żyroskopowego może być korzystny w porównaniu z przykładem o równych częstotliwościach rezonansowych. Przykładowo, miernik posiadający nierówne częstotliwości rezonansowe można zastosować do kompensacji zmian czułości miernika przepływu przy zmianie gęstości przepływającego materiału.

W miernikach Coriolisa, a także w przepływomierzach żyroskopowych posiadających równe częstotliwości rezonansowe w kierunku wzbudzenia i w kierunku żyroskopowym, powszechnie występuje zmiana czułości wraz z gęstością. Zmiana czułości wynika z ilorazu amplitudy pomiędzy rurką przepływową i belką wyważenia w trybie wzbudzenia zmieniającego się wraz z gęstością. Zmiana ilorazu amplitudy pomaga zachować wyważenie miernika poprzez zmniejszenie amplitudy wzbudzenia rurki przepływu w miarę wzrostu gęstości materiału i zmniejszenie amplitudy wzbudzenia belki wyważenia dla utrzymania tej samej amplitudy połączonych drgań. Zmiana ilorazu amplitudy utrzymuje wyważenie miernika w płaszczyźnie wzbudzenia, poprzez zachowanie momentu. Cięższa rurka przepływowa daje mniejsze przemieszczenie, a niezmieniona belka wyważenia daje większe przemieszczenie ze wzrostem gęstości. Zmiana ilorazu amplitudy z gęstością jest nieodłączna w geometrii układu dobrego przepływomierza. Lecz zmniejszenie amplitudy rurki przepływomierza powoduje generowanie mniejszej siły żyroskopowej dla tego samego natężenia przepływu. Mniejsza siła żyroskopowa oznacza, że amplituda drgań rurki w kierunku żyroskopowym jest mniejsza dla większej gęstości materiału, niż dla mniejszej gęstości materiału. Bezpośrednim wynikiem jest zmniejszenie czułości przepływu dla przepływomierza żyroskopowego w przypadku większej gęstości materiału przepływającego w porównaniu z mniejszą gęstością. Przedstawiono to szczegółowo w opisie patentowym US 5,969,265.

Jednym ze sposobów kompensacji zmian czułości przepływomierza wraz ze zmianą gęstości jest budowa miernika o większej częstotliwości rezonansowej w kierunku wzbudzenia od częstotliwości rezonansowej w kierunku żyroskopowym. Większa gęstość materiału powoduje zmniejszenie częstotliwości drgań wzbudzenia. Jeśli częstotliwość rezonansowa w kierunku żyroskopowym jest wystarczająco mniejsza od częstotliwości wzbudzenia, obniżenie częstotliwości wzbudzenia wytwarza siłę

PL 199 385 B1 żyroskopową oddziaływującą przy częstotliwości bliższej żyroskopowej częstotliwości rezonansowej. Ponieważ wzmocnienie drgań wzrasta przy zbliżeniu częstotliwości wzbudzenia do częstotliwości rezonansowej miernika drgań, takie obniżenie częstotliwości wzbudzenia powoduje wzrost amplitudy drgań w kierunku żyroskopowym i redukuje spadek amplitudy powodowany wzrostem gęstości materiału.

Częstotliwości rezonansowe w płaszczyźnie wzbudzenia i w płaszczyźnie żyroskopowej mogą być łatwo rozdzielone poprzez wykonanie bardziej sztywnej lub bardziej elastycznej konstrukcji dynamicznej w kierunku wzbudzenia niż w kierunku żyroskopowym. Przykładowo, belka wyważenia na fig. 15 posiada wycięcie 1514 w miejscu występowania małych naprężeń zginających w trybie drgań wzbudzenia oraz występowania dużych naprężeń zginających w trybie drgań żyroskopowych. Wycięcia w tym położeniu zmniejszają rezonansową częstotliwość żyroskopową, pozostawiając zasadniczo niezmienioną rezonansową częstotliwość wzbudzenia.

