PL208397B1

PL208397B1 - Przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa

Info

Publication number: PL208397B1
Application number: PL349182A
Authority: PL
Inventors: Michael J. Barger; Joseph C. Dille; Timothy W. Scott; Jeffrey L. Whiteley
Original assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2011-04-29
Also published as: JP4691186B2; RU2277227C2; PL349182A1; HK1042547A1; KR100825278B1; EP1182433B1; KR20020014779A; CA2354957C; CA2720501A1; CA2720501C; MXPA01008412A; CA2354957A1; EP1182433A2; JP4956682B2; JP2010160159A; JP4842384B2; SG94858A1; JP2009300462A; CN1340694A; EP1182433A3

Description

Opis wynalazku

Przedmiot wynalazku dotyczy przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa.

Pomiar masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa uzyskuje się w nastę pujący sposób. Siła Coriolisa powstaje pod wpływem masy przemieszczającej się w ustalonym kierunku, a następnie zmuszonej do zmiany kierunku ze składową wektorową prostopadłą do ustalonego kierunku przepływu. Można to wyrazić następującym równaniem:

FC = 2 M x ω gdzie FC (wektor siły Coriolisa) jest iloczynem wektorowym M (wektor pędu płynącej masy) i o (wektor prędkości kątowej obrotowego układu współrzędnych).

W układzie obrotowym wektor prędkości obrotowej przebiega wzdłuż osi obrotu. Przy zastosowaniu reguły prawej dłoni palce określają kierunek obrotu, a kciuk określa kierunek wektora prędkości kątowej. W przypadku typowego czujnika natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa rurka, przez którą przepływa płyn, wprawiana jest w drgania. Często rurka ta ma kształt jednej lub kilku pętli. Kształt pętli jest taki, że wektor masowego natężenia przepływu ma przeciwne zwroty w różnych częściach pętli. Pętle rurki mogą przykładowo mieć kształt litery U, kształt prostokątny, trójkątny lub zwojowy. W i szczególnym przypadku prostej rurki istnieją równocześnie dwa wektory prędkości kątowej w punktach zakotwienia rurki, natomiast wektor masowego natężenia przepływu ma jeden zwrot.

Wektor prędkości kątowej zmienia swój zwrot, ponieważ w układzie drgającym zmienia się kierunek obrotu. Na skutek tego w dowolnej chwili siła Coriolisa działa z przeciwnymi zwrotami tam, gdzie wektory masowego natężenia przepływu lub wektory prędkości kątowej mają przeciwne zwroty. Ponieważ wektor prędkości kątowej stale zmienia się na skutek drgań układu, siła Coriolisa również stale zmienia się. Wynikiem jest dynamiczny ruch skręcający nakładany na ruch drgający rurki. Wielkość skręcenia jest proporcjonalna do masowego natężenia przepływu przy danej prędkości kątowej.

Pomiar masowego natężenia przepływu uzyskuje się przez mierzenie skręcenia rurki czujnikowej powodowanego przez siłę Coriolisa wytwarzaną przez płyn przepływający przez rurkę czujnikową. Typowe znane urządzenia wykorzystują czujniki zawierające pary magnes-uzwojenie, usytuowane na rurce przepływowej tam, gdzie przemieszczenie powodowane przez siłę Coriolisa jest według oczekiwań największe. Uzwojenie i magnes montowane są na przeciwległych strukturach, na przykład magnes montowany jest na rurce, a uzwojenie jest montowane na ściance nieruchomej obudowy. Uzwojenie będzie przemieszczać się przez pole magnesu, na skutek czego w uzwojeniu indukowany jest prąd elektryczny. Natężenie tego prądu jest proporcjonalne do prędkości magnesu względem uzwojenia. Ponieważ jest to pomiar prędkości, zatem prędkość, a więc również sygnał osiąga maksimum wtedy, gdy rurka, przepływowa mija swój punkt spoczynkowy (przejście przez zero). Powodowane przez siłę Coriolisa skręcenie wywołuje przesunięcie fazy sygnału prędkości, które jest wykrywane przez mierzenie różnicy czasów przejścia przez zero pomiędzy dwoma czujnikami prędkości. W praktyce wymaga to dużej dokładności od obwodu pomiaru czasu. Moż e to ograniczać ostateczną czułość pomiaru masowego natężenia przepływu tyra sposobem.

Ponadto natężenia przepływu znanych urządzeń opartych na technice Coriolisa często są ograniczone do wartości większych niż pożądane w wielu zastosowaniach. Ponadto istniejące urządzenia do mierzenia masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa zapewniają jedynie pomiar masowego natężenia przepływu bez możliwości integralnej regulacji natężenia przepływu. Zapewnienie środków do regulacji natężenia przepływu pozostawiono użytkownikowi.

Przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa, według wynalazku, zawierający przepływową rurkę, oraz źródło światła usytuowane przylegające do pierwszej strony przepływowej rurki i detektor światła umieszczony przylegające do drugiej strony rurki przepływowej, przy czym pierwsza strona rurki przepływowej jest przeciwległa do drugiej strony rurki przepływowej, źródło światła i detektor światła są zamocowane nieruchomo względem siebie, a rurka jest ruchoma względem źródła światła i detektora światła, a ponadto z przepływową rurką jest połączony roboczo układ napędowy do wprawiania przepływowej rurki w drgania, przy czym przepływowa rurka jest ruchoma przesuwnie na drodze wiązki światła określonej pomiędzy źródłem światła i detektorem światła, charakteryzuje się tym, że źródło światła ma usytuowanie względem przepływowej rurki, przy którym przepływowa rurka jest umieszczona przesłaniając częściowo drogę wiązki światła utworzoną pomiędzy źródłem światła i detektorem światła, kiedy przepływowa rurka jest w położeniu spoczynku.

PL 208 397 B1

Źródło światła stanowi emiter promieniowania podczerwonego.

Źródło światła zawiera diodę elektroluminescencyjną promieniowania podczerwonego.

Detektor światła zawiera fotodiodę czułą na podczerwień.

Fotodioda ma powierzchnię aktywną większą niż średnica rurki przepływowej.

Źródło światła jest usytuowane względem przepływowej rurki w miejscu maksymalnego przemieszczenia drgającej przepływowej rurki.

Przepływowa rurka jest zamontowana na ramce, i jest podłączona do układu napędowego wprawiającego ją w drgania.

Ramka zawiera rurkę, w której usytuowana jest przepływowa rurka.

Przepływowa rurka i ramka są z różnych materiałów.

Przepływowa rurka jest ze stali nierdzewnej.

Przepływowa rurka jest z tworzywa sztucznego.

Ramka jest z krzemu.

Przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa, według wynalazku, zawierający giętką przepływową rurkę mającą pierwszy i drugi koniec, przy czym przepływowa rurka wyznacza liniową drogę przepływu materiału, a przy pierwszym i drugim końcu przepływowej rurki są usytuowane czujniki pierwszy i drugi, przy czym czujniki wytwarzają sygnały wyjściowe, które są przesunięte względem siebie w fazie pod wpływem przemieszczenia przepływowej rurki w wyniku działania siły Coriolisa, charakteryzuje się tym, że zawiera układ napędowy mający pierwszy i drugi unimorf piezoelektryczny połączone z pierwszym i drugim końcem przepływowej rurki, przy czym układ napędowy zawiera płaskie sprężyny spiralne z wieloma ramionami i wiele układów piezoelektrycznych, przy czym do każdego z ramion jest dołączony ukł ad piezoelektryczny.

Przepływowa rurka jest ruchoma układem napędowym w trybie spolaryzowanym pionowo.

Przepływowa rurka jest ruchoma układem napędowym w trybie spolaryzowanym kołowo.

Układ napędowy stanowi układ do poruszania przepływową rurką w trybie spolaryzowanym kołowo.

Sprężyna ma trzy ramiona.

Każdy z układów unimorfów piezoelektrycznych jest dołączony do źródła energii, przy czym każdy z piezoelektrycznych stosów jest napędzany przez sinusoidalny sygnał, którego faza wyprzedza o 120 stopni fazę sygnału przył oż onego do sąsiedniego ukł adu unimorfów piezoelektrycznych.

Sprężyna ma cztery ramiona.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1A i 1B przedstawiają schematy blokowe ilustrujące koncepcję czujnika i przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa według przedmiotowego wynalazku, fig. 2A i 2B - czujnik masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa, w którym zastosowano napęd elektromagnetyczny według przykładu realizacji przedmiotowego wynalazku, fig. 3A i 3B - czujnik masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa, w którym zastosowano napęd elektrostatyczny według przykładu realizacji przedmiotowego wynalazku, fig. 4A i 4B - czujnik masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa, w którym zastosowano napęd akustyczny według przykładu realizacji przedmiotowego wynalazku, fig. 5A, 5B i 5C - czujnik masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa, w którym zastosowano napęd piezoelektryczny według przykładu realizacji przedmiotowego wynalazku, fig. 6 - schemat wzmacniacza homodynowego do mierzenia powodowanego przez siłę Coriolisa przesunięcia fazowego według przedmiotowego wynalazku, fig. 7 - schemat dwukanałowego wzmacniacza homodynowego do mierzenia powodowanego przez siłę Coriolisa przesunięcia fazowego według przedmiotowego wynalazku, fig. 8 - wykres ilustrujący zależność pomiędzy amplitudami sygnałów wejściowych z czujników położenia rurki czujnikowej z wykorzystaniem sposobów przetwarzania sygnału według wynalazku, fig. 9 - schemat podwójnego wzmacniacza homodynowego według wynalazku do mierzenia przesunięcia fazy powodowanego przez siłę Coriolisa, fig. 10 - schemat podwójnego wzmacniacza homodynowego wedł ug przedmiotowego wynalazku zawierają cego regulację częstotliwości odniesienia do mierzenia przesunięcia fazy powodowanego przez siłę Coriolisa, fig. 11 - pierwszy przykład wykonania pojemnościowego czujnika przemieszczenia według przedmiotowego wynalazku, fig. 12 - drugi przykład wykonania pojemnościowego czujnika przemieszczenia według przedmiotowego wynalazku, fig. 13 - trzeci przykład wykonania pojemnościowego czujnika przemieszczenia według przedmiotowego wynalazku, fig. 14 - przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa, według przedmiotowego wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig. 15 - przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa z fig. 14 w przekroju, fig. 16 - przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa

PL 208 397 B1 z fig. 15, w widoku w rozłożeniu na części, fig. 17A i 17B - przyłącze z gwintowanym zaworem według stanu techniki i przyłącze z uszczelnionym gwintowanym zaworem według przedmiotowego wynalazku, fig. 18 - przykład wykonania przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa według dalszych przykładów wykonania przedmiotowego wynalazku w widoku perspektywicznym, fig. 19 - urządzenie do mierzenia masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa według przedmiotowego wynalazku, fig. 20 - schemat blokowy przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa z czujnikiem optycznym z fig. 19, fig. 21 - schemat blokowy części obwodu czujnikowego i napędowego według przedmiotowego wynalazku, fig. 22 - schemat blokowy części obwodu zastosowania i regulacji według przedmiotowego wynalazku, fig. 23 - schemat blokowy koncepcji części interfejsu HART do przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa, według przedmiotowego wynalazku, fig. 24A i 24B - część czujnikową przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa według przedmiotowego wynalazku odpowiednio w widoku z przodu i z boku w przekrojach, fig. 25 - hybrydową rurkę czujnikową masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa według przedmiotowego wynalazku, fig. 26A i 26B - mostki Wheatstone'a działające jako czujniki piezorezystywne do struktury rurki hybrydowej z fig. 25, fig. 27 - schemat blokowy czujnika natężenia przepływu z prostą rurką według przedmiotowego wynalazku, fig. 28 - schemat blokowy alternatywnego czujnika natężenia przepływu z prostą rurką według przedmiotowego wynalazku, a fig. 29A i 29B przedstawiają schematycznie przykładowe piezoelektryczne serwomotory przechylające według przedmiotowego wynalazku.

Na fig. 1A przedstawiono czujnik i przepływomierz wibracyjny oparte na zasadzie zjawiska Coriolisa, według przedmiotowego wynalazku. Urządzenie to złożone jest zasadniczo z dwóch oddzielnych układów: układ A czujnika Coriolisa i napędu oraz układ B przetwarzania i regulacji. Układ czujnika Coriolisa i napędu jest sprzężony z czujnikiem Coriolisa 1. Układ B przetwarzania i regulacji stanowi interfejs użytkownika 5 i dostarcza sygnałów sterowania do urządzenia sterowania natężeniem przepływu, takiego jak zawór 6. Zadaniem układu A czujnika i napędu jest sterowanie i badanie ruchu czujnika Coriolisa 1, by określić względne masowe natężenie przepływu w funkcji siły Coriolisa i względną gęstość w funkcji częstotliwości rezonansowej. Przykładowy układ A czujnika i napędu przekazuje dane trzech wartości do układu B przetwarzania i regulacji:

1. DeltaT - różnica czasowa odnosząca się do położenia fazowego jednej strony rurki czujnikowej względem drugiej, by określić względne masowe natężenie przepływu.

