RU2153652C2

RU2153652C2 - Mass flow-rate measuring device

Info

Publication number: RU2153652C2
Application number: RU94004635/28A
Authority: RU
Inventors: Д.М. Зайцев; И.В. Печорин; Л.Г. Эткин
Original assignee: Ооо "Нпо Ротор"
Priority date: 1994-02-11
Filing date: 1994-02-11
Publication date: 2000-07-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device is used for measuring gas or liquid mass flow rate in oil production, chemical and food branches of industry. Device has S-shaped tube, rectilinear central section, brackets, massive base, frame, loop sections with ends, flexible hinges, electric coil, electronic unit, coil, magnetic cores, force transducer, flexible members, jumpers, magnetic core winding, armatures, angular-velocity transducers with cylindrical magnets and windings, flanges, compensating system unit, the first and second detector units, normalizing unit, amplifying and integrating units. EFFECT: enhanced accuracy of measurement. 2 cl, 23 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к вибрационным преобразователям, и может быть использовано для непрерывного измерения расхода массы газа или жидкости, например, в нефтегазоперерабатывающей, химической, пищевой отраслях промышленности. The invention relates to measuring equipment, namely to vibration transducers, and can be used for continuous measurement of the flow of mass of gas or liquid, for example, in the oil and gas processing, chemical, food industries.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является устройство, содержащее изогнутую S-образно трубу, концы которой жестко закреплены на основании, жестко закрепленное на основании и предназначенное для взаимодействия со средней частью трубы электромагнитное устройство для возбуждения колебаний трубы и первое и второе устройства для измерения параметров колебаний трубы (1). The closest analogue of the claimed invention is a device containing a curved S-shaped pipe, the ends of which are rigidly fixed to the base, rigidly fixed to the base and designed to interact with the middle part of the pipe, an electromagnetic device for exciting pipe vibrations and the first and second devices for measuring parameters of pipe vibrations (1).

При возбуждении колебаний средней часты трубы устройства в направлении, перпендикулярном плоскости расположения колен S-образной трубы и одновременном протекании через трубу измеряемой среды, амплитудные значения скоростей колебаний трубы являются функциями двух переменных: сигнала возбуждения (т.е. угловой скорости колебаний трубы при отсутствии массового расхода измеряемой среды) и силы Кориолиса F_к, возникающей и действующей на трубу при наличии расхода Q измеряемой среды. Величиной, пропорциональной расходу Q измеряемой среды, является временной сдвиг между сигналами, снимаемыми первым и вторым устройством для измерения параметров колебаний трубы.When oscillations of the middle part of the device’s pipe are excited in the direction perpendicular to the plane of the elbows of the S-shaped pipe and the medium is flowing through the pipe at the same time, the amplitude values of the pipe oscillation velocities are functions of two variables: the excitation signal (i.e., the angular velocity of pipe oscillations in the absence of mass flow rate of the measured medium) and the Coriolis force F _k arising and acting on the pipe in the presence of the flow rate Q of the measured medium. A value proportional to the flow rate Q of the measured medium is the time shift between the signals recorded by the first and second devices for measuring the parameters of the pipe oscillations.

Недостатком устройства является косвенное измерение силы Кориолиса F_к, являющейся мерой расхода Q измеряемой среды, через временной сдвиг между двумя сигналами. Кроме того, измерение расхода Q по временному сдвигу двух сигналов допустимо только при малых углах колебаний трубы, так как при больших углах колебаний возрастает погрешность измерений, связанная с нелинейностью аппроксимации значений угла α колебаний трубы значениями tg α, т.е. устройство имеет небольшой динамический диапазон измерений значений массового расхода Q_m. Указанные недостатки обусловливают снижение точности измерений устройства.The disadvantage of this device is the indirect measurement of the Coriolis force F _to , which is a measure of the flow rate Q of the measured medium, through a time shift between two signals. In addition, the measurement of the flow rate Q by the time shift of two signals is permissible only at small angles of vibration of the pipe, since at large angles of oscillation the measurement error increases due to the nonlinearity of the approximation of the values of the angle α of vibration of the pipe by the values of tan α, i.e. the device has a small dynamic range of measurements of the mass flow rate Q _m . These shortcomings lead to a decrease in the accuracy of measurements of the device.

Технические результатом от использования изобретения является повышение точности измерений путем непосредственного измерения силы Кориолиса. The technical result of using the invention is to increase the accuracy of measurements by directly measuring the Coriolis force.