Na fig. 16 pokazano inny przykład wykonania przepływomierza 1600 niemal pod każdym względem podobny do przepływomierza 1500 na fig. 15. Przepływomierz 1600 oznaczono odnośnikami w przedziale 1600 w sposób wskazujący na analogię z odpowiadającymi elementami według fig. 15 oznaczonymi odnośnikami w przedziale 1500. Przepływomierz 1600 reaguje na wytwarzanie sił żyroskopowych w taki sam sposób, jak przepływomierz 1500 i podaje sygnały torami 1622 i 1623 reprezentujące amplitudę żyroskopową oraz amplitudę wzbudzenia, które z kolei przedstawiają natężenie przepływu materiału w przepływomierzu 1600. Przepływomierz według fig. 15 różni się od przepływomierza według fig. 16 tym, że na fig. 15 zastosowano wycięcia w belce wyważenia 1502 dla obniżenia częstotliwości rezonansowej poniżej częstotliwości wzbudzenia, natomiast w przepływomierzu według fig. 16 zastosowano występy 1616 na pierścieniach łączących 1604 dla zwiększenia częstotliwości wzbudzenia. Oba sposoby służą temu samemu celowi, którym jest rozdzielenie częstotliwości rezonansowych w kierunku wzbudzenia i w kierunku żyroskopowym i tym samym wprowadzenie niezależności czułości przepływomierza od gęstości materiału. Pierścienie łączące 1616 opisano w odniesieniu do fig. 17.

Inną różnicą pomiędzy przepływomierzami według fig. 15 i 16 jest to, że przepływomierz 1600 posiada dodatkowe czujniki LPO i RPO zamocowane do rurki przepływowej 1601. Czujniki te reagują na siły Coriolisa wytwarzane przez drgania rurki przepływowej 1601 przy przepływie materiału. Czujniki LPO i RPO wykrywają siły Coriolisa i podają sygnały torami 1624, 1625 do układu elektronicznego miernika 1620, który określa natężenie przepływu, wykorzystując sygnał wyjściowy czujnika Coriolisa. Blok elektroniczny miernika 1620 określa natężenie przepływu dwoma oddzielnymi sposobami: z wykorzystaniem sił Coriolisa i sił żyroskopowych. Oba natężenia przepływu obliczone z niezależnych sygnałów czujników w niezależnych sposobach mogą służyć dla zwiększenia dokładności poprzez uśrednienie lub kontrolę błędów. Przykładowo, w pewnych warunkach operacyjnych, na przykład przy ekstremalnych temperaturach oba zestawy informacji mogą być niezgodne i informacja wyjściowa jednego zestawu może być wykorzystana samodzielnie. W innych warunkach operacyjnych oba zestawy informacji można połączyć i uśrednić, dostarczając więcej informacji i przepływie materiału o większej dokładności w torze 1626. Ponadto, zastosowanie obu sposobów pomiaru natężenia przepływu może zwiększyć niezawodność przepływomierza, gdy zawiedzie jeden z układów pomiarowych.

Na fig. 17 pokazano pierścień łączący 1700 korzystnie stosowany w pierścieniach łączących 1503, 1504, a także 1603 i 1604 przepływomierzy 1500 i 1600 według fig. 15 i 16. Pierścień łączący 1700 jest zasadniczo okrągłym członem posiadającym kołową powierzchnię zewnętrzną 1701 i środkowy otwór 1706, a także wystające boczne elementy 1616. Pierścień łączący 1700 montuje się na rurkach przepływowych 1501 i 1601 przechodzących poprzez okrągły otwór 1706. Wewnętrzną powierzchnię 1707 pierścienia łączącego 1700 łączy się z wewnętrzną powierzchnią rurek przepływowych przez lutowanie, itp. Zewnętrzną powierzchnię 1701 pierścienia łączącego 1700 łączy się poprzez lutowanie, itp., z wewnętrzną ścianą 1519 i 1619 belek wyważenia 1502 i 1602. Pierścienie łączące 1700 służą głównie jako tor połączenia drgań końców belek wyważenia z rurkami przepływu.

Pierścienie łączące 1700 wkłada się na rurki przepływowe w taki sposób, aby wystające części boczne 1616 występowały w górnej i dolnej części rurek przepływowych. Wystające części skracają drgającą długość rurki przepływowej w odniesieniu do częstotliwości rezonansowej wzbudzenia, bez wywierania wpływu na drgającą długość i tym samym częstotliwość rezonansową w kierunku żyroskopowym. Zmienia to rozdzielenie częstotliwości rezonansowej drgań wzbudzenia w stosunku do częstotliwości rezonansowej drgań żyroskopowych. Rozdzielenie częstotliwości umożliwia kompensację przepływomierza wobec zmian czułości przepływu i gęstości. Występy pierścieni łączących mocuje się

PL 199 385 B1 w górnej i dolnej części rurki przepływowej, jak pokazano na fig. 16, gdy pożądane jest zwiększenie częstotliwości wzbudzenia względem częstotliwości żyroskopowej. Odwrotnie, pierścienie łączące 1700 można obrócić w taki sposób, aby wystające części boczne 1616 mocować na bokach rurki przepływowej, jak pokazano na fig. 16, gdy pożądane jest zwiększenie częstotliwości żyroskopowej w stosunku do czę stotliwoś ci wzbudzenia.