2. Częstotliwość - częstotliwość rezonansowa rurki czujnikowej, która jest związana ze względną gęstością mierzonego materiału.

3. Temperatura - mierzy się oporowy czujnik temperatury, aby określić temperaturę rurki czujnikowej.

Układ B przetwarzania i regulacji wykorzystuje DeltaT w połączeniu ze stałymi kalibracji, by przedstawiać jednostki żądanego masowego natężenia przepływu użytkownikowi 5. Układ ten wykorzystuje również częstotliwość w połączeniu ze stałymi kalibracji, by przedstawiać użytkownikowi 5 jednostki żądanej gęstości i/lub objętościowego natężenia przepływu. Temperatura jest wykorzystywana do kompensowania obliczeń zarówno masowego natężenia przepływu jak i gęstości. Układ B przetwarzania i regulacji wykorzystuje sygnał wyjściowy masowego lub objętościowego natężenia przepływu do porównania z wejściową wartością zadaną przez użytkownika, by sterować zaworem 6 regulującym natężenie przepływu na wartość zadaną.

Na fig. 1B przedstawiono schemat blokowy przedstawiający koncepcję czujnika Coriolisa masowego natężenia przepływu według przedmiotowego wynalazku. Czujnik Coriolisa 1 masowego natężenia przepływu zawiera rurkę 2 czujnika natężenia przepływu z urządzeniem napędowym 3 usytuowanym względem niej tak, aby powodować drgania rurki 2. Przy rurce 2 umieszczone są mierniki 4 przemieszczenia, aby mierzyć skręcenie rurki 2 na skutek działania siły Coriolisa.

Typowym materiałem na rurkę 2 czujnika jest stal nierdzewna 316L. Stal tę stosuje się dlatego, że jest ona odporna na chemiczne działanie wielu substancji, jest wytrzymała na rozerwanie przez ciśnienia normalnie występujące w procesie technologicznym, zwykle nie powoduje zanieczyszczeń i łatwo można nadać jej żądany kształt rurki czujnika Coriolisa. Jednakże stal nierdzewna 316L nie nadaje się do wszystkich zastosowań. Trzeba zatem, by dostępne były inne materiały na rurkę, aby objąć zastosowania, do których nie nadaje się stal nierdzewna 316L. Znane urządzenia wykorzystują krzem jako materiał alternatywny wobec stali nierdzewnej 316L. Zaletą krzemu w porównaniu ze stalą nierdzewną 316L jest to, że rurki czujnikowe można wykonać jako mniejsze niż mogą być wykonywane ze stali nierdzewnej 316L.

PL 208 397 B1

Innym zagadnieniem przy wybieraniu materiału na rurkę 2 czujnika jest odporność na powstające naprężenie lub na zwiększoną korozję. Naprężenie wytwarzane jest przy podstawie zginającego ramienia, gdzie montowane są rurki. W materiałach polikrystalicznych naprężenie powoduje dyfuzję zanieczyszczeń w materiale i skupianie się ich przy granicach ziaren pomiędzy mikrokrystalicznymi obszarami ziaren. W wielu przypadkach osłabia to spojenia pomiędzy ziarnami mikrokrystalicznymi, na skutek czego materiał jest bardziej podatny na działanie substancji chemicznych. Wpływ taki jest mniej prawdopodobny w materiałach monokrystalicznych, takich jak krzem lub szafir.

Metale, takie jak stal nierdzewna 316L, są zwykle polikrystaliczne i dlatego są bardziej podatne na tego rodzaju atak chemiczny w różnych stopniach. Materiały bezpostaciowe, takie jak szkło krzemionkowe i kilka tworzyw sztucznych, są również bardziej odporne na atak chemiczny wywołany przez naprężenia, ponieważ nie mają one struktury ziarnistej, podobnej do materiałów polikrystalicznych. Materiały na rurki, które podlegają atakowi chemicznemu, można modyfikować powierzchniowo lub powlekać w taki sposób, aby zmniejszyć do minimum korozję lub atak na powierzchniach, jeżeli zastosowanie materiału usytuowanego pod spodem jest z innych powodów zachęcające.

Modyfikację powierzchniową można przeprowadzić przez wszczepienie jonów, dyfuzję cieplną oraz przez reakcję chemiczną lub elektrochemiczną. Celem jest tu usunięcie, zmiana rozmieszczenia lub wprowadzenie substancji pierwiastkowych lub cząsteczkowych, które pozostawiają na powierzchni warstwę odporną chemicznie. Powlekanie powierzchni przeprowadza się przez uaktywniane cieplnie osadzanie z pary, cieczy lub proszku uderzającego w powierzchnię przy podwyższonej temperaturze. Niższą temperaturę stosuje się, jeżeli substancje reagujące chemicznie są również pobudzane lub jonizowane przez plazmę lub silny strumień fotonów, np. z lasera. Inne materiały odporne na atak chemiczny osadza się przez niereakcyjne, fizyczne naparowywanie przeprowadzane przez naparowywanie termiczne lub wiązką elektronów, albo przez napylanie katodowe. Jeżeli napylanie przeprowadza się stosując wiązkę jonów o dużej energii, tak że napylane substancje są pobudzane chemicznie lub jonizowane, wówczas odbywa się również reakcja chemiczna z powierzchnią, co może być pożądane przy pewnych osadzanych materiałach. Ponadto reakcje chemiczne na powierzchni przeprowadza się przez przyspieszanie substancji chemicznych tak, że energię kinetyczną wykorzystuje się do aktywacji lub przyspieszenia reakcji chemicznej.

Materiałami stosowanymi na rurkę 2 czujnika przepływu opartego na zjawisku Coriolisa w poszczególnych przykładach wykonania przedmiotowego wynalazku są austenityczne i martenzytyczne stale nierdzewne, stopy o dużej zawartości niklu, tytan i cyrkon oraz ich stopy, zwłaszcza stopy tytanu z wanadem i aluminium oraz cyrkaloj (ze względu na swą granicę plastyczności i mały moduł sprężystości), krzem, szafir, węglik krzemu, szkło krzemionkowe i tworzywa sztuczne. Materiały powłokowe rurki, stosowane według przedmiotowego wynalazku, obejmują węglik krzemu, nikiel, chrom, diament, ogniotrwałe węgliki, ogniotrwałe azotki metali oraz ogniotrwałe tlenki metali.

W innych przykładach realizacji rurka 2 czujnika stanowi połączenie struktur o różnych składach materiałowych, mechanicznie złączonych ze sobą tak, aby wykorzystywać najlepsze właściwości materiałowe każdej części struktury. Struktura czujnika jest podzielona np. na część zwilżaną i część niezwilżaną. Częścią zwilżaną jest przykładowo rurka z dowolnego materiału kompatybilnego z płynem technologicznym, łącznie z rurkami metalowymi, ceramicznymi i krzemionkowymi. Rurka ta jest przymocowana do konstrukcji drgającej, takiej jak ramka, która wprawia rurkę w prawidłowy tryb drgań, by wywołać siły Coriolisa. Konstrukcja drgająca może sama być rurką, w której osadzona jest rurka zwilżana, albo też jest ramką, do której przymocowana jest ta rurka. Konstrukcja drgająca jest przykładowo wykonana z materiału, który można kształtować w belkę przeznaczoną do wspierania zwilżanej rurki. Przykładem byłby krzem trawiony z płytki w takim kształcie, by wspierać zwilżaną rurkę, która jest wykonana ze stali nierdzewnej, tworzywa sztucznego lub innego materiału nadającego się do kształtowania w rurkę przepływową.

Na fig. 2A i 2B przedstawiono czujnik Coriolisa 1 masowego natężenia przepływu według poszczególnych przykładów wykonania przedmiotowego wynalazku. Czujnik Coriolisa 1 masowego natężenia przepływu wykorzystuje elektromagnetyczny napęd 10, który zawiera elektromagnes 12 zasilany ze źródła sygnału (nie pokazano), które w przedstawionym przykładzie wykonania stanowi źródło sygnału sinusoidalnego. Elektromagnes 12 jest usytuowany w pobliżu niewielkiego trwałego magnesu 14 zamontowanego na czujnikowej rurce Czujnikowa rurka 16 jest dołączona do podstawy 18, która zawiera pierwszy i drugi otwór przelotowy 19, aby utworzyć drogę przepływu od jednego otworu przelotowego 19 poprzez przepływową rurkę 16 do drugiego otworu przelotowego 19. Czujnikowa rurka 16 przedstawiona w przykładach wykonania opisanych w niniejszym opisie ma zasadniczo

PL 208 397 B1 kształt litery U, chociaż można również stosować inne kształty, takie jak kształt trójkątny, prostokątny, spiralny lub rurkę prostoliniową. Alternatywne kształty rurki są omówione dalej w opisie. Ponadto przewidywane są dalsze przykłady realizacji, które wykorzystują wiele równoległych rurek czujnikowych, zapewniając pewien zapas rurek, możliwość regulowania zakresu (wybrane rurki można włączać lub wyłączać za pomocą zaworów), większą dokładność i tak dalej.

Na fig. 3A i 3B przedstawiono przykład wykonania podobny do pokazanego na fig. 2 z wykorzystaniem napędu elektrostatycznego. Elektrostatyczny napęd 20 zawiera ładunkową płytkę 22 usytuowaną przy niewielkiej dielektrycznej płytce 24 zamontowanej na czujnikowej rurce 16. Jeżeli rurka 16 jest wykonana z materiału dielektrycznego, wówczas ładunkowa płytka 22 jest usytuowana blisko rurki 16 i dielektryczną płytkę 24 można wyeliminować. Płytka ładunkowa jest, z kolei, napędzana przez źródło sygnału (nie pokazano), takie jak źródło sygnału sinusoidalnego. Napięcie przyłożone do ładunkowej płytki 22 wytwarza pole elektryczne pomiędzy nią a dielektryczną płytką 24. Na skutek tego na dielektrycznej płytce 24 powstaje ładunek powierzchniowy. Gdy biegunowość napięcia jest gwałtownie zmieniana na ładunkowej płytce 22, wynikowe pole elektryczne pomiędzy nią a dielektryczną płytką 24 jest na przemian przyciągające lub odpychające, na skutek czego przepływowa rurka 16 drga.

Na fig. 4A i 4B przedstawiono inny przykład wykonania czujnika Coriolisa 1 masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem nowoczesnego akustycznego napędu 30. Akustyczny napęd 30 zawiera mały głośnik 32 umieszczony w pobliżu rurki 16. Fale ciśnienia wytwarzane przez ten głośnik 32 powodują drgania rurki 16.

Na fig. 5A, 5B i 5C przedstawiono jeszcze inny przykład wykonania czujnika Coriolisa 1 masowego natężenia przepływu. Czujnik Coriolisa 1 masowego natężenia przepływu z fig. 5A, 53 i 5C wykorzystuje piezoelektryczny napęd 40, przy czym dwa piezoelektryczne stosy 42 są umieszczone po przeciwległych stronach każdego ramienia przepływowej rurki 16, przez co na każdym ramieniu rurki 16, jak pokazano na fig. 5, powstają dwa bimorfy. Efekt piezoelektryczny i odwrotny efekt piezoelektryczny są wykorzystywane do napędzania i/lub wykrywania wygięcia rurki 16.

Masowe natężenie przepływu mierzy się przez pomiar skręcenia rurki czujnikowej na skutek działania siły Coriolisa wytwarzanej przez płyn przemieszczający się poprzez rurkę czujnikową. Przykładowo w znanych czujnikach Coriolisa masowego natężenia przepływu czujniki zawierające pary złożone z magnesu i uzwojenia są zwykle usytuowane na rurce przepływowej tam, gdzie oczekuje się największego przemieszczenia powodowanego przez siły Coriolisa. Uzwojenie i magnes mocuje się na przeciwległych strukturach, np. magnes montuje się na rurce, a uzwojenie montuje się na nieruchomej ścianie opakowania. Uzwojenie będzie wchodzić w pole magnesu i wychodzić z niego, na skutek czego w uzwojeniu tym indukowany jest prąd elektryczny. Natężenie tego prądu jest proporcjonalne do prędkości magnesu względem uzwojenia. Ponieważ jest to pomiar prędkości, zatem prędkość, a więc i sygnał, osiąga maksimum wtedy, gdy rurka przepływowa przechodzi przez swój punkt spoczynkowy (przejście przez zero). Skręcenie wywołane siłą Coriolisa powoduje przesunięcie fazy sygnału prędkości, które jest wykrywane przez pomiar różnicy czasów przejścia przez zero pomiędzy dwoma czujnikami prędkości. W praktyce dokładność bardzo silnie zależy wtedy od układu pomiaru czasu. Może to ograniczać ostateczną czułość mierzenia masowego natężenia przepływu tym sposobem.

W stanie techniki opisano sposoby przetwarzania sygnału cyfrowego i urządzenia do określania zależności częstotliwości i fazy drgającej rurki czujnikowej, takiej jak rurki opisane w związku z przedstawionymi tu czujnikami masowego natężenia przepływu na podstawie zjawiska Coriolisa.