Это достигается тем, что в устройство для измерения расхода массы введены второе устройство для возбуждения колебаний трубы, содержащее неподвижную, закрепленную на основании, и подвижную части, датчик силы, смонтированный на кронштейне, и рама, жестко связанная с концами прямолинейного центрального участка трубы и через упругие шарниры прикрепленная к основанию с возможностью поворота вокруг оси, расположенной в плоскости S-образной трубы и перпендикулярно прямолинейному центральному участку трубы, причем к раме жестко прикреплена неподвижная часть первого устройства для возбуждения колебаний, подвижная часть второго устройства для возбуждения колебаний трубы и один конец кронштейна, второй конец кронштейна жестко прикреплен к прямолинейному центральному участку трубы, а второе устройство для возбуждения колебаний и датчик силы подключены к электронному блоку. This is achieved by the fact that a second device for exciting pipe vibrations is introduced into the device for measuring mass flow, comprising a fixed, fixed on the base, and moving parts, a force sensor mounted on an arm, and a frame rigidly connected to the ends of the rectilinear central section of the pipe and through elastic hinges attached to the base with the possibility of rotation around an axis located in the plane of the S-shaped pipe and perpendicular to the rectilinear central portion of the pipe, and not rigidly attached to the frame the movable part of the first device for exciting vibrations, the movable part of the second device for exciting pipe vibrations and one end of the bracket, the second end of the bracket is rigidly attached to the rectilinear central portion of the pipe, and the second device for exciting vibrations and the force sensor are connected to the electronic unit.

Совокупность элементов, содержащая раму, жестко связанную с концами прямолинейного центрального участка трубы, кронштейн с датчиком силы, первый и второй конец которого жестко прикреплены соответственно к раме и прямолинейному центральному участку трубы, первое устройство для возбуждения колебаний трубы, неподвижная и подвижная части которого жестко закреплены соответственно на раме и на прямолинейном центральном участке трубы, и электронный блок, обеспечивающий непосредственное измерение силы Кориолиса, действующей в процессе измерения массового расхода на прямолинейный центральный участок трубы, вследствие чего повышается точность измерений. A set of elements comprising a frame rigidly connected to the ends of the rectilinear central section of the pipe, a bracket with a force sensor, the first and second end of which are rigidly attached to the frame and the rectilinear central section of the pipe, the first device for exciting pipe vibrations, the fixed and movable parts of which are rigidly fixed respectively, on the frame and in the rectilinear central section of the pipe, and an electronic unit that provides direct measurement of the Coriolis force acting in the process of measuring rhenium mass flow rectilinear central portion of the pipe, thereby increasing measurement accuracy.

Совокупность элементов, включающая раму, жестко прикрепленную к концам прямолинейного центрального участка, упругие шарниры, связывающие раму с основанием с возможностью поворота вокруг оси, расположенной перпендикулярно прямолинейному центральному участку трубы и в плоскости S-образной трубы, второе устройство для возбуждения колебаний трубы, неподвижная и подвижная части которого закреплены соответственно на основании и раме, обеспечивает возможность синфазного перемещения прямолинейного центрального участка трубы (данный участок трубы является чувствительным элементом заявляемого устройства) и элементов (кронштейн с датчиком силы, первое устройство для возбуждения колебаний трубы), обеспечивающих построение компенсационной схемы измерений, вследствие чего повышается точность измерений. A set of elements, including a frame rigidly attached to the ends of the rectilinear central section, elastic hinges connecting the frame with the base with the possibility of rotation around an axis located perpendicular to the rectilinear central section of the pipe and in the plane of the S-shaped pipe, a second device for exciting pipe vibrations, fixed and the movable parts of which are fixed respectively on the base and the frame, provides the possibility of in-phase movement of the rectilinear central section of the pipe (this section ok pipe is a sensitive element of the claimed device) and elements (bracket with a force sensor, the first device for exciting pipe vibrations), providing the construction of a compensation measurement scheme, thereby increasing the accuracy of measurements.