Na fig. 18 pokazano belkę wyważenia 1800 o obniżonych częstotliwościach rezonansowych. Na środku belki wyważeniowej w kierunku wzdłużnym wykonano wycięcia w kierunku żyroskopowym i w kierunku wzbudzenia. Pokazano jedynie otwory 1805, 1806, 1807, 1808, 1809, 1810 i 1811, lecz rozumie się że występuje tu niewidoczny otwór naprzeciw otworu 1805. Tego rodzaju czterokierunkowa symetria obniża częstotliwości rezonansowe jednakowo w kierunku wzbudzenia w kierunku żyroskopowym.

Przy założeniu że otwór 1805 posiada oś w kierunku wzbudzenia, wykonuje się następne dwie pary otworów, 1810, 1806 i 1808, 1807 posiadające osie wzbudzenia w kierunku żyroskopowym. Lokalizację otworu dobrano na neutralnej osi w trybie drgań wzbudzenia. Wywiera to mały wpływ na częstotliwość rezonansową w trybie wzbudzenia. Obie pary otworów wykonane są po stronach belki wyważenia, gdzie występują naprężenia szczytowe w żyroskopowym trybie drgań. Ich położenie zmniejsza częstotliwość rezonansową w trybie drgań żyroskopowych. Obniżenie częstotliwości belki wyważenia w kierunku żyroskopowym poprzez zastosowanie otworów rozdziela częstotliwość rezonansową w kierunku wzbudzenia od częstotliwości rezonansowej w kierunku żyroskopowym i w ten sposób zwiększa zdolność przepływomierza do kompensacji zmian czułości dla przepływu i gęstości.

Na fig. 19 przedstawiono szczegóły układu elektronicznego 1900 bloku elektronicznego miernika 1520 z fig. 15. Układ 1900 ma wyjściowy tor 1521 połączony ze wzbudnikiem D na fig. 15, którym jest podawany sygnał wzbudzenia do wzbudnika D w celu wibrowania rurki przepływowej 1501 i belki wyważenia 1502 ze zróżnicowaniem fazowym. Sygnał wzbudzenia jest generowany przez element kontroli amplitudy wzbudzenia 1901. Układ elektroniczny 1900 ma wejściowe tory 1522 i 1523, połączone z czujnikami 1508, 1511 do odbierania od nich sygnałów. Sygnał odebrany torem 1522 pochodzi z czujnika wzbudzenia 1508 i jest podawany do elementu rejestrowego 1902 czujnika wzbudnika. Element rejestrowy 1902 czujnika wzbudnika podaje sygnał otrzymany torem 1522 do elementu kontroli amplitudy wzbudzenia 1901 torem 1905. Sygnał ten umożliwia wytworzenie w elemencie kontroli amplitudy wzbudzenia 1901 potrzebnego sygnału dla wzbudnika D na fig. 15. Element rejestrowy 1902 czujnika wzbudnika podaje również sygnał wyjściowy czujnika otrzymany torem 1522 do elementu wyznaczania proporcji amplitudy 1907 torem 1904.

Element rejestrowy 1903 czujnika żyroskopowego otrzymuje sygnał wyjściowy z czujnika żyroskopowego 1511 torem 1523. Sygnał ten reprezentuje amplitudę odkształceń w trybie żyroskopowym rurki przepływowej 1501 w płaszczyźnie żyroskopowej. Element rejestrowy 1903 czujnika żyroskopowego podaje sygnał torem 1906 do elementu wyznaczania proporcji amplitudy 1907, który określa proporcję sygnału czujnika żyroskopowego z toru 1523 do sygnału czujnika wzbudzenia z toru 1522. Element wyznaczania proporcji amplitudy 1907 podaje ustaloną proporcję torem 1908 do elementu obliczeniowego 1909, który generuje sygnał wartości natężenia przepływu masowego dla materiału przepływającego, według wzoru zawartego w elemencie obliczeniowym 1909, gdzie M oznacza natężenie przepływu masowego. Obliczone natężenie przepływu masowego przechodzi następnie torem 1526 do obwodu użytkowego (nie pokazano).