Przedmiotowy wynalazek obejmuje sposób pomiaru natężenia przepływu o małej wartości, który jest bardziej bezpośredni i wymaga mniejszej dokładności układu niż konwencjonalne sposoby przygotowania sygnału podstawy czasu. Jak pokazano w przykładach realizacji przedstawionych na fig. 2 - 4, przemieszczenie drgającej rurki czujnikowej mierzy się za pomocą czujników pojemnościowych. Dwa pojemnościowe czujniki 50 przemieszczenia są usytuowane w pobliżu rurki 16 symetrycznie względem kształtu tej rurki 16, tak aby mierzyć skręcenie w rurce 16 czujnikowej na skutek siły Coriolisa wytwarzanej przez płyn przepływający przez rurkę 16 czujnika. W specyficznych przykładach realizacji przedmiotowego wynalazku pojemnościowe czujniki 50 przemieszczenia są zminiaturyzowane i zamontowane powierzchniowo na ściance opakowania czujnika lub na korpusie czujnika wprowadzonym do wnętrza pętli rurki czujnika przepływu. Skręcenie rurki 16 czujnikowej na skutek działania siły Coriolisa powoduje przesunięcie fazy pomiędzy dwoma sygnałami z pojemnościowych czujników 50 przemieszczenia. Ponieważ jest to pomiar przemieszczenia, sygnał jest wprost proporcjonalny

PL 208 397 B1 do przemieszczenia. Względne przemieszczenie każdej strony rurki jest mierzone jako przesunięcie fazy. Obwody elektroniczne napędu czujników i przetwarzania sygnału przekładają względne przemieszczenie rurki 16 na sygnał wysokiego poziomu, który jest funkcją przesunięcia fazy, które to przesunięcie można wykorzystywać do mierzenia zjawiska Coriolisa, gdy poprzez rurkę 16 odbywa się przepływ.

Pierwszy sposób przetwarzania sygnału wykorzystuje wzmacniacz homodynowy, którego sygnał odniesienia jest podawany z jednego z czujników 50 przemieszczenia, a sygnał wejściowy podawany jest przez drugi czujnik 50 przemieszczenia. Ten wzmacniacz homodynowy może być zrealizowany sprzętowo i/lub programowo. Każdy czujnik 50 może dostarczać sygnał odniesienia lub sygnał wejściowy. Fazowy sygnał wyjściowy ze wzmacniacza homodynowego jest proporcjonalny do natężenia przepływu. Na fig. 6 przedstawiono schemat działania wzmacniacza homodynowego 52, za pomocą którego przykładowo jest realizowany taki sposób mierzenia według przedmiotowego wynalazku przesunięcia fazowego wywołanego przez siłę Coriolisa. Sygnały na fig. 6 biegną od lewej strony do prawej. Lewy sygnał wejściowy 100 i prawy sygnał wejściowy 102 pochodzą odpowiednio z lewego i prawego czujnika 50 przemieszczenia. Przykładowo lewy sygnał wejściowy 100 jest wykorzystywany jako sygnał odniesienia. Sinusoidalny sygnał wyjściowy 103 jest sygnałem napędzającym synfazowym z lewym sygnałem wejściowym 100. Wprawia on w rezonans rurkę 16 czujnika natężenia przepływu. Prawy sygnał wejściowy 102 jest mieszany z lewym sygnałem wejściowym 100 (odniesienie) i przesuniętym w fazie o 90° sygnałem 104 w dwóch fazowo czułych detektorach 106. Fazowo czułe detektory 106 mnożą te dwa sygnały, wytwarzając składową wysokiej częstotliwości i składową stałą. Dolnoprzepustowe filtry 108 usuwają składową wysokiej częstotliwości wytwarzając napięcie stałe na wyjściach 110, 112 (X i Y). Sygnał X na wyjściu 110 nazywany jest składową synfazową, a sygnał Y na wyjściu 112 nazywany jest składową kwadraturową sygnału wektorowego względem sygnału odniesienia. Każda z tych składowych jest wrażliwa na fazę. Jednakże wartość bezwzględna wektora i jego faza są związane poprzez następujące zależności:

R = tJX² + Y² , wartość bezwzględna (1)

Θ = arctg f Y ^J kąt fazy (2) wartość bezwzględna (1) kąt fazy (2)

Zależność pomiędzy tymi sygnałami wyjściowymi ze wzmacniacza homodynowego 52 a sygnałami wejściowymi z czujników 50 przemieszczenia określana jest następująco:

Rozważmy dwa sygnały jako przebiegi sinusoidalne o dowolnych amplitudach i dowolnej różnicy faz. Każdy taki sygnał zapisywany jest następująco:

^Vlewy = ^Vodn = A ^{sin ωt V}prawy = B ^sin (^ot + ^φ) w dolnym fazowo czułym detektorze 106 przebiega następująca operacja:

X' = Vodn * (Vprawy) = A sin ot * [B sin (ot + φ)]

X' = ¹/? AB [cos φ - cos (2ot + φ)]

Sygnał ten ma składową stałą i składową zmienną o podwojonej częstotliwości. Dolnoprzepustowy filtr 108 usuwa tę składową zmienną pozostawiając

X = ½ AB cos φ

W górnym fazowo czułym detektorze 106 przebiega następująca operacja:

Y' = A cos ot * [B sin (ot + φ)]

Mamy mnożnik cosinusowy, ponieważ cos ot = sin (ot + 90°).

Y' = -½ AB sin φ + ¹/? AB sin (2 ot + φ)

Znów mamy sygnał ze składową zmienną i składową stałą, który po przejściu przez filtr dolnoprzepustowy 108 daje w wyniku:

Y = -½ AB sin φ

PL 208 397 B1

Przez obliczenie wartości bezwzględnej R i kąta fazy Θ z równań 1 i 2 otrzymujemy:

R = ½ AB oraz

Θ = φ

Obliczenia te można przeprowadzić za pomocą dowolnego odpowiedniego cyfrowego lub analogowego urządzenia przetwarzającego 120. Faza wektora jest proporcjonalna do masowego natężenia przepływu.

Inny sposób zgodny z przykładami realizacji wynalazku wymaga dwukanałowego wzmacniacza homodynowego z sygnałem odniesienia i z jednym sygnałem wejściowym doprowadzanym przez jeden z czujników 50 przemieszczenia oraz drugim sygnałem wejściowym doprowadzanym przez drugi czujnik 50 przemieszczenia. Wzmacniacz homodynowy może być realizowany sprzętowo i/lub programowo. Różnica pomiędzy tymi dwoma sygnałami wejściowymi jest następnie mierzona względem sygnału odniesienia. Wynikowy fazowy sygnał wyjściowy ze wzmacniacza homodynowego jest proporcjonalny do natężenia przepływu. Na fig. 7 przedstawiono schemat działania dwukanałowego wzmacniacza homodynowego 54. Sygnały biegną w taki sam sposób i mają takie same definicje jak na fig. 6. Lewy wejściowy sygnał 100 jest również wykorzystywany jako sygnał odniesienia. Jak poprzednio, sinusoidalny wyjściowy sygnał 103 jest sygnałem napędzającym synfazowym z lewym wejściowym sygnałem 100. W tym przypadku lewy wejściowy sygnał 100 jest odejmowany od prawego wejściowego sygnału 102 i mieszany z lewym wejściowym sygnałem 100 (odniesienie) i jego przesuniętym w fazie o 90° sygnałem 104 w dwóch fazowo czułych detektorach 106. Funkcje wewnętrzne są takie same jak w homodynowym wzmacniaczu 52 z fig. 6.

Następujące wyprowadzenie może być wykorzystane do określenia zależności pomiędzy sygnałami wyjściowymi ze wzmacniacza homodynowego 54 a sygnałami wejściowymi z czujników 50 przemieszczenia. Do przeprowadzenia obliczeń można wykorzystać dowolne odpowiednie cyfrowe lub analogowe urządzenie przetwarzające 120.

Rozważmy dwa sygnały jako przebiegi sinusoidalne o dowolnych amplitudach i dowolnej różnicy faz. Każdy sygnał można przedstawić następująco:

^Vlewy = ^Vodn = A ^{sin ωt V}prawy = B ^sin + ^φ)

Sygnał wyjściowy niskoszumowego wzmacniacza różnicowego 114 w tym przypadku będzie ^Vodn ^{- V}prawy

W dolnym fazowo czułym detektorze 106 przebiega następująca operacja:

X' = Vodn (Vodn - Vprawy) = A sin ot [A sin ot - B sin (ot + φ)]

X' = ¹/? A² [1 - cos 2 rot] - ¹/? AB [cos φ + cos (2 rot + φ)]

Sygnał ten ma składową stałą i składową zmienną o podwójnej częstotliwości. Dolnoprzepustowy filtr 108 usuwa składową zmienną pozostawiając

X = ½ A² - ½ AB cos φ

W górnym fazowo czułym detektorze 106 przebiega następująca operacja:

Y' = A cos rot [A sin rot - B sin (rot + φ)]

Mamy mnożnik cosinusowy, ponieważ cos rot = sin (rot + 90°).

Y' = -½ A² sin 2rot - ¹/? AB sin φ - ¹/? AB sin (2rot + φ)

Znów mamy sygnał ze składową zmienną i stałą, który po przejściu przez filtr dolnoprzepustowy daje w wyniku:

Y = -½ AB sin φ

Po obliczeniu wartości bezwzględnej R i kąta fazy Θ z równań 1 i 2 otrzymujemy:

R =¹ A JA² + B² - 2 AB cos φ 2 ^v

PL 208 397 B1 oraz

Θ = tan ^-1

B sin φ B cos φ - A

Θ nie jest już kątem fazy, ale arctg, czyli funkcją kąta fazy i amplitud lewego i prawego sygnału wejściowego. Analiza tego równania wykazuje, że Θ jest silną funkcją φ. W rzeczywistości względne amplitudy sygnałów wejściowych mogą sterować siłą tej funkcji. Przedstawiono to na wykresie z fig. 8, gdzie A i B oznaczają odpowiednio amplitudy lewego i prawego sygnału. Gdy amplitudy te są ściślej dopasowane, uzyskuje się większą czułość na sygnał wyjściowy Θ wzmacniacza homodynowego. Nawet dla amplitud dopasowanych w granicach 2% czułość Θ wobec φ jest prawie 100-krotnie większa niż w standardowej konfiguracji wzmacniacza homodynowego.

Figura 9 przedstawia schemat działania podwójnego homodynowego wzmacniacza 56, za pomocą którego realizowany jest inny przykładowy sposób mierzenia indukowanego przez siłę Coriolisa przesunięcia fazowego według przedmiotowego wynalazku. Wzmacniacz homodynowy może być realizowany sprzętowo i/lub programowo. Sygnały biegną w taki sam sposób i mają takie same definicje, jak opisano powyżej. Lewy sygnał wejściowy 100 jest również wykorzystywany jako sygnał odniesienia. Jak poprzednio, sinusoidalny wyjściowy sygnał 103 jest sygnałem napędzającym synfazowym z lewym wejściowym sygnałem 100. W tym przypadku lewy wejściowy sygnał 100 jest mieszany ze sobą i z takim samym sygnałem przesuniętym w fazie o 90° w dwóch fazowo czułych detektorach 106 w górnym wzmacniaczu homodynowym 58. W dolnym wzmacniaczu homodynowym 60 prawy wejściowy sygnał 102 jest mieszany z lewym wejściowym sygnałem 100 i z jego odpowiednikiem przesuniętym w fazie o 90° w dwóch fazowo czułych detektorach 106. Pary sygnałów wyjściowych z fazowo czułych detektorów 106 bez przesunięcia fazowego i z fazowo czułych detektorów 106 z przesunięciem fazowym są różniczkowane w dwóch niskoszumowych wzmacniaczach różnicowych 114. Składowe stałe tych sygnałów są przepuszczane przez dolnoprzepustowe filtry 108, by otrzymać zwykłe sygnały wyjściowe wzmacniacza homodynowego. Operacje matematyczne, które są realizowane przez dowolne odpowiednie cyfrowe lub analogowe urządzenie przetwarzające 120, są takie same jak w przypadku sposobu opisanego powyżej w nawiązaniu do fig. 7, chociaż kolejność przeprowadzania tych operacji jest inna. W dwukanałowej technice homodynowej z fig. 7 odejmowane są od siebie dwa sygnały wysokiego poziomu o bardzo małych różnicach. Sygnał niskiego poziomu jest następnie mnożony przez sygnał wysokiego poziomu, który może wprowadzić szum w obwodach analogowych lub błędy zaokrąglenia w obwodach cyfrowych. W podwójnej technice homodynowej z fig. 9 najpierw mnożone są sygnały wysokiego poziomu, a następnie wynikowe sygnały zbliżone pod względem wartości amplitudy są odejmowane, przez co na wyjściu otrzymuje się mniejszy szum.