Изобретение изображено на чертеже, где:
на фиг. 1 показана конструкция устройства для измерения расхода массы;
на фиг. 2 - функциональная схема заявляемого устройства, поясняющая обработку полезного сигнала в устройстве;
на фиг. 3 - конструкция крепления первого устройства для возбуждения колебаний трубы и датчика силы;
на фиг. 4 - фрагмент конструкции первого устройства для возбуждения колебаний трубы;
на фиг. 5 - упругий шарнир, являющийся фрагментом конструкции кронштейна для крепления датчика силы;
на фиг. 6 - фрагмент схемы блока 45, обеспечивающий съем из компенсационной цепи сигнала, пропорционального силе Кориолиса, действующей на измерительный участок трубы;
на фиг. 7 - схема первого электронного блока (синхронного детектора) для обработки сигнала, поступающего с датчика силы;
на фиг. 8 - схема второго детекторного блока для обработки сигнала с датчика скорости;
на фиг. 9 - схема блока, обеспечивающего нормирование сигнала, поступающего с датчика силы;
на фиг. 10 - схема интегрирующего блока;
на фиг. 11 - график, характеризующий форму колебаний рамы 8;
на фиг. 12 - график, характеризующий форму сигналов, поступающих с датчиков 34 и 35 в блок 16;
на фиг. 13 - график, характеризующий форму сигнала, поступающего в блок 16 с датчика силы 19 при отсутствии расхода Q массы измеряемой среды;
на фиг. 14 - график, характеризующий изменение текущего значения силы Кориолиса при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 15 - график, характеризующий форму сигналов, поступающих в блок 16 с датчика силы 19 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 16 - график, характеризующий изменение текущего значения силы, с которой катушка 14 воздействует на измерительный участок 2 трубы 1 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 17 - графики U₄₆ и U₄₈, характеризующие изменение сигналов на выходах соответственно блоков 46 и 48 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 18 - график, характеризующий изменение сигнала на входе Вх 1 компаратора 63 при наличии расхода Q массы измеряемой среды, изменяющегося по некоторому закону, например, по экспоненте;
на фиг. 19 - последовательность импульсов U_вх2, поступающая на вход Вх2 компаратора 63;
на фиг. 20 - последовательность импульсов, поступающая с выхода Вых1 блока 65 на вход Вх2 блока 64;
на фиг. 21 - последовательность импульсов, поступающая с выхода компаратора 63 на вход Вх1 блока 64;
на фиг. 22 - последовательность импульсов, поступающая с выхода Вых1 блока 67 на вход Вх3 блока 64;
на фиг. 23 - последовательность импульсов, поступающая с выхода Вых1 блока 64 на вход блока 62.The invention is shown in the drawing, where:
in FIG. 1 shows the design of a device for measuring mass flow;
in FIG. 2 is a functional diagram of the inventive device, explaining the processing of the useful signal in the device;
in FIG. 3 shows a mounting structure of a first device for exciting pipe oscillations and a force sensor;
in FIG. 4 is a structural fragment of a first device for exciting pipe vibrations;
in FIG. 5 - an elastic hinge, which is a fragment of the design of the bracket for mounting the force sensor;
in FIG. 6 is a fragment of the circuit of block 45, providing removal from the compensation circuit of a signal proportional to the Coriolis force acting on the measuring section of the pipe;
in FIG. 7 is a diagram of a first electronic unit (synchronous detector) for processing a signal from a force sensor;
in FIG. 8 is a diagram of a second detector unit for processing a signal from a speed sensor;
in FIG. 9 is a block diagram providing the normalization of a signal from a force sensor;
in FIG. 10 is a diagram of an integrating unit;
in FIG. 11 is a graph characterizing the vibrational shape of the frame 8;
in FIG. 12 is a graph characterizing the shape of signals coming from sensors 34 and 35 to block 16;
in FIG. 13 is a graph characterizing the shape of a signal arriving at block 16 from a force sensor 19 in the absence of mass flow Q of the measured medium;
in FIG. 14 is a graph characterizing a change in the current value of the Coriolis force in the presence of a flow rate Q of the mass of the medium being measured, changing according to some law, for example, exponentially;
in FIG. 15 is a graph characterizing the shape of the signals arriving at block 16 from the force sensor 19 in the presence of a flow rate Q of the mass of the medium being measured, which varies according to some law, for example, exponentially;
in FIG. 16 is a graph characterizing a change in the current value of the force with which the coil 14 acts on the measuring section 2 of the pipe 1 in the presence of a flow rate Q of the mass of the medium being measured, according to some law, for example, exponentially;
in FIG. 17 - graphs U ₄₆ and U ₄₈ , characterizing the change in the signals at the outputs of blocks 46 and 48, respectively, in the presence of flow rate Q of the mass of the medium being measured, which varies according to some law, for example, exponentially;
in FIG. 18 is a graph illustrating a change in the signal at input Bx 1 of the comparator 63 in the presence of a flow rate Q of the mass of the medium being measured, which varies according to some law, for example, exponentially;
in FIG. 19 - a sequence of pulses U _BX2 , received at the input Bx2 of the comparator 63;
in FIG. 20 - a sequence of pulses from the output of the Output1 of the block 65 to the input Bx2 of the block 64;
in FIG. 21 - a sequence of pulses from the output of the comparator 63 to the input V1 block 64;
in FIG. 22 - a sequence of pulses from the output of the Output1 of the block 67 to the input V3 of block 64;
in FIG. 23 is a sequence of pulses from the output of the Output 1 of the block 64 to the input of the block 62.