Na fig. 20 pokazano drugi możliwy przykład wykonania układu elektronicznego 2000 bloku elektronicznego 1520 według fig. 15. Opisano, w jaki sposób układ elektroniczny 1900 bloku elektronicznego 1520 miernika pokazany na fig. 19 oblicza natężenie przepływu masowego wykorzystując ustalenie proporcji amplitudy drgań żyroskopowych do amplitudy drgań wzbudnika. W przykładzie z fig. 20 układ elektroniczny 2000 bloku elektronicznego 1520 generuje informacje o natężeniu przepływu w sposób nie wymagają cy ustalenia amplitudy wzbudzenia, jak w przypadku ukł adu elektronicznego 1900. Element rejestrowy 2003 czujnika wzbudnika na fig. 20 otrzymuje sygnał z czujnika 1508 wzbudnika poprzez tor 1522 i podaje odebrany sygnał torem 2002 do elementu kontroli amplitudy wzbudzenia 2001, który z kolei wysyła sygnał dokładnie kontrolowanej amplitudy torem 1521 do wzbudnika D według fig. 15. Element kontroli amplitudy 2001 różni się od elementu kontroli amplitudy 1901 na fig. 19 tym, że amplitudę sygnału wzbudzenia generowanego przez element kontroli amplitudy wzbudzenia 2001 kontroluje się z określoną dokładnością. Układ elektroniczny 2000 nie wymaga zatem określenia proporcji amplitudy sygnału trybu żyroskopowego względem sygnału trybu wzbudnika dla obliczenia natężenia przepływu masowego. Ponieważ amplitudę elementu kontroli amplitudy

PL 199 385 B1 wzbudnika 2001 kontroluje się z określoną dokładnością, jest ona z góry znana i może być wewnętrznie wykorzystana przez element obliczeniowy 2007 wytwarzający sygnał natężenia przepływu masowego z zastosowaniem jedynie sygnału przedstawiającego amplitudę drgań w trybie żyroskopowym rurki przepływowej 1501. Informację odebraną z czujnika żyroskopowego 1511 według fig. 15 podaje się torem 1523 do elementu rejestrowego 2004 czujnika żyroskopowego i następnie torem 2006 do elementu obliczeniowego 2007. Element obliczeniowy 2007 natężenia przepływu masowego otrzymuje sygnał amplitudy drgań w trybie żyroskopowym i wykorzystuje go bezpośrednio do obliczenia natężenia przepływu masowego. Informację o natężeniu przepływu masowego podaje się torem 1526 do obwodu użytkowego (nie pokazano).

Na fig. 21 pokazano możliwy korzystny przykład układu elektronicznego 2100 bloku elektronicznego 1620 miernika według fig. 16. Należy przypomnieć, że przepływomierz według fig. 16 generuje informacje pomiaru przepływu materiału z wykorzystaniem sygnałów reprezentujących ugięcie Coriolisa na rurce przepływowej 1601 a także przy wykorzystaniu sygnałów reprezentujących ugięcie rurki przepływowej 1601 w płaszczyźnie żyroskopowej. Sygnały Coriolisa generują czujniki LPO i RPO i podają torami 1624 i 1625 do bloku elektronicznego 1620, a mianowicie do elementu rejestrowego 2114 czujnika Coriolisa. Informację o przepływie materiału w trybie żyroskopowym dostarcza czujnik żyroskopowy 1611 na fig. 16 i podaje torem 1623 do elementu rejestrowego 2106 czujnika żyroskopowego. Układ elektroniczny 2100 generuje również sygnał wzbudzenia dla wzbudnika D na fig. 16. Sygnał ten jest generowany w elemencie kontroli amplitudy wzbudnika 2101 i jest podawany torem 1621 do wzbudnika D. Tor 1622 odbiera sygnał reprezentujący amplitudę drgań wzbudnika D według fig. 16. Sygnał ten podaje się torem 1622 do elementu rejestrowego 2103 czujnika wzbudzenia, który z kolei przekazuje sygnał torem 2102 i 2104 do elementu kontroli amplitudy wzbudnika 2101 i elementu wyznaczania proporcji amplitudy 2108. Torem 2102 kontroluje się sygnał amplitudy sygnału wzbudnika generowany przez element 2101. Sygnał w torze 2104 podaje informacje o amplitudzie wzbudzenia do elementu 2108. Sygnał reprezentujący amplitudę drgań w trybie żyroskopowym rurki przepływowej 1601 podaje się torem 1623 z czujnika żyroskopowego 1611 do elementu rejestrowego 2106 a stamtąd, poprzez tor 2107, do elementu wyznaczania proporcji amplitudy 2108. Element wyznaczania proporcji amplitudy 2108 pracuje w sposób opisany dla elementu wyznaczania proporcji amplitudy 1907 na fig. 19, określając proporcję amplitudy sygnału w trybie żyroskopowym i amplitudy w trybie wzbudzenia. Okreś loną proporcję przesył a się torem 2109 do elementu obliczeniowego 2111, który generuje sygnał informacji o przepływie masowym w ten sam sposób, jak element obliczeniowy 1909. Informacja o proporcji natężenia przepływu masowego przechodzi następnie torem 2112 do elementu 2113 pracującego w sposób podany poniżej.