Zastosowanie wzmacniacza homodynowego jest najbardziej zauważalne w odniesieniu do mierzenia sygnału niskiego poziomu ukrytego w szumie o znacznie wyższej amplitudzie. Wzmacniacz homodynowy realizuje to działając jako skrajnie wąski filtr pasmowo-przepustowy. Sygnał i szum są mnożone przez sinusoidalny i cosinusoidalny przebieg odniesienia, a następnie przepuszczane przez filtr dolnoprzepustowy, by usunąć częstotliwość odniesienia. W wyniku operacji mnożenia i filtrowania uzyskuje się sygnały stałe reprezentowane przez zespolony wektor (x + jy). Różnica fazy pomiędzy częstotliwością odniesienia a interesującym sygnałem może być określona przez arctg (y/x).

Przy mierzeniu siły Coriolisa interesująca jest różnica faz pomiędzy dwoma sygnałami o takiej samej częstotliwości. Można to osiągnąć stosując dwa homodynowe wzmacniacze, z których każdy ma taką samą częstotliwość odniesienia, jak pokazano na fig. 10. Na schemacie działania pokazanym na fig. 10 wejściowe sygnały 100, 102 lewy i prawy mnożone są przez sinusoidalny i cosinusoidalny przebieg odniesienia dostarczane przez generator 144 częstotliwości odniesienia. Wejściowe sygnały 100, 102 są mieszane z sygnałem sinusoidalnym i cosinusoidalnym w fazowo czułych detektorach 106, a następnie są przepuszczane przez dolnoprzepustowe filtry 146 oparte na piątego rzędu funkcjach Bessela drugiego rzędu, jak opisano w nawiązaniu do fig. 6, 7 i 9. Opisany powyżej proces mnożenia i filtrowania jest przeprowadzany na wejściowych sygnałach 100, 102 lewym i prawym z wynikowym sygnałem X, Y różnicy faz każdego sygnału w stosunku do częstotliwości odniesienia. Różnica pomiędzy dwoma wyjściowymi sygnałami X, Y reprezentuje różnicę faz pomiędzy dwoma wejściowymi sygnałami 100, 102. W przypadku masowego natężenia przepływu mierzonego na zasadzie zjawiska Coriolisa ta różnica faz stanowi wskazanie masowego natężenia przepływu 152.

PL 208 397 B1

Przy stosowaniu wzmacniaczy homodynowych do mierzenia bardzo małych różnic fazy związanych z masowym natężeniem przepływu mierzonym na zasadzie siły Coriolisa konieczne jest takie ustawienie częstotliwości odniesienia, by była ona dopasowana do interesującego sygnału.

Częstotliwość odniesienia można dokładnie regulować przez przetwarzanie wektora wyjściowego z jednego z sygnałów wejściowych 100, 102. Najpierw oblicza się pochodną wektora wyjściowego.

Można tego dokonać przez obliczenie zespolonej różnicy pomiędzy dwoma kolejnymi wektorami wyjściowymi. Następnie pierwotny wektor wyjściowy obraca się o 90° i oblicza się iloczyn skalarny tego wektora i pochodnej uzyskując sygnał błędu 150, który jest podawany na generator 144 częstotliwości odniesienia. Sygnał błędu 150 jest ujemny, dodatni lub zerowy, jeżeli częstotliwość odniesienia ma być zmniejszana, zwiększana lub pozostawiana bez zmiany.

Stopień regulacji częstotliwości odniesienia jest zależny od dokładności pomiaru fazy, ale zwykle im dokładniejsza jest regulacja, tym lepsza jest dokładność określona przez obliczenie standardowego odchylenia z pewnej liczby próbek wyjściowych. Jednakże dokładniejsza regulacja (małe zmiany stopniowe) częstotliwości odniesienia jest szkodliwa, jeżeli występują stopniowe zmiany częstotliwości sygnału, ponieważ generator 144 częstotliwości odniesienia będzie potrzebował zbyt długiego czasu na osiągnięcie zamierzonej częstotliwości. Jeżeli częstotliwość sygnału doznaje częstych stopniowych zmian, wówczas algorytm proporcjonalno-całkująco-różniczkujący lub algorytm adaptacyjny można zastosować w celu regulowania częstotliwości odniesienia w sposób bardziej czuły.

W alternatywnych przykładach wykonania pojemnościowe czujniki 50 przemieszczenia mogą być zamontowane na piezoelektrycznych serwomotorach, które będą po pierwsze ustawiać pojemnościowe czujniki 50 przemieszczenia w trzech wymiarach. Ponadto przy stosowaniu z dwukanałowym wzmacniaczem homodynowym lub ze związanymi z nim sposobami opisanymi tu serwomotory piezoelektryczne mogą dynamicznie regulować czułość czujnika natężenia przepływu, zapewniając przez to rozszerzenie zakresu działania.

Takie dynamiczne pozycjonowanie zapewnia kompensowanie zmienności produkcyjnej, zwłaszcza ustawiania rurki czujnika natężenia przepływu względem pojemnościowej sondy przemieszczenia. Dynamiczne pozycjonowanie zapewnia również kompensację przesunięć wymiarowych spowodowanych przez rozszerzalność cieplną różnych części składowych względem siebie. Stosowane w połączeniu z dwukanałowym wzmacniaczem homodynowym lub podwójnym wzmacniaczem homodynowym pozycjonowanie dynamiczne umożliwia dokładne dopasowanie dwóch sygnałów przemieszczenia, by uzyskać regulowaną wrażliwość na natężenie przepływu. Mała czułość byłaby wykorzystywana w warunkach dużego natężenia przepływu, natomiast duża czułość byłaby wykorzystywana w rozszerzonych warunkach słabego natężenia przepływu, zwiększając przez to zakres dynamiczny pomiaru natężenia przepływu.

Przykłady realizacji przedmiotowego wynalazku dodatkowo obejmują ulepszone techniki pomiaru pojemności, zwłaszcza nowy kształt geometryczny pojemnościowego czujnika przemieszczenia. Normalnie przemieszczenie przedmiotu mierzy się jako odległość prostopadłą do pojemnościowego czujnika przemieszczenia. Przemieszczenie może być również mierzone jako odległość styczna do pojemnościowego czujnika przemieszczenia. Jak pokazano na fig. 11, można to realizować przez umieszczenie dwóch płytek 130 obok siebie z równomierną szczeliną 132 pomiędzy płytkami 130 w pobliżu czujnikowej rurki 134 w płaszczyźnie stycznej do ruchu (oznaczonej strzałką 136, jak pokazano na fig. 11). W jednym przykładzie wykonania płytki 130 mają taki sam potencjał, a czujnikowa rurka 134 ma potencjał ziemi. Czujnikowa rurka 134 jest umieszczona bezpośrednio nad szczeliną 132 pomiędzy płytkami 130 z oczekiwanym ruchem 136 prostopadłym do szczeliny, tak że cykliczny ruch czujnikowej rurki 134 będzie ustawiał rurkę 134 bliżej jednej płytki 130 niż drugiej płytki 130. Względna pojemność jest mierzona pomiędzy każdą z tych płytek 130 a czujnikową rurką 134. Gdy czujnikowa rurka 134 porusza się nad jedną płytką 130 lub drugą, zmienia się pole powierzchni uczestniczące w pojemności, a zatem mierzona względna pojemność.

Alternatywna konfiguracja ma szczelinę 132 przebiegającą ukośnie poprzez czujnikową rurkę 134, jak pokazano na fig. 12. Umożliwia to mniej dokładne przemieszczenie czujnikowej rurki 134 nad płaszczyzną płytek 130. Nieprawidłowe usytuowanie czujnikowej rurki 134 będzie powodowało mniejsze niedopasowanie sygnału w porównaniu z równoległą szczeliną 132.

Dalszy przykład wykonania ma szczelinę 132 w kształcie zęba piły, jak pokazano na fig. 13. Jest to ulepszenie w stosunku do ukośnej szczeliny 132, ponieważ kątowe przestawienie czujnikowej rurki 134 względem szczeliny 132 równoległe lub ukośne będzie powodować pewną różnicę prędkości zmiany pojemności pomiędzy dwiema płytkami 130. Będzie to powodować niepożądaną zmianę fazy

PL 208 397 B1 pomiędzy tymi dwoma sygnałami. Kształt zęba piły będzie uśredniać wszelkie kątowe przestawienie czujnikowej rurki 134, zapewniając sygnały bardziej symetryczne.

Na fig. 14 - 16 przedstawiono przykładowy przepływomierz 200 wibracyjny typu Coriolisa dla niewielkiego masowego natężenia przepływu, posiadający czujniki pojemnościowe według przykładu wykonania przedmiotowego wynalazku. Ten przepływomierz 200 wibracyjny typu Coriolisa zawiera czujnik 202 przepływu i regulator 204 przepływu. Procesor usytuowany wewnątrz lub na zewnątrz przepływomierza 200 masowego natężenia przepływu odbiera wskazanie wartości zadanej masowego natężenia przepływu. Ta wartość zadana jest porównywana z rzeczywistym masowym natężeniem przepływu wskazywanym przez czujnik 202 natężenia przepływu, by wytworzyć wartość błędu. Regulator 204 natężenia przepływu ma zawór, którym manipuluje się w celu ustawienia natężenia przepływu i zmniejszenia do minimum błędu. Realizacja określonych schematów regulacji jest działaniem rutynowym dla fachowca korzystającego z niniejszego opisu, a więc realizacji takiej nie opisano tu szczegółowo.

Część 202 będąca czujnikiem natężenia przepływu, która jest otoczona przez obudowę 205, zawiera czujnikową rurkę 206, która jest wygięta na kształt pętli, urządzenie napędzające 208 i dwa czujniki 210 umieszczone po przeciwległych stronach czujnikowej rurki 206, które mierzą przemieszczenie boków czujnikowej rurki 206.

W istniejących urządzeniach Coriolisa czujnik jest zwykle zamknięty w spawanej obudowie metalowej. Rurka czujnikowa wewnątrz obudowy ma również przymocowane do niej czujniki przemieszczenia lub prędkości z przewodami łączącymi wyprowadzonymi poprzez przepusty do zespołów elektronicznych na zewnątrz obudowy. Rurka czujnikowa w takich urządzeniach jest stosunkowo duża i ma częstotliwość rezonansową około 100 Hz. W przypadku mniejszych rurek czujnikowych, jak w przykładach realizacji przedmiotowego wynalazku, częstotliwość rezonansowa jest nieco większa, rzędu 200 Hz, a nawet większa. Gdy częstotliwość rośnie, pojawi się zwiększone tłumienie lepkościowe na skutek warunków atmosferycznych wewnątrz obudowy czujnika. Przez odpompowanie obudowy i wykorzystywanie wewnątrz obudowy materiałów kompatybilnych z próżnią tłumienie lepkościowe można zmniejszyć lub nawet wyeliminować. Zatem w przedstawionym przykładzie wykonania czujnikowa rurka 206 jest usytuowana wewnątrz podciśnieniowej obudowy 207 czujnika.

Czujnikowa rurka 206 jest przeznaczona do sprężystego zginania jej prostopadle do linii łączącej ramiona pętli rurki. Szerokość pętli jest wystarczająca, by umożliwić sprężyste skręcanie wokół linii środkowej pętli. Aby mierzyć siłę Coriolisa przy słabych natężeniach przepływu, trzeba zmniejszyć do minimum masę czujnikowej rurki 206. Wymiary rurki są ważne, ponieważ rurka musi być mała, jednakże zdolna do utrzymywania płynów pod zwiększonym ciśnieniem. Korzystne jest również, by czujniki 210 były bezkontaktowe, ponieważ wszelkie kontakt z rurką 206 lub masa obciążająca rurkę 206 może tłumić siłę Coriolisa.

Czujnik może być pojemnościowy, magnetyczny, piezorezystywny lub optyczny. Piezoelektryczne czujniki przemieszczenia na podstawie naprężenia stykają się z rurką, ale przy podstawie pętli, gdzie przemieszczenie jest minimalne, a naprężenie jest maksymalne. Ma to minimalny wpływ na drgania rurki. Technologie optyczne obejmują różne przewidziane na światło laserowe i białe interferometryczne techniki pomiaru przemieszczenia, techniki triangulacyjne, techniki wielokrotnego odbicia wewnętrznego i techniki z przesłanianiem wiązki. Magnetyczne technologie pomiaru przemieszczenia obejmują techniki związane ze zjawiskiem Halla, prądami wirowymi, zmienną reluktancją i techniki magnetorezystywne.

W przykładzie wykonania z fig. 14 - 16 przedstawiono czujnik pojemnościowy, ponieważ ma on czułość wymaganą do mierzenia przemieszczenia rurki, jest bezkontaktowy i nie podlega wpływom magnetycznego urządzenia napędowego. Każdy z czujników pojemnościowych 210 zawiera co najmniej jedną przewodzącą płytkę 300, która jest dołączona do określonego potencjału i jest usytuowana przy rurce 206 czujnika natężenia przepływu tak, aby pomiędzy nimi powstała szczelina. Rurka 206 czujnika natężenia przepływu jest dołączona do potencjału innego niż przewodząca płytka 300. Pojemność pomiędzy przewodzącą płytką 300 a rurką 206 czujnika natężenia przepływu zmienia się na skutek względnego ruchu przewodzącej płytki 300 i rurki 206 czujnika natężenia przepływu, kiedy rurka ta drga.