Заявляемое устройство содержит S-образную трубу 2 с прямолинейным центральным (измерительным) участком 2, который является первичным чувствительным элементом устройства. Концы трубы 1 жестко прикреплены кронштейнами 3 и 4 к весьма массивному основанию 5. Концы 6 и 7 измерительного участка 2 жестко связаны с рамой 8, кроме того с рамой 8 жестко связаны концы 9 и 10 петлевых участков трубы 1. Рама 8 связана с основанием 5 посредством упругих шарниров 11 и 12, которые представляют собой торсионные узлы, обеспечивающие поворот рамы 8 относительно основания 5 вокруг оси 0-0 на некоторый угол ±α. В средней части измерительного участка 2 трубы 1 смонтирован кронштейн 13. К кронштейну 13 жестко прикреплена электрическая катушка 14, выводы которой предназначены для подключения к электронному блоку 16 (фиг. 2). Катушка 14 размещена в воздушном зазоре, образованном полюсами Ш-образного магнитопровода 17 (фиг. 3, 4), а магнитопровод 17 жестко прикреплен к кронштейну 18, при этом кронштейн 18 является частью рамки 8. Катушка 14 и магнитопровод 17 - суть, соответственно, подвижная и неподвижная части первого устройства для возбуждения колебаний трубы 1. Первое устройство для возбуждения колебаний обеспечивает колебания трубы I в направлении оси M-М (фиг. 1, 4, 3). В кронштейн 13 вмонтирован датчик силы 19, ось чувствительности которого ориентирована в направлении оси М-М. Выводы 20 датчика 19 предназначены для подключения к электронному блоку 16. Кронштейн 13 снабжен двумя идентичными упругими шарнирами 21 и 22 (фиг. 3, 5), которые расположены по обе стороны датчика 19, а конец кронштейна 13, снабженный шарниром 22, жестко прикреплен к кронштейну 23 (фиг. 1, 3). Датчик силы 19 может быть выполнен, например, в виде пакета таблеток 24 из пьезокерамики, поджатых друг к другу посредством двух плоских упругих элементов 25 и 26 (фиг. 3), являющихся частью конструкции кронштейна 13. Шарниры 21 и 22 обеспечивают передачу усилий от измерительного участка 2 трубы 1 к датчику 19, действующих преимущественно вдоль оси М-М, и одновременно исключают передачу на датчик 19 моментов сил, действующих в плоскостях ОМ и OL. Кронштейн 23 по конструкции аналог кронштейна 18 и является частью рамы 8. Средние части кронштейнов 18 и 23 жестко связаны между собой посредством перемычек 27 и 28 (фиг. 1, 3). Частотные характеристики кронштейнов 18 и 23 в направлении оси М-М выбраны, исходя из условия равных перемещений измерительного участка 2 трубы 1 и совокупности элементов, образованной кронштейнами 18, 23 и перемычками 27 и 28, под воздействием внешних вибраций (рабочего диапазона частот), действующих в направлении оси М-М. Выполнение этого условия позволяет разгрузить датчик 19 от усилий, не связанных с силой Кориолиса, являющейся мерой расхода массы измеряемой среды, т.е. обеспечивает повышение точности измерений. К основанию 5 жестко прикреплен магнитопровод 29, снабженный обмоткой 30, выводы 31 которой предназначены для подключения к электронному блоку 16. К раме 8 жестко прикреплен якорь 32 (постоянный магнит). Магнитопровод 29, обмотка 30 и якорь 32 в совокупности образуют второе устройство для возбуждения колебаний трубы 1. На основании 5 посредством кронштейнов 33 (на фиг. 1 изображен условно только один кронштейн 33) закреплены датчики угловой скорости 34 и 35, каждый из которых включает, например, цилиндрический магнит 36 (37) и обмотки 38 (39), выводы которых 40 (41) предназначены для подключения к электронному блоку 16. К раме 8 жестко прикреплены якори 42, 43 (выполненные из магнитомягкого материала), предназначенные для взаимодействия соответственно с датчиками 34 и 35. Так как рама 8 жестко связана с концами 6 и 7 измерительного участка 2 трубы 1, то датчики 34 и 35 в совокупности соответственно с якорями 42 и 43 суть первое и второе устройства для измерений колебаний участков трубы 1 вокруг оси 0-0 (фиг. 1). The inventive device comprises an S-shaped pipe 2 with a rectilinear central (measuring) section 2, which is the primary sensitive element of the device. The ends of the pipe 1 are rigidly attached by brackets 3 and 4 to a very massive base 5. The ends 6 and 7 of the measuring section 2 are rigidly connected to the frame 8, in addition, the ends 9 and 10 of the loop sections of the pipe 1 are rigidly connected to the frame 8. The frame 8 is connected to the base 5 by means of elastic hinges 11 and 12, which are torsion nodes, providing a rotation of the frame 8 relative to the