Sygnały wyjściowe w trybie Coriolisa odbiera element rejestrowy 2114 czujnika Coriolisa torami

1624 i 1625. Sygnały te są następnie przesyłane torem 2116 do elementu pomiarowego 2117, który mierzy różnicę czasu Δt pomiędzy sygnałami Coriolisa z czujnika LPO i z czujnika RPO według fig. 16. Informację o różnicy czasu podaje się torem 2118 do elementu obliczeniowego 2119, w którym oblicza się natężenie przepływu masowego za pomocą podanego wzoru, gdzie wielkość Δt jest proporcjonalna do wielkości natężenia przepływu masowego M. Informacja o natężeniu przepływu masowego z elementu obliczeniowego 2119 przechodzi torem 2121 do elementu porównawczego 2113.

Element porównujący 2113 odbiera sygnały z dwóch różnych źródeł reprezentujących natężenie przepływu masowego. Sygnał odebrany torem 2121 przedstawia natężenie przepływu masowego określone w trybie ugięcia Coriolisa rurki przepływowej 1601. Sygnał w torze 2112 przedstawia natężenie przepływu masowego określone przy zastosowaniu ugięć w trybie żyroskopowym w rurce przepływowej 1601. Element porównujący 2113 odbiera dwa sygnały danych natężenia przepływu masowego i porównuje je dla określenia zgodności danych. Element porównawczy 2113 pracuje również w przypadku niezgodności tych danych, wykonując kontrolę błędu a także korekcję danych z zastosowaniem technik kompensacji.

Jak można zauważyć, przepływomierz żyroskopowy według obecnego wynalazku jest korzystny w tym, że natężenie przepływu jest proporcjonalne do proporcji dwóch napięć (wyjść czujników prędkości), którą można wystarczająco powiększyć dla umożliwienia dokładnego pomiaru przepływu z zastosowaniem prostych układów elektronicznych. Takie układy elektroniczne mogą być znacznie tańsze i bardziej odporne niż układy elektroniczne wymagane w przepływomierzach Coriolisa. Ponadto, przepływomierz żyroskopowy z łatwością zaprojektowano w taki sposób, aby czułość przepływu była niezależna od gęstości materiału.

PL 199 385 B1

Należy wyraźnie rozumieć, że zastrzeżony wynalazek nie ogranicza się do opisu korzystnego przykładu wykonania, lecz obejmuje inne modyfikacje. Przykładowo, choć wynalazek opisano jako zawierający jednoczęściowy prostorurkowy przepływomierz, rozumie się, że obecny wynalazek nie jest tak ograniczony i może być zastosowany z innymi typami przepływomierzy obejmujących przepływomierze z pojedynczą rurką w regularnym lub zakrzywionym kształcie, a także przepływomierze zawierające liczne rurki przepływowe. Określenie „oś należy rozumieć jako wyobrażalnie lub rzeczywiście prostą linię, wokół której faktycznie lub rzekomo obraca się przedmiot.