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 14 - 16 przewodzące płytki obejmują pierwszą i drugą płytkę, jak opisano powyżej w nawiązaniu do fig. 11 - 13. W przedstawionym przykładzie wykonania zastosowano płytki w kształcie zęba piły, jak pokazano na fig. 13. Pojemnościowe czujniki 210 są zmontowane w zintegrowany czujnikowy blok 301 o takich wymiarach, by pasował do wnętrza

PL 208 397 B1 czujnikowej obudowy 207, wymiarowo odniesionej do tylnej ścianki obudowy 207 przez wciskane kołki 302. Przewodzące płytki 300 pojemnościowych czujników 210 są wykonane na płytce wielowarstwowego obwodu drukowanego tak, aby zapewnić warstwę ochronną w celu zmniejszenia do minimum pojemności pasożytniczej i tylną warstwę stykową do lutowania do czujnikowego bloku 301. Ponieważ pojemnościowe czujniki 210 muszą działać w próżni, w przedstawionym przykładzie wykonania zastosowano materiały umożliwiające odpompowanie gazów. Standardowe materiały z włókien szklanych nie są kompatybilne z próżnią. Żądane właściwości materiału obejmują kompatybilność z próżnią, możliwość lutowania, łączenia w układy wielowarstwowe za pomocą spojenia umożliwiającego odpompowanie gazów oraz małą stałą dielektryczną dla prostej konstrukcji warstwy osłonowej. W specyficznym przykładzie wykonania zastosowano materiał dostępny w handlu.

Czujnikowy blok 301 zawierający pojemnościowe czujniki 210 może być regulowany w celu zoptymalizowania odległości od czujnikowej rurki 206. Uzyskano to przez zastosowanie przegubowych płytek poddanych obróbce elektroiskrowej. Stożkowe wkręty regulacyjne rozszerzają szczeliny, by powodować liniowy i kątowy ruch pojemnościowych czujników. Ponadto przewodzące płytki 300 pojemnościowych czujników zawierają obszary stykowe umożliwiające lutowanie przewodów prowadzących do płytki 303 obwodu drukowanego z przodu czujnikowego bloku, by połączyć pojemnościowe czujnikowe 210 z hermetycznie zamkniętym złączem elektrycznym, które zapewnia połączenie z zespołami elektronicznymi pojemnościowego pomiaru przemieszczenia na zewnątrz czujnikowej obudowy 207.

Napędowe urządzenie 208 wprawia rurkę 206 w drgania zginające. W przedstawionym przykładzie wykonania urządzenie napędowe 208 złożone jest z niewielkiego magnesu 304 przylutowanego do czujnikowej rurki 206 i niewielkiego uzwojenia elektromagnetycznego 306, które na przemian popycha i ciągnie magnes 304. W przykładzie wykonania z fig. 16 zastosowano magnes pozbawiony pierwiastków ziem rzadkich, a zwłaszcza powleczony niklem magnes samarowo-kobaltowy. Magnes samarowo-kobaltowy ma dobry stosunek siły magnetycznej do ciężaru. W tym przykładzie wykonania ciężar magnesu wynosi około 20 mg. Magnes 304 jest usytuowany u góry, pośrodku czujnikowej rurki 206 tak, że bieguny magnesu są skierowane równolegle do korzystnego kierunku przemieszczania rurki.

Uzwojenie 306 jest usytuowane na zewnątrz czujnikowej obudowy 207 w połączeniu z płytką 209 obwodu drukowanego. Czujnikowa obudowa 207 jest niemagnetyczna, a więc przezroczysta dla pól magnetycznych. Uzwojenie 306 jest typu otwartego w odróżnieniu od konstrukcji toroidalnej. W tym przykładzie wykonania uzwojenie 306 jest dostępną w handlu silną cewką indukcyjną o indukcyjności co najmniej 1 mH. Środkowa oś uzwojenia 306 jest prostopadła do powierzchni magnesu 304. Czujnikowa rurka 206 jest wprawiana w drgania rezonansowe za pomocą sygnału z jednego z pojemnościowych czujników w sprzężeniu zwrotnym z obwodem uzwojenia napędzającego poprzez funkcję pętli synfazowej. Funkcja ta może być realizowana poprzez obwód elektryczny lub programowo.

Czujnikowa rurka 206 jest montowana do podstawowy 212, która tworzy wlot 214 przepływu i wylot 216 przepływu, tak że zostaje utworzony kanał przepływu od wlotu poprzez rurkę 206 czujnika przepływu, poprzez regulator 204 i poprzez wylot 216 czujnika przepływu. Regulator 204 zawiera korpus 222 miernika z usytuowanym w nim zaworowym uzwojeniem 228 i pokrywą 230 uzwojenia. Zaworowy trzon 232 i tłoczek 234 są usytuowane wewnątrz uzwojenia 228 zaworu, a zaworowy korpus 236 jest dołączony do miernikowego korpusu 222 z uszczelką 238 pomiędzy nimi. Zaworowe gniazdo 240, sprężyna 242 i otwór 244 są usytuowane wewnątrz zaworowego korpusu 236. Końcowe bloki 224, 225 są usytuowane na każdym końcu części 204 regulacji przepływu z uszczelkami 226 przewidzianymi pomiędzy miernikowym korpusem 222 a końcowym blokiem 224 i pomiędzy zaworowym korpusem 236 a końcowym blokiem 225. W jednym przykładzie wykonania jako uszczelki 226 zastosowano kształtowane galwanicznie uszczelki niklowe.

W przykładowym wykonaniu przepływomierz 200 masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa jest zmontowany następująco. Miernikowy korpus 222 i czujnikowa obudowa 207, jak również podstawowa płytka 310, środkowy słupek 312 i czujnikowa rurka 206 są zmontowane i trzymane na miejscu przez przyrząd mocujący, który wymiarowo ustawia rurkę czujnikową 206 względem ścianek czujnikowej obudowy 207. Pozostałe części są ustawiane za pomocą wciskanych kołków 330. Części te są następnie twardo lutowane w jeden zespół. Magnes 304 jest lutowany na czujnikowej płytce 206. Czujnikowy blok 301 jest montowany wewnątrz czujnikowej obudowy 207 za pomocą wciskanych kołków 302. Wciskane kołki 302 wystają przez tył czujnikowej obudowy 207

PL 208 397 B1 w przybliżeniu na 0,5 mm. Hermetycznie zamknięte złącze 320 jest wciskane w tylny otwór 322 czujnikowej obudowy 207. Wciskane kołki 302 czujnikowego bloku i hermetycznie zamknięte złącze 320 są zgrzewane wiązką laserową lub wiązką elektronów, by zapewnić szczelność. Na przednią stronę czujnikowej obudowy 207 nakładana jest w próżni pokrywa 324, którą zgrzewa się wiązką laserową lub wiązką elektronów, by zapewnić szczelne środowisko próżniowe.

Następnie z miernikowym korpusem 222 montuje się pozostałe części składowe zaworu i końcowe korpusy 224, 225. Można stosować kształtowane galwanicznie niklowe uszczelki 226 lub do celów kalibracji elastomerowe pierścienie uszczelniające o przekroju okrągłym, a następnie zastępuje się je uszczelkami niklowymi. Zmontowane zespoły elektroniczne instaluje się na kompletnym zespole. Na płytce 310 podstawy układa się pierścień uszczelniający 332 o przekroju okrągłym i dociska się go obudową 205. Zamki krzywkowe na podstawowej płytce 310 obraca się w celu zamknięcia obudowy 205. Układa się pierścień uszczelniający 334 o przekroju okrągłym na kołpaku 336 pokrywy zespołów elektronicznych. Kołpak 336 umieszcza się na złączu 338 interfejsu użytkownika. Kołpak 336 wciska się na miejsce na obudowie 205, przez co powoduje się uszczelniające działanie pierścienia o przekroju okrągłym. Następnie zmontowany przepływomierz 200 masowego natężenia przepływu bada się i kalibruje.

Przykładowy przepływomierz 200 wibracyjny typu Coriolisa ma konstrukcję modułową, która ma kilka zalet. Jak omówiono powyżej, pakiet zespołów elektronicznych służy do powodowania uszczelniającego działania pierścienia o przekroju okrągłym przy korpusie przepływowym (pomiędzy dolnym końcem obudowy 205 a podstawową płytką 310) i u góry względem pokrywy zespołu interfejsu użytkownika (pomiędzy górnym końcem obudowy 205 a kołpakiem 336 zespołów elektronicznych). Kołpak 336 jest dołączony do płytki 340 zespołu interfejsu użytkownika wewnątrz przepływomierza 200 wibracyjnego typu Coriolisa, który to przepływomierz jest również dołączony do obwodów elektronicznych pomiaru i regulacji. Kołpak 336 obwodów elektronicznych i płytka 340 zespołu interfejsu użytkownika razem tworzą zespół interfejsowy obwodów elektronicznych użytkownika. Umożliwia to elastyczne konfigurowanie interfejsu zgodnie z wymaganiami użytkownika bez konieczności konstruowania różnych obwodów elektronicznych pomiaru i regulacji oraz obudowy dla każdej konfiguracji użytkownika.

Odmiana pokrywy zespołu interfejsu użytkownika będzie przykładowo miała uszczelki i przewód elektryczny, by powstało urządzenie zgodne z IP-65/NEMA 4X. Przykład takiego urządzenia pokazano na fig. 18. Dla porównania przykład wykonania przedstawiony na fig. 14 - 16 zawiera złącze 342 sprzężone z płytką 340 interfejsu użytkownika. Jak pokazano na fig. 18, pokrywa 337 zespołów elektronicznych jest przedłużona, by zapewnić przestrzeń dla dodatkowych części składowych wymaganych w danym zastosowaniu.

Inna właściwość obudowy 205 uszczelnionej za pomocą pierścienia o przekroju okrągłym polega na tym, że tworzy ona osłonę płynu trzeciego rzędu, przy czym czujnikowa rurka 206 jest osłoną płynu pierwszego rzędu, a obudowa 207 czujnika jest osłoną drugiego rzędu.

Gdyby w płynie podlegającym regulacji pojawiły się pęcherzyki, pierścieniowy otwór wokół tłoczka w konwencjonalnym zaworze zatrzymuje przechodzenie pęcherzyków do wylotu zaworu. Pęcherzyki będą gromadzić się u wejścia w pierścieniowy otwór, aż przepływ cieczy będzie hamowany i regulacja przepływu stanie się niemożliwa. Jeżeli pierścieniowy otwór zostanie powiększony, wówczas zwiększona odległość tłoczka od uzwojenia zaworu zmniejszy natężenie pola magnetycznego w obwodzie magnetycznym i przez to zmniejszy się skuteczna siła, jaką można uzyskać w celu otworzenia lub zamknięcia zaworu wbrew działaniu sił hydraulicznych wytwarzanych przez płyn. Zatem w przedstawionym przepływomierzu 200 masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem sił Coriolisa w tłoczku 234 przewidziany jest kołowy otwór 246. Ten kołowy otwór 246 jest kompatybilny z kształtem i wielkością pęcherzyków, dzięki czemu pęcherzyki mogą łatwiej przedostawać się przez zawór. Zmniejsza to do minimum możliwość zahamowania przepływu przez pęcherzyki. Otwór 246 poprzez środek tłoczka 234 zmniejsza do minimum wszelkie oddziaływania na obwód magnetyczny, tak że utrzymywana jest siła służąca do otwierania i zamykania zaworu wbrew działaniu sił hydraulicznych.

W konwencjonalnych istniejących zaworach, grzybek zaworu ma gniazdo wykonane z odkształcalnego materiału, który przy dociśnięciu do otworu zamyka go szczelnie dla przepływu. W przypadku normalnie zamkniętego zaworu elektromagnetycznego siła działająca na gniazdo jest przykładowo wytwarzana przez sprężynę dobraną tak, że działanie elektromagnesu unosi grzybek z gniazda. W przypadku normalnie otwartego zaworu elektromagnetycznego siła działająca na gniazdo jest wytwarzana przez działanie elektromagnesu i jest dobrana tak, że sprężyna unosi grzybek

PL 208 397 B1 z gniazda po wyłączeniu pola magnetycznego. Gniazdo jest przykładowo wykonane z elastomerowego tworzywa sztucznego lub z ciągliwego metalu.

Zwykle, odkształcenie sprężyste jest korzystniejsze od odkształcenia plastycznego, ponieważ uszczelnianie jest powtarzalne. Alternatywnie na gniazdo i grzybek można stosować twarde materiały, ale z bardzo ścisłymi tolerancjami wykonania dokładnie dopasowanych powierzchni współpracujących gniazda i grzybka. Wiąże się to z wysokim kosztem. Odległość pomiędzy gniazdem a grzybkiem jest ważna dla działania zaworu, ponieważ siła magnetyczna na grzybku nie zmienia się liniowo z przemieszczeniem. W przypadku zaworu normalnie otwartego trzeba optymalizować normalne położenie grzybka względem gniazda, by zapewnić maksymalną siłę, kiedy grzybek jest dociskany do gniazda z zapewnieniem maksymalnego natężenia przepływu w położeniu otwartym. W zaworze normalnie zamkniętym siła dociskania grzybka do gniazda jest wytwarzana przez sprężynę. Siła sprężyny musi być wystarczająca do zamknięcia wbrew działaniu sił hydraulicznych, a jednak jak najmniejsza, by umożliwić unoszenie grzybka z gniazda przez siłę magnetyczną na wymiar wystarczający dla uzyskania maksymalnego natężenia przepływu.

Istniejące urządzenia mogą wykorzystywać wiele różnych środków do regulowania odległości pomiędzy grzybkiem a gniazdem, łącznie z umieszczeniem podkładek wyrównujących pomiędzy grzybkiem a gniazdem lub z zastosowaniem śruby regulacyjnej w części posiadającej otwór. Jak pokazano na fig. 17A, typowa regulacja śrubowa w otworze nie zapewnia szczelności pomiędzy korpusem 250 otworu a korpusem 252 zaworu pozostawiając drogę 254 przecieku pomiędzy gwintami 256. Taka regulacja śrubowa wymaga, by gwinty 256 były uszczelnione przed przeciekiem płynu. Uszczelnienie takie zapewnia oddzielna uszczelka, np. pierścień uszczelniający o przekroju okrągłym lub uszczelka płaska.

Zgodnie z przykładami wykonania przedmiotowego wynalazku otwór 254 i/lub gniazdo są wykonane z tworzywa sztucznego, które nadaje się do obróbki skrawaniem w celu wykonania gwintowanego elementu z dokładnym otworem. Jak pokazano w przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 17B, gwinty 256 są wytwarzane nadwymiarowo, tak że pomiędzy otworowym korpusem 250 a zaworowym korpusem 252 istnieje wciskowe pasowanie 258 zapewniające uszczelnienie, przez co eliminuje się konieczność stosowania dodatkowej uszczelki (pierścienia o przekroju okrągłym lub uszczelki płaskiej). Gniazdo otworu jest teraz odkształcalnym członem upraszczającym konstrukcję i wykonanie zaworowego gniazda 240 i tłoczka 234 (patrz fig. 15 i 16).

Przedmiotowy wynalazek nie jest jednak koniecznie ograniczony do żadnej specyficznej konfiguracji grzybka zaworu. W alternatywnych przykładach wykonania zamiast zaworu stosuje się pompę. Do regulacji przepływu płynu można przykładowo zastosować pompę dozującą. W szczególności można zastosować pompę piezoelektryczną, która zawiera wiele piezoelektrycznych części rurkowych. Te piezoelektryczne części rurkowe są sterowane w taki sposób, aby różne części rurkowe zwężały się lub rozszerzały umożliwiając żądane sterowanie natężeniem przepływu płynu.

Figura 19 przedstawia inne przykładowe urządzenie do mierzenia masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa według jeszcze dalszych przykładów wykonania wynalazku. Przedstawione układ 500 do mierzenia masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa zawiera między innymi alternatywną strukturę do mierzenia przemieszczenia rurki, by wykrywać siły Coriolisa spowodowane przez masowe natężenie przepływu poprzez rurkę. Po bokach przy wierzchołku lub na wierzchołku przepływowej rurki 502 umieszczone są źródła 510 światła, tam gdzie oczekiwane jest największe przemieszczenie. Następnie po przeciwnej stronie rurki 502 umieszczone są fotodiody lub inne detektory 512 światła zwrócone na źródło 510 światła. Detektory 512 światła są dołączone do obwodów elektronicznych czujnika, które przetwarzają sygnały odebrane z detektorów 512 światła. Te obwody elektroniczne czujnika mogą wykorzystywać cyfrowe urządzenia przetwarzania sygnału, np. sposoby przetwarzania sygnału znane ze stanu techniki, albo też wzmacniacz homodynowy opisany tu w nawiązaniu do przykładów wykonania przedstawionych na fig. 6 - 11. Przewidywane są inne przykłady realizacji, które wykorzystują detekcję modalną lub dopasowanie krzywej sinusoidalnej, przy czym odbierany sygnał jest porównywany z wzorcem np. z wykorzystywaniem fazy określonej metodą najmniejszych kwadratów.

W jednym specyficznym przykładzie wykonania, źródła 510 światła i detektory 512 światła są częścią optycznego obwodu czujnikowego zrealizowanego na płytce drukowanej czujników optycznych. Źródła 510 światła i detektory 512 światła zawierają podczerwone diody elektroluminescencyjne i fotodiody do badania ruchu czujnikowej rurki 502. Jak pokazano na fig. 19, są dwa zestawy

PL 208 397 B1 diod elektroluminescencyjnych i fotodiod, po jednym zestawie do badania każdej strony czujnikowej rurki 502.

Na fig. 20 przedstawiono schemat blokowy części przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa wykorzystującego optyczny układ 500 do mierzenia masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa, pokazany na fig. 19. Ten optyczny układ 500 do mierzenia masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa stanowi część optycznej czujnikowej płytki drukowanej 520. Optyczna czujnikowa płytka drukowana 520 wytwarza lewy i prawy wyjściowe sygnały 521, 522 (odpowiadające lewej i prawej części czujnikowej rurki 502), podawane do obwodu 524 czujnika i napędu umieszczonego na drukowanej płycie głównej 526 poprzez optyczną napędową płytkę drukowaną 540. Na płycie głównej 526 wykonany jest również obwód 528 pobudzania i sterowania. Płytka drukowana 530 cyfrowego przetwarzania sygnału zawiera procesor 532 cyfrowego przetwarzania sygnału, pamięć 534 typu flash EEPROM, szybką pamięć 536 typu SRAM oraz logiczne i nadzorujące obwody 538. Jako procesor 532 przetwarzania cyfrowego sygnału w jednym przykładzie wykonania zastosowano procesor znany za stanu techniki, działający z częstotliwością 50 MHz. Oporowy czujnik temperatury 542 podaje swój sygnał wyjściowy na obwód 524 czujnika i napędu poprzez optyczną płytkę drukowaną 540 napędu, by mierzyć temperaturę rurki czujnikowej. Obwód 524 czujnika i napędu podaje ponadto sygnał wyjściowy na napędzające uzwojenie 513 by sterować drganiami czujnikowej rurki 502.

Rurka drga (w kierunku prostopadłym do płaszczyzny rysunku na fig. 19) pod wpływem działania uzwojenia 513 sterowanego przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości rezonansowej rurki 502. Siła magnetyczna wytwarzana przez uzwojenie 513 (np. cewka indukcyjna 1 mH, jak w przykładzie wykonania opisanym powyżej w nawiązaniu do fig. 14 - 16) popycha i ciągnie magnes 514, który jest przymocowany do czujnikowej rurki 502, powodując przez to jej ruch. Gdy rurka 502 drga, ilość promieniowania podczerwonego padającego na detektor 512, w tym przypadku fotodiody, ze źródła 510 światła, w tym przypadku elektroluminescencyjnych diod, jest zwiększana lub zmniejszana, gdy czujnikowa rurka 502 porusza się tam i z powrotem na drodze promieniowania. Optyczny obwód czujnikowy przekłada te zmiany promieniowania na napięcie reprezentujące położenie rurki.

Gdy czujnikowa rurka 502 drga, na wyjściach optycznego obwodu czujnikowego pojawiają się dwa przebiegi sinusoidalne reprezentujące ruch lewej i prawej strony czujnikowej rurki 502. Przy braku masowego natężenia przepływu przez czujnikową rurkę 502 lewa i prawa strona rurki 502 są zgodne w fazie, a więc oba przebiegi sinusoidalne są zgodne w fazie, co oznacza zerowe natężenie przepływu. Gdy masowe natężenie przepływu poprzez czujnikową rurkę 502 rośnie, wzrasta również różnica fazy pomiędzy ruchem lewej i prawej strony czujnikowej rurki 502 (liniowo z masowym natężeniem przepływu).

Obwód 524 czujnika i napędu wytwarza sygnał napędu czujnika z sygnałów wyjściowych 521, 522 optycznej czujnikowej płytki drukowanej. Czujnikowa rurka 502, optyczne czujniki 510, 512 i zespół 513, 514 złożony z uzwojenia napędowego i magnesu tworzą zamknięty układ drgający z częstotliwością określoną przez właściwości mechaniczne samej rurki czujnikowej 502. Koncepcja ta jest analogiczna do oscylatora elektronicznego, który wykorzystuje kryształ zamiast obiektu mechanicznego (czujnikowej rurki 502).

Płytka drukowana 430 procesora sygnału cyfrowego i związane obwody elektroniczne obwodu 524 czujnika i napędu przekładają lewy i prawy sygnał wyjściowy 521, 522 rurki czujnikowej na wartość cyfrową reprezentującą rzeczywistą różnicę fazy pomiędzy lewą i prawą stroną czujnikowej rurki 502. Ta różnica fazy reprezentuje masowe natężenie przepływu.

Jak pokazano na fig. 21, obwód 524 czujnika i napędu zawiera stereoskopowy analogowocyfrowy przetwornik 550, który służy do próbkowania lewego i prawego sygnału wyjściowego 521,522 z optycznej czujnikowej płytki drukowanej 520, by określić różnicę fazy pomiędzy lewą a prawą stroną czujnikowej rurki 502 w celu określenia częstotliwości drgań czujnikowej rurki 502 i prawidłowego poziomu napędzania czujnikowej rurki 502. Analogowo-cyfrowy przetwornik 552 oporowego czujnika temperatury odbiera sygnał wyjściowy z oporowego czujnika temperatury 542, by mierzyć za pomocą tego czujnika temperaturę czujnikowej rurki 502. Mnożący cyfrowo-analogowy przetwornik 554 służy do regulowania poziomu napędzania rurki czujnikowej. Płytka drukowana 430 procesora cyfrowego sygnału steruje stereoskopowym analogowo-cyfrowym przetwornikiem 550, analogowo-cyfrowym przetwornikiem 552 oporowego czujnika temperatury i mnożącym cyfrowo-analogowym przetwornikiem 554.

PL 208 397 B1

Nawiązując znów do fig. 20, płytka drukowana 540 napędu optycznego powoduje przesunięcie fazy wyjściowego sygnału napędowego o 90°, jak również zapewnia tłumienie i sprzężenie przemiennoprądowe płytki drukowanej 520 czujnika optycznego dla lewego i prawego sygnału wyjściowego 521, 522. Ponadto płytka drukowana 540 napędu optycznego zapewnia elektryczne połączenie oporowego czujnika 542 temperatury z obwodem czujnikowym 524 na płycie głównej 526.

Omówienie przepływu sygnału wyjaśnia ponadto przeznaczenie płytki 540 napędu optycznego i pokazuje, jak czujnikowa rurka 502 jest napędzana ze swą częstotliwością rezonansową. Ruch czujnikowej rurki 502 powoduje powstawanie dwóch przebiegów sinusoidalnych (lewy i prawy sygnał wyjściowy 521,522) w płytce drukowanej 520 czujników optycznych. Te sygnały przechodzą przez płytkę drukowaną 540 napędu optycznego, gdzie są sprzęgane przemiennoprądowe, by usunąć składową stałą i tłumione w celu zmniejszenia amplitud do wartości odpowiedniej dla wejść stereoskopowego przetwornika analogowo-cyfrowego 550 obwodu 524 czujnika i napędu na płycie głównej 526.

Obwód 524 czujnika i napędu buforuje te sygnały i próbkuje je za pomocą stereoskopowego przetwornika analogowo-cyfrowego 550, jak również podaje lewy sygnał 521 poprzez mnożący przetwornik cyfrowo-analogowy 554 w celu regulowania wzmocnienia napędu. Za mnożącym cyfrowoanalogowym przetwornikiem 554 sygnał jest podawany zwrotnie na płytkę drukowaną 540 napędu optycznego, gdzie wprowadzane jest opóźnienie fazowe o 90°, zanim sygnał ten zostanie podany na uzwojenie 513 napędu czujnikowego. Obwód przesuwania w fazie o 90° jest konieczny, ponieważ oscylator mechaniczny w stanie rezonansu wymaga, by energia odprowadzana z powrotem do układu (poprzez zespół 513, 514 złożony z uzwojenia napędowego i magnesu) była przesunięta w fazie o 90° względem ruchu rurki 502.

Jak to jest oczywiste dla fachowca tłumienie, sprzężenie przemiennoprądowe i przesunięcie fazy o 90° mogą być zawarte na płytce drukowanej 520 czujnika optycznego lub na płycie głównej 526. Jednakże przez realizację tych funkcji na oddzielnej płytce drukowanej można uniknąć stosowania w tym układzie płytki drukowanej 520 czujnika optycznego i płytki drukowanej 540 napędu optycznego, dzięki czemu inne czujniki masowego natężenia przepływu mogą być dołączone bezpośrednio do płyty głównej 526. Sygnały wejściowe z czujników i sygnał wyjściowy napędu na płycie głównej 526 muszą być kompatybilne z odpowiednimi wyjściami i ze stosowanym układem napędowym określonego czujnika masowego natężenia przepływu, albo też trzeba stosować odpowiedni interfejs.