Claims (26)

1. Sposób mierzenia masowego przepływu materiału, w którym materiał przeprowadza się przez zespół rurki przepływowej przepływomierza od wlotu materiału do wylotu i cyklicznie odkształca się zespół rurki przepływowej poprzez wprawianie zespołu rurki przepływowej za pomocą połączonego z nią wzbudnika w drgania w płaszczyźnie wzbudzenia zawierającej wzdłużną oś zespołu rurki przepływowej, a jednocześnie przepływ materiału w zespole rurki przepływowej wprawia się w ruch obrotowy wokół osi wzdłużnej zespołu rurki przepływowej i odczytuje się sygnały wywoływane ruchem drgającym i obrotowym za pomocą zespołu czujnikowego, znamienny tym, że ruch obrotowy przepływu materiału wokół wzdłużnej osi (310, 410, 510, 610, 710, 810) zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) wywołuje się w odpowiedzi na przepływ materiału nadając zespołowi rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) z materiałem cykliczne odkształcenie w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej i generując sygnały reprezentujące amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej, a jednocześnie odczytuje się amplitudę cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia, po czym określa się stosunek amplitudy cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie żyroskopowej i amplitudy cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia, a następnie, za pomocą bloku elektronicznego (1520, 1620) miernika, w odpowiedzi na sygnał określający stosunek amplitud generuje się sygnał wyjściowy o masowym przepływie materiału.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kontroluje się amplitudę cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) wprawia się w drgania zapewniając częstotliwość rezonansową cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia równą częstotliwości rezonansowej w trybie odkształcenia żyroskopowego, maksymalizując amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym i w płaszczyźnie żyroskopowej.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) wprawia się w drgania zapewniając częstotliwość rezonansową cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia różną od częstotliwości rezonansowej odkształcenia w trybie żyroskopowym i zmieniając zależność pomiędzy gęstością i przepływem materiału oraz amplitudą cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał wprawia się w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi (410) zespołu rurki przepływowej (401) za pomocą zespołu rurki przepływowej (401) zawierającego pojedynczą rurkę przepływową (400) z umieszczoną w niej śrubową wstęgą (405).

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał wprawia się w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi (810) zespołu rurki przepływowej (801) zawierającego pojedynczą rurkę przepływową (801), która ma kształt śrubowy z umieszczoną w niej śrubową wstęgą (405).

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał wprawia się w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi (510) zespołu rurki przepływowej (501) za pomocą zespołu rurki przepływowej (501) zawierającego liczne rurki przepływowe (501) skręconych ze sobą wokół wzdłużnej osi (510).

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał wprawia się w ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi (610, 710) zespołu rurki przepływowej (501) za pomocą zespołu rurki przepływowej (601, 701) zawierającego jedną rurkę przepływową (601, 701) skręconą wokół pręta (604, 704) wokół wzdłużnej osi (610, 710).

PL 199 385 B1

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e w zespole rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) od przepływu materiału generuje się siły Coriolisa w płaszczyźnie wzbudzenia siły Coriolisa, za pomocą których wytwarza się okresowe odchylenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia, przy czym odchylenia Coriolisa zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) odczytuje się za pomocą zespołu czujnikowego i generuje się sygnały wyjściowe dotyczące przepływu materiału, a następnie za pomocą bloku elektronicznego (1520, 1620) miernika generowane sygnały odchylenia Coriolisa i sygnały żyroskopowe przetwarza się na sygnał wyjściowy określający przepływu materiału.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do pomiaru stosuje się przepływomierz posiadający rurkę wyważenia (1502, 1602) równoległą do zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) i połączoną końcami z zespoł em rurki przepł ywowej (1502, 1602) za pomocą pierś cieni łączą cych (1503, 1504; 1603,1604), i za pomocą wzbudnika wprawia się w drgania zespół rurki przepływowej (1501, 1601) i belkę wyważenia (1052, 1062) w przeciwnej fazie w płaszczyźnie wzbudzenia z częstotliwością rezonansową zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) napełnionej materiałem i belki wyważenia (1502, 1602), przy czym zespół rurki przepływowej (1501, 1601) napełniony materiałem i belkę wyważenia (1502, 1602) wprawia się w wibracje za pomocą sił żyroskopowych w płaszczyźnie żyroskopowej z częstotliwością rezonansową zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) napełnionej materiałem i belki wyważenia (1502, 1602), w trybie żyroskopowym.