Znane czujniki masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa nie wymagają przesunięcia fazowego o 90° na sygnale wyjściowym napędu, ponieważ zwykle znane czujniki z wykorzystaniem siły Coriolisa mają magnesy i uzwojenia, które są czułe na prędkość (amplituda sygnału wyjściowego czujnika jest największa w miejscu przejścia przez zero), natomiast opisane tu czujniki optyczne lub pojemnościowe są czułe na położenie (amplituda sygnału wyjściowego czujnika jest największa w punktach szczytowych przebiegu). Ponieważ prędkość jest pochodną położenia, a pochodną sinusa jest funkcja cosinus, zaś sinus jest przesunięty w fazie o 90° względem funkcji cosinus, zatem w sygnałach wyjściowych czujników czułych na prędkość w sposób naturalny występuje przesunięcie fazy o 90°.

Aby wzbudzić drgania czujnikowej rurki 502, wzmocnienie napędu jest zwiększane znacznie bardziej niż normalnie. Zawsze obecne drgania otoczenia wprawiają czujnikową rurkę 502 w drgania głównie z jej częstotliwością rezonansową. Ten niewielki ruch jest wykrywany przez układ źródło 510 - detektor 512 i jest wykorzystywany do napędzania czujnikowej rurki 502 z większymi amplitudami (poprzez obwód napędu o dużym wzmocnieniu). Kiedy drgania czujnikowej rurki 502 osiągną żądaną amplitudę, obwód napędowy zostaje przełączony na normalne wzmocnienie, a płytka drukowana 530 procesora cyfrowego sygnału przejmuje sterowanie amplitudy rurki czujnikowej poprzez mnożący przetwornik cyfrowo-analogowy 554. Bez aktywnego sterowania amplitudą napędu rurki czujnikowej drgania tej rurki czujnikowej 502 uległyby zatrzymaniu, albo też drgałaby ona bez kontroli.

Różnica fazy, częstotliwość rurki czujnikowej oraz temperatura rurki czujnikowej obliczone przez płytkę drukowaną 530 procesora cyfrowego sygnału są przesyłane w przedstawionym przykładzie wykonania do obwodu 528 zastosowania i sterowania poprzez łącze szeregowe o prędkości transmisji 4800 Bd.

Na fig. 22 przedstawiono schematycznie przykłady wykonania obwodu zastosowania i sterowania. Płyta główna 526 zawiera również obwód 528 zastosowania i sterowania. Płytka 560 interfejsu użytkownika jest przykładowo wetknięta w płytę główną 526. Płyta główna 526 zawiera mikroprocesor 562, pamięć 564 typu flash EEPROM, szybką pamięć 566 typu SRAM oraz obwody 568 logiki i nadzorowania. W jednym szczególnym przykładzie wykonania zastosowano mikroprocesor

PL 208 397 B1 znany ze stanu techniki, pracujący z częstotliwością 25 MHz. Mikroprocesor 562 obejmuje swym sterowaniem

1. przetwornik analogowo-cyfrowy, który służy do badania analogowego sygnału wejściowego wartości zadanej i analogowego sygnału wejściowego 570 przesterowania zaworu;

2. przetwornik cyfrowo-analogowy, który służy do wytwarzania analogowego sygnału wyjściowego 572 natężenia przepływu; oraz

3. przetwornik cyfrowo-analogowy, który służy do wytwarzania sygnału wyjściowego 574 sterowania zaworu.

Płytka 560 interfejsu użytkownika pokazana na fig. 22 jest opcjonalnym dodatkiem do płyty głównej 526, który zapewnia wiele różnych protokółów łączności. Wszystkie opisane dotychczas zespoły elektroniczne nie tworzą żadnego specyficznego systemu łączności. Aby zapewnić kompatybilność z różnymi protokółami łączności, dla każdego potrzebnego protokółu przewidziana jest specjalna płytka drukowana 560 interfejsu użytkownika z zastosowaniem wspólnego kształtu płytki drukowanej interfejsu użytkownika dopasowanego wtykowo do gniazda w płycie głównej 526.

Przykładowo wspólnym protokółem łączności jest protokół HART. Płytka drukowana interfejsu użytkownika z przetwarzaniem sygnałów analogowych w sygnały zgodne z protokółem HART przewiduje sygnał wejściowy wartości zadanej i sygnał wyjściowy natężenia przepływu 0(4)-20 mA oprócz sygnału wejściowego i wyjściowego 0(1)-5 V już przewidzianego na płycie głównej 526. W tej wersji przewidziana jest również fizyczna warstwa protokółu HART i zastosowany jest odizolowany zasilacz sieciowy 13-30 V prądu stałego.

Na fig. 23 przedstawiono zgodny z protokółem HART interfejs 580. Sygnał wyjściowy 582 natężenia przepływu (0(4)-20 mA) jest modulowany na odpowiedniej nośnej, aby umożliwić nadawanie i odbieranie zgodne z protokółem łączności HART na sygnale wyjściowym. Protokół HART przewiduje cyfrowe sprzężenie z przepływomierzem wibracyjnym typu Coriolisa, by kontrolować dane i kalibrować oraz konfigurować urządzenie. Sygnał wyjściowy 582 natężenia przepływu (0(4)-20 mA) jest również przetwarzany w sygnał 584 0(1)-5 V, by oprócz prądowego uzyskać napięciowe kontrolowanie natężenia przepływu.

Sygnał wejściowy wartości zadanej jest podawany z wejścia poprzez mostek służący do wybierania pomiędzy wejściowym sygnałem napięciowym 586 a wejściowym sygnałem prądowym 588. Wejściowy sygnał wartości zadanej jest przetwarzany w sygnał napięciowy (jeśli wybrane jest wejście prądowe) i podawany poprzez płytę główną 526 oraz jest dołączony bezpośrednio do sygnału wejściowego 570 wartości zadanej na płycie głównej. Sygnał, który jest wykorzystywany jako sygnał wyjściowy 572 natężenia przepływu na płycie głównej 526 o jedynej konfiguracji jest przetwarzany w prądowy sygnał wyjściowy na interfejsie 580 protokółu HART i jest interpretowany jako sygnał wyjściowy 590 gęstości. Sygnał wejściowy 570 przesterowania zaworu jest podawany również bezpośrednio na wejście przesterowania zaworu płyty głównej 526.

Płyta główna 526 o jedynej konfiguracji ma wspólną ziemię dla przewodu powrotnego zasilania i dla przewodów powrotnych wszystkich sygnałów. Zasilanie jest doprowadzane z wykorzystaniem przewodu +15 V prądu stałego i uziemienia. Chociaż na złączu płyty głównej istnieją oddzielne połączenia ziemi dla sygnałów wejściowych i wyjściowych, pod względem elektrycznym jest to ten sam punkt.

Sygnał wejściowy 576 +15 V prądu stałego na płycie głównej 526 jest wykorzystywany bezpośrednio na wszystkich elementach wymagających napięcia +15 V prądu stałego. Napięcie +15 V prądu stałego jest również wykorzystywane do zasilania dwóch przełączających przetwornic prąd stałyprąd stały. Jedna z nich służy do przetwarzania napięcia +15 V prądu stałego w napięcie +5 V prądu stałego, a druga służy do przetwarzania napięcia +15 V prądu stałego w napięcie -9 V prądu stałego. Wszystkie obwody elektroniczne i elektryczne (łącznie z zaworem) są zasilane z wykorzystaniem tych trzech źródeł napięcia (+15VDC, -9VDC i +5VDC) w przykładowym przepływomierzu wibracyjnym typu Coriolisa według przedmiotowego wynalazku. Jedynym połączeniem pomiędzy uziemieniem obudowy a uziemieniem zasilania/sygnałów jest rezystor 1M połączony równolegle z kondensatorem 0,01 μΕ.

Dodanie interfejsu 580 protokółu HART zapewnia izolowanie na wejściu sygnału wejściowego 576 zasilania. Zakres napięcia wejściowego interfejsu HART jest od +13 do 30 V prądu stałego i napięcie to jest całkowicie odizolowane od wewnętrznych źródeł napięcia i od ziemi. Przetwornica 592 prąd stały-prąd stały, która przetwarza napięcie 13-30 V prądu stałego w napięcie 15 V prądu stałego zapewnia odizolowania. Odizolowanie jest galwaniczne (przejście sieci) i optyczne (sprzężenie

PL 208 397 B1 zwrotne). Wyjście przetwornicy prąd stały-prąd stały jest elektrycznie izolowane dla +15 V prądu stałego i ziemi.

Na fig. 24A i 24B przedstawiono czujnikową część 600 przepływomierza wibracyjnego typu Coriolisa, według przykładu wykonania wynalazku, gdzie zastosowano czujniki optyczne. Pokazana na fig. 24A i 24B część 600 zawierająca czujnik natężenia przepływu nadaje się do stosowania w przepływomierzu masowego natężenia przepływu, takim jak przepływomierz 200 przedstawiony na fig. 14 - 16. Zasadniczo przedstawiona na fig. 24A i 24B część 600 zawierająca czujnik natężenia przepływu byłaby realizowana zamiast zawierającej czujnika 202 natężenia przepływu z fig. 14 - 16. Zawierająca czujnik natężenia przepływu część 600 ma rurkę 602 czujnika natężenia przepływu, do której przymocowany jest magnes 604. Źródło 606 światła podczerwonego, w postaci diod elektroluminescencyjnych i detektor 608 światła, w postaci fotodiod, są sprzężone z płytką drukowaną 610 czujnika optycznego umieszczoną po każdej stronie rurki 602 czujnika natężenia przepływu. Rurka 602 czujnika natężenia przepływu, magnes 604, źródło 606 światła, w postaci diod elektroluminescencyjnych, detektor 608 światła, w postaci fotodiod, i płytka drukowana 610 są wszystkie usytuowane wewnątrz obudowy 612, do której przymocowana jest pokrywa 614. Cewka indukcyjna 1 mH działa jako uzwojenie 616 napędu rurki. Uzwojenie 616 jest umieszczone na zewnątrz obudowy 612.

Alternatywnie rurka czujnikowa, urządzenie napędowe i czujniki są zawarte wewnątrz obudowy, albo wybrane elementy są dodatkowo lub zamiast uzwojenia umieszczone na zewnątrz obudowy. Przykładowo w pewnych przykładach wykonania wykorzystywana jest obudowa z utworzonym w niej okienkiem. Dzięki temu źródło światła i/lub detektor światła mogą być umieszczone na zewnątrz obudowy. W jeszcze innych przykładach wykonania zespoły elektroniczne czujników są oddalone od obudowy, np. przy zastosowaniu kabla światłowodowego. Może to być pożądane na przykład wtedy, gdy urządzenie czujnikowe masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa jest wykorzystywane w niebezpiecznym środowisku.

Jak opisano powyżej, źródło światła i detektor mogą zawierać podczerwoną diodę elektroluminescencyjną sprzężoną z podczerwoną fotodiodą. Czynna powierzchnia fotodiody jest zbliżona do średnicy rurki, ale nieco większa. Gdy rurka drga, przemieszcza się wówczas poprzez drogę pomiędzy diodą elektroluminescencyjną a fotodiodą przesłaniając promieniowanie z diody elektroluminescencyjnej. Rurka może być umieszczona tak, że droga światła pomiędzy diodą elektroluminescencyjną a detektorem jest częściowo przesłonięta, gdy rurka jest w stanie spoczynku. Gdy rurka porusza się wokół swego położenia spoczynkowego oscylacyjnie, promieniowanie dochodzące do detektora na przemian będzie osiągało minimum i maksimum, na skutek czego detektor wytwarza sinusoidalny sygnał wyjściowy. Względne sygnały wyjściowe z każdej strony rurki można mierzyć w odniesieniu do różnicy fazy dzięki sile Coriolisa powodowanej przez przepływ.

Jak podano powyżej, rurka badania natężenia przepływu może być wykonana z wielu różnych materiałów. Ponadto rurka ta może być wykonana jako struktura hybrydowa z różnych materiałów. Przykład takiej struktury hybrydowej przedstawiono na fig. 25. Pokazano tu czujnik 700 masowego natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa zawierający krzemową ramkę 702 i rurkę 704 ze stali nierdzewnej. Ten czujnik 700 zawiera ponadto zacisk 706 i czujniki 708. wszystkie wykonane z krzemu. Można zastosować dodatkowe materiały. Przykładowo zacisk 706 może być wykonany z metalu, szkła, tworzywa sztucznego, ceramiki itd. Od ramki 702 odchodzą cienkie krzemowe ramiona 710 przymocowane do boków czujnikowej rurki 704.