11. Przepływomierz do mierzenia masowego przepływu materiału, posiadający wlot materiału, wylot materiału i zespół rurki przepływowej mający wlot i wylot, przy czym wlot zespołu rurki przepływowej jest połączony z zespołem doprowadzającym przepływ materiału, a wylot zespołu rurki przepływowej jest połączony z zespołem odprowadzającym przepływ po przeprowadzeniu przez zespół rurki przepływowej, przy czym z zespołem rurki przepływowej jest połączony wzbudnik do cyklicznego odkształcania zespołu rurki przepływowej z częstotliwością rezonansową w płaszczyźnie wzbudzenia zawierającej oś wzdłużną zespołu rurki przepływowej, i zespół rurki przepływowej zawiera element do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału w zespole rurki przepływowej wokół jego osi wzdłużnej oraz jest połączony z zespołem czujnikowym, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) jest dostosowany do reagowania na jego cykliczne odkształcenie pod wpływem wzbudnika (D) i na ruch obrotowy przepływu materiału wzbudzający cykliczny tryb żyroskopowy odkształcenia zespołu z rurką przepływową (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie żyroskopowej, które to odkształcenie w trybie żyroskopowym ma amplitudę odniesioną do wielkości przepływu materiału, a zespół czujnikowy jest dostosowany do reagowania na cykliczny tryb odkształcenia żyroskopowego i wytwarzania sygnałów żyroskopowych wskazujących wielkość przepływu materiału, przy czym zespół czujnikowy zawiera pierwszy czujnik (1511, 1611) do generowania sygnałów reprezentujących amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym i zawiera drugi czujnik (1508, 1608) do generowania sygnałów reprezentujących amplitudę cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia, a z zespołem czujnikowym jest połączony blok elektroniczny (1520, 1620) zawierający element wyznaczania proporcji amplitudy (1907, 2007, 2108) połączony do odbioru sygnału z pierwszym czujnikiem (1511, 1611) i generujący sygnał stosunku amplitudy cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej i amplitudy cyklicznego odkształcenia zespołu rurki przepływowej (401, 501, 601, 701, 801, 1501, 1601) w płaszczyźnie wzbudzenia i zawiera element obliczeniowy (1909, 2111) połączony do odbioru sygnału z elementem wyznaczania proporcji amplitudy (1907, 2007, 2108) do generowania na podstawie sygnału określającego tę proporcję sygnału wyjściowego dotyczącego przepływu materiału.

12. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że zespół czujnikowy zawiera pierwszy czujnik (1511, 1611) do generowania sygnałów reprezentujących amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie ż yroskopowym rurki przepł ywowej (1501, 1601) w pł aszczyź nie ż yroskopowej, a blok elektroniczny miernika (1520, 1620) zawiera element (2001) do kontroli amplitudy cyklicznego odkształcenia rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzenia i element (2007) do wytwarzania sygnału o przepływie masowym w odpowiedzi na wygenerowany sygnał reprezentujący amplitudę cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym rurki przepływowej (1501, 1601) w płaszczyźnie żyroskopowej.

13. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że wzbudnik (D) jest dostosowany do odkształcenia cyklicznego zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) poprzez wzbudzenie go z często20

PL 199 385 B1 tliwością równą częstotliwości rezonansowej odkształcenia w trybie żyroskopowym, dla maksymalizowania amplitudy cyklicznego odkształcania w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej.

14. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że wzbudnik (D) jest dostosowany do odkształcenia cyklicznego zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) poprzez wzbudzenie go z częstotliwością wzbudzenia różną od częstotliwości rezonansowej odkształcenia w trybie żyroskopowym, dla zmiany zależności pomiędzy gęstością przepływu materiału i amplitudą cyklicznego odkształcenia w trybie ż yroskopowym w pł aszczyź nie ż yroskopowej.

15. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (400) zawiera pojedynczą prostą rurkę przepływową (400), śrubową wstęgę (405) umieszczoną wewnątrz rurki przepływowej (400) do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału wokół wzdłużnej osi (410) rurki przepływowej (400) i wytwarzania cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej.

16. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (800) zawiera pojedynczą rurkę przepływową (800) posiadającą kształt śrubowy do wywoływania obrotu przepływu materiału wokół wzdłużnej osi (810) rurki przepływowej (800).

17. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (500) zawiera liczne rurki przepływowe (500) skręcone ze sobą wokół wspólnej wzdłużnej osi (510) i mające wydłużony kształt do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału wokół wspólnej wzdłużnej osi (510).

18. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (601, 701) zawiera pręt (604, 704) i owiniętą wokół niego rurkę przepływową (601, 701) z utworzeniem spirali do wywoływania ruchu obrotowego przepływu materiału wokół wspólnej wzdłużnej osi (610, 710).

19. Przepływomierz według zastrz. 18, znamienny tym, że podłużny pręt (704) jest zasadniczo prosty.

20. Przepływomierz według zastrz. 18, znamienny tym, że pręt (604) i rurka przepływowa (601) są skręcone razem wokół wspólnej wzdłużnej osi (610).

21. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że w zespole rurki przepływu (1601) są umieszczone czujniki (LPO, RPO) do wykrywania ugięcia od sił Coriolisa rurki przepływowej w płaszczyźnie wzbudzania i generowania sygnału Coriolisa zawierającego informacje dotyczące przepływu materiału, a blok elektroniczny (1620) miernika jest dostosowany do wytwarzania sygnału wyjściowego dotyczącego przepływu materiału na podstawie generowanych sygnałów Coriolisa i sygnałów żyroskopowych.

22. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że zespół rurki przepływowej (1501, 1601) zawiera belkę wyważenia (1502, 1602, 1802), której końce są połączone z rurką przepływową (1501, 1601) za pomocą pierścieni łączących (1503, 1504; 1603, 1604), przy czym rurka przepływowa (1501, 1601) i belka wyważenia (1502, 1602, 1802) są cyklicznie odkształcane za pomocą wzbudnika (D) w przeciwnej fazie w pł aszczyź nie wzbudzenia, z czę stotliwo ścią rezonansową zespoł u rurki przepł ywowej (1501, 1601) napełnionego materiałem i belki wyważenia (1502, 1602, 1802), i są cyklicznie odkształcane w trybie żyroskopowym w płaszczyźnie żyroskopowej z częstotliwością rezonansową cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym.

23. Przepływomierz według zastrz. 11, znamienny tym, że płaszczyzna żyroskopowa jest prostopadła do płaszczyzny wzbudzenia i do osi podłużnej zespołu rurki przepływowej (1501, 1601).

24. Przepływomierz według zastrz. 22, znamienny tym, że belka wyważenia (1502, 1602) i rurka przepływowa (1501, 1601) są otoczone obudową (1505, 1605), której końce (1509, 1609) są połączone z końcami (1501L, 1601L, 1501R, 1601R) rurki przepływowej (1501, 1601), przy czym końce (1501L, 1601L, 1501R, 1601R) rurki przepływowej (1501, 1601) wystają poprzez końce (1509, 1609) obudowy (1505, 1605) i są połączone z kołnierzami (1506, 1507; 1606, 1607), z których pierwszy kołnierz (1506, 1606) jest połączony ze źródłem dopływu materiału, a drugi kołnierz (1507, 1607) jest połączony z odbiornikiem przepływu materiału z zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) do miejsca przeznaczenia.

25. Przepływomierz według zastrz. 22, znamienny tym, że końce belki wyważenia (1502, 1602) są połączone z zespołem rurki przepływowej (1501, 1601) za pomocą pierścieni łączących pierwszego (1503, 1603) i drugiego (1504, 1604), przy czym pierścienie łączące (1503, 1504; 1603, 1604) mają poprzeczne poosiowe występy (1616) usytuowane w płaszczyźnie wzbudzenia i zamocowane do poprzecznych ścian bocznych zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) do zmiany częstotliwości rezonansowej rozdzielenia odkształcenia zespołu rurki przepływowej (1501,1601) i odkształcePL 199 385 B1 nia belki wyważenia (1502, 1602) w płaszczyźnie wzbudzenia i cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym zespołu rurki przepływowej (1501, 1601) oraz belki wyważenia (1502, 1602).

26. Przepływomierz według zastrz. 22, znamienny tym, że w bocznych ścianach belki wyważenia (1502, 1802) są ukształtowane otwory (1514, 1805, 1806, 1807, 1808, 1809, 1810, 1811) do zmiany rozdzielenia częstotliwości rezonansowych cyklicznego odkształcenia w płaszczyźnie wzbudzenia i cyklicznego odkształcenia w trybie żyroskopowym zespołu rurki przepływowej (1501) i belki wyważenia (1502, 1802) we wspomnianej płaszczyźnie żyroskopowej.