Czujniki 708 są piezorezystorami zrealizowanymi w układzie mostka Wheatstone'a, przymocowanymi przy podstawie każdego z krzemowych ramion 710 do boków czujnikowej rurki 704. Są to w rzeczywistości czujniki mierzące naprężenie powodowane przez zginanie krzemowych ramion 710. Na fig. 26A przedstawiono pierwszy mostek Wheatstone'a 720. Mostek Wheatstone'a 720 jest wykonany przy podstawie każdego z ramion 710. Mostek Wheatstone'a 720 jest zwykle wykonany również w krzemie osadzonym w krzemowej ramce 702 lub wszczepionym w nią. Mostek Wheatstone'a 720 zawiera cztery rezystory R1, R2, R3, R4, przy czym rezystory R1 i R4 są zmiennymi piezorezystorami. Mostek Wheatstone'a 720 zawiera ponadto złącze Vs zasilania wzbudzenia, zacisk GND powrotu sygnału oraz złącza -Vout i +Vout sygnału wyjściowego czujnika.

Figura 26B przedstawia drugi mostek Wheatstone'a 722, który jest utworzony pomiędzy dwoma ramionami 710 aby mierzyć różnicę naprężeń pomiędzy dwoma ramionami 710. W mostku Wheatstone'a 722 rezystory R1 i R2 są zmiennymi piezorezystorami. Natężenie przepływu jest wprost proporcjonalne do różnicy naprężeń. Nie trzeba określać fazy tych dwóch oddzielnych sygnałów.

PL 208 397 B1

Inne przykłady wykonania przedmiotowego wynalazku dotyczą urządzeń do pomiaru natężenia przepływu z wykorzystaniem siły Coriolisa, w których zastosowano prostoliniowe rurki czujnikowe, czyli rurka przepływowa tworzy zasadniczo liniową drogę przepływu. Na fig. 27 przedstawiono schematycznie czujnik 450 natężenia przepływu z prostoliniową rurką według przykładów realizacji wynalazku. Po pierwsze, rurka 452 może być uruchamiana w trybie zwykle spolaryzowanym pionowo przez przymocowanie piezoelektrycznych układów napędowych 454 do każdego końca rurki 452. W pewnych przykładach wykonania piezoelektryczne urządzenia napędowe zawierają unimorfy piezoelektryczne z warstwami piezoelektrycznymi przymocowanymi do jednego boku rurki 452. Przewidywane są alternatywne przykłady wykonania, w których stosowane są inne piezoelektryczne urządzenia napędowe, takie jak piezoelektryczne bimorfy.

Przeciwległa strona może mieć albo przymocowaną warstwę piezorezystywną, albo przymocowaną warstwę piezoelektryczną, działającą jako czujnik 456. Układ napędowy 454, w postaci pary unimorfów poruszanych synchronicznie, wprawia rurkę 452 w drgania rezonansowe. Gdy poprzez rurkę 452 odbywa się przepływ, siły Coriolisa będą przesuwać względne naprężenie na piezoelektrycznych czujnikach 456, tworząc przesunięcie fazy w ich sygnale wyjściowym.

Inny czujnik Coriolisa 451 z prostoliniową rurką jest schematycznie przedstawiony na fig. 28. Prostoliniowa rurka 452 może być poruszana w trybie spolaryzowanym kołowo, podobnie do skakanki poruszanej przez dwie osoby. Składowa wektora masowego natężenia przepływu, która wywołuje siłę Coriolisa, jest prostopadła do linii rurki 452. Każdy koniec rurki 452 będzie doznawać siły Coriolisa, która albo będzie ustawiona w kierunku obrotu, albo będzie ustawiona w kierunku przeciwnym do obrotu. Spowoduje to przesunięcie fazy w przeciwległych końcach rurki 452. Rurka może być poruszana przykładowo przez umieszczenie magnesu 460 przy środku rurki 452 i wprawianie go w drgania kołowe za pomocą dwóch usytuowanych ortogonalnie uzwojeń elektromagnetycznych 462. Odpowiednie sygnały napędzające mają różnicę faz 90°. Czujniki 456 są usytuowane przy każdym końcu rurki 452. Alternatywnie czujniki 456 mogą być usytuowane ortogonalnie podobnie do uzwojeń napędowych 462 i magnesu 460 w punktach jednej trzeciej rurki 452. Czujniki 456 mogą być optyczne, pojemnościowe lub elektromagnetyczne zależnie częściowo od materiału rurki.

Alternatywnie wobec układu napędowego z magnesem 460 i uzwojeniem 462 piezoelektryczny serwomotor przechylający przymocowany do każdego końca rurki działa jako element napędzający w tym trybie w innych przykładach realizacji wynalazku. Znane piezoelektryczne serwomotory przechylające są zwykle wykorzystywane do dynamicznego ustawiania zwierciadeł optycznych. Typowa konfiguracja zwierciadła optycznego złożona jest z trzech piezoelektrycznych stosów ustawionych w trójnóg przymocowany do pomostu podtrzymującego zwierciadło. By wprawiać rurkę w oscylacje kołowe, stosy piezoelektryczne są sterowane trzema sygnałami sinusoidalnymi, z których każdy jest przesunięty w fazie o 120° względem następnego. Jest to podobne do napędu z silnikiem trójfazowym. Ponieważ piezoelektryczne serwomotory przechylające są zwykle drogie i są duże w porównaniu ze zwierciadłem, w przykładach realizacji przedmiotowego wynalazku wykorzystywana jest następująca alternatywa.

Płaskie unimorfy piezoelektryczne są znacznie tańsze niż wspomniany powyżej serwomotor złożony z trzech stosów. Zwykle wymagają one niższego napięcia w celu osiągnięcia równoważnych przemieszczeń i są znacznie mniejsze niż serwomotory złożone ze stosów. Przykładowe przechylające serwomotory 470, 471 są koncepcyjnie przedstawione na fig. 2A i B. Przechylające serwomotory 470, 471 wykorzystują odpowiednio trzyramienne i czteroramienne płaskie sprężyny spiralne 474, 475. Na każdym ramieniu 476 płaskiej sprężyny spiralnej 474, 475 utworzone są układy piezoelektryczne. W przedstawionym przykładzie wykonania sprężyna 474 ma unimorf piezoelektryczny 472 utworzony na każdym ramieniu 476 w pobliżu zewnętrznej pierścieniowej struktury 478 sprężyny 474, 475. Piezoelektryczne lub piezorezystywne czujniki są przymocowane do przeciwległych stron sprężyny 474 względem unimorfów piezoelektrycznych 472. Czujniki te badają względną fazę pomiędzy czujnikami na każdym końcu rurki.

Przyłożenie napięcia do unimorfów piezoelektrycznych 472 powoduje przemieszczę-nie odpowiedniego ramienia 476. W przypadku trzyramiennej sprężyny 474 unimorfy piezoelektryczne 472 są napędzane przez trójfazowy sygnał sinusoidalny, jak w przypadku opisanych powyżej serwomotorów przechylających z potrójnym stosem, dzięki czemu uzyskuje się zasadniczo kołowy ruch napędzający. Czteroramienna sprężyna 475 ma strukturę bardziej skomplikowaną, ale jej uruchamianie jest prostsze. Zamiast trójfazowego urządzenia napędzającego w przypadku struktury czteroramiennej potrzebne jest dwufazowe urządzenie napędzające. Każdy sygnał napędzający jest przykładany do

PL 208 397 B1 dwóch przeciwległych ramion 476. Ruch jest analogiczny do przykładania dwóch sinusoidalnych sygnałów do wejść x i y oscyloskopu analogowego i obserwowania figur Lissajous. Jeśli dwa sygnały są przesunięte względem siebie w fazie o 90°, a mają taką samą amplitudę, wynikiem będzie okrąg.

Płaska spiralna sprężyna 474, 475 ma zaletę w stosunku do układu napędowego 454, w postaci unimorfów typu arkuszowego, opisanych w nawiązaniu do fig. 27, polegającą na tym, że sprężyna 474 będzie realizować przemieszczenie pionowe bez konieczności zmieniania średnicy, jak w układzie napędowym 454, w postaci unimorfów typu arkuszowego. Gęstość można nadal mierzyć przez zwiększenie amplitudy sygnału czujnika powodowane przez wzrost siły odśrodkowej działającej na rurkę. Ten tryb uruchamiania pozwala na większą elastyczność wybierania materiału rurki. Rurka nie musi być strukturą rezonansową. Układ nie musi nawet być w rezonansie, ponieważ może być sterowany całym widmem częstotliwości, dokładnie tak jak w przykładzie skakanki, której ruch nadają dwie osoby.

Claims

1. Przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa, zawierający przepływową rurkę, oraz źródło światła usytuowane przylegające do pierwszej strony przepływowej rurki i detektor światła umieszczony przylegające de drugiej strony rurki przepływowej, przy czym pierwsza strona rurki przepływowej jest przeciwległa do drugiej strony rurki przepływowej, źródło światła i detektor światła są zamocowane nieruchomo względem siebie, a rurka jest ruchoma względem źródła światła i detektora światła, a ponadto z przepływową rurką jest połączony roboczo układ napędowy do wprawiania przepływowej rurki w drgania, przy czym przepływowa rurka jest ruchoma przesuwnie na drodze wiązki światła określonej pomiędzy źródłem światła i detektorem światła, znamienny tym, że źródło (510; 606) światła ma usytuowanie względem przepływowej rurki (2, 16; 134; 20 6; 502; 602; 704), przy którym przepływowa rurka (2, 16; 134; 206; 502; 602; 704) jest umieszczona przesłaniając częściowo drogę wiązki światła utworzoną pomiędzy źródłem (510; 606) światła i detektorem (512; 608) światła, kiedy przepływowa rurka (2, 16; 134; 206; 502; 602; 704) jest w położeniu spoczynku.

2. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło (510; 606) światła stanowi emiter promieniowania podczerwonego.

3. Przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że źródło (510; 606) światła zawiera diodę elektroluminescencyjną promieniowania podczerwonego.

4. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że detektor (512; 608) światła zawiera fotodiodę czułą na podczerwień.

5. Przepływomierz według zastrz. 4, znamienny tym, że fotodioda ma powierzchnię aktywną większą niż średnica rurki przepływowej.

6. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło (510; 606) światła jest usytuowane względem przepływowej rurki (2, 16; 134; 206; 502; 602; 704) w miejscu maksymalnego przemieszczenia drgającej przepływowej rurki (2, 16; 134; 206; 502; 602; 704).

7. Przepływomierz według zastrz, 1 znamienny tym, że przepływowa rurka (704) jest zamontowana na ramce (702), i jest podłączona do układu napędowego (454) wprawiającego ją w drgania.

8. Przepływomierz według zastrz. 7, znamienny tym, że ramka (702) zawiera rurkę, w której usytuowana jest przepływowa rurka (704).

9. Przepływomierz według zastrz. 7, znamienny tym, że przepływowa rurka (704) i ramka (702) są z różnych materiałów.

10. Przepływomierz według zastrz. 9, znamienny tym, że przepływowa rurka (704) jest ze stali nierdzewnej.

11. Przepływomierz według zastrz. 9, znamienny tym, że przepływowa rurka (704) jest z tworzywa sztucznego.

12. Przepływomierz według zastrz. 9, znamienny tym, że ramka (702) jest z krzemu.

13. Przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa zawierający giętką przepływową rurkę mającą pierwszy i drugi koniec, przy czym przepływowa rurka wyznacza liniową drogę przepływu materiału, a przy pierwszym i drugim końcu przepływowej rurki są usytuowane czujniki pierwszy i drugi, przy czym czujniki wytwarzają sygnały wyjściowe, które są przesunięte względem siebie w fazie pod wpływem przemieszczenia przepływowej rurki w wyniku działania siły Coriolisa, znamienny tym, że zawiera układ napędowy (454) mający pierwszy i drugi unimorf piezoelektryczny (472) połączone z pierwszym i drugim końcem przepływowej rurki (452), przy czym układ napędowy (454) zawiera

PL 208 397 B1 płaskie sprężyny spiralne (474, 475) z wieloma ramionami (476) i wiele układów piezoelektrycznych, przy czym do każdego z ramion (476) jest dołączony układ piezoelektryczny.

14. Przepływomierz według zastrz. 13, znamienny tym, że przepływowa rurka (452) jest ruchoma układem napędowym w trybie spolaryzowanym pionowo.

15. Przepływomierz według zastrz. 13, znamienny tym, że przepływowa rurka (452) jest ruchoma układem napędowym w trybie spolaryzowanym kołowo.

16. Przepływomierz według zastrz. 13, znamienny tym, że układ napędowy (454) stanowi układ do poruszania przepływową rurką (452) w trybie spolaryzowanym kołowo.

17. Przepływomierz według zastrz. 13, znamienny tym, sprężyna (474) ma trzy ramiona (476).

18. Przepływomierz według zastrz. 13, znamienny tym, że każdy z układów unimorfów piezoelektrycznych jest dołączony do źródła energii, przy czym każdy z piezoelektrycznych stosów jest napędzany przez sinusoidalny sygnał, którego faza wyprzedza o 120 stopni fazę sygnału przyłożonego do sąsiedniego układu unimorfów piezoelektrycznych.

19. Przepływomierz według zastrz. 13, znamienny tym, że sprężyna (475) ma cztery ramiona (476).