base 5 around the axis 0-0 by a certain angle ± α. In the middle part of the measuring section 2 of the pipe 1, a bracket 13 is mounted. An electric coil 14 is rigidly attached to the bracket 13, the terminals of which are designed to be connected to the electronic unit 16 (Fig. 2). The coil 14 is placed in the air gap formed by the poles of the U-shaped magnetic circuit 17 (Fig. 3, 4), and the magnetic circuit 17 is rigidly attached to the bracket 18, while the bracket 18 is part of the frame 8. The coil 14 and the magnetic circuit 17 are, respectively, the movable and fixed parts of the first device for exciting vibrations of the pipe 1. The first device for exciting vibrations provides the vibrations of the pipe I in the direction of the axis M-M (Fig. 1, 4, 3). A force sensor 19 is mounted in the bracket 13, the sensitivity axis of which is oriented in the direction of the MM axis. The findings 20 of the sensor 19 are intended to be connected to the electronic unit 16. The bracket 13 is provided with two identical elastic hinges 21 and 22 (Fig. 3, 5), which are located on both sides of the sensor 19, and the end of the bracket 13, provided with a hinge 22, is rigidly attached to bracket 23 (Fig. 1, 3). The force sensor 19 can be made, for example, in the form of a package of tablets 24 made of piezoceramics, pressed against each other by two flat elastic elements 25 and 26 (Fig. 3), which are part of the design of the bracket 13. The hinges 21 and 22 provide the transmission of forces from the measuring section 2 of the pipe 1 to the sensor 19, acting mainly along the axis MM, and at the same time exclude the transmission to the sensor 19 of the moments of forces acting in the planes OM and OL. The bracket 23 is similar in design to the bracket 18 and is part of the frame 8. The middle parts of the brackets 18 and 23 are rigidly interconnected by jumpers 27 and 28 (Fig. 1, 3). The frequency characteristics of the brackets 18 and 23 in the direction of the MM axis are selected based on the condition of equal displacements of the measuring section 2 of the pipe 1 and the combination of elements formed by the brackets 18, 23 and jumpers 27 and 28, under the influence of external vibrations (operating frequency range), acting in the direction of the axis MM. Fulfillment of this condition allows the sensor 19 to be relieved of forces not related to the Coriolis force, which is a measure of the mass flow rate of the medium being measured, i.e. provides improved measurement accuracy. A magnetic circuit 29 is fixed to the base 5, provided with a winding 30, the terminals 31 of which are designed to be connected to the electronic unit 16. An anchor 32 (permanent magnet) is rigidly attached to the frame 8. The magnetic circuit 29, the winding 30 and the armature 32 together form a second device for exciting vibrations of the pipe 1. On the basis of 5, by means of brackets 33 (only one bracket 33 is conditionally shown, angular velocity sensors 34 and 35 are fixed, each of which includes, for example, a cylindrical magnet 36 (37) and windings 38 (39), the terminals of which 40 (41) are designed to be connected to the electronic unit 16. Anchors 42, 43 (made of soft magnetic material) are rigidly attached to the frame 8, designed to interact respectively with sensors and 34 and 35. Since the frame 8 is rigidly connected to the ends 6 and 7 of the measuring section 2 of the pipe 1, the sensors 34 and 35, together with the anchors 42 and 43, respectively, are the first and second devices for measuring the oscillations of the pipe sections 1 around the axis 0- 0 (Fig. 1).

Концы трубы 1 снабжены фланцами 44 для подключения к трубопроводу (на фиг. 1 условно изображен только одни фланец). Выходы 20 датчика силы 19 подключены ко входу Вх1 блока 45 (блок компенсирующей системы). К выходу Вых1 блока 45 подключены выводы 15 катушки 14, а выход Вых2 блока 45 подключен ко входу Bx1 первого детекторного блока 46. Выход Вых1 блока 46 подключен ко входу Bx1 нормирующего блока 47. The ends of the pipe 1 are provided with flanges 44 for connection to the pipeline (in Fig. 1 only one flange is conventionally shown). The outputs 20 of the force sensor 19 are connected to the input Bx1 block 45 (block compensating system). The outputs 15 of the coil 14 are connected to the output O1 of block 45, and the output of O2 of block 45 is connected to the input Bx1 of the first detector block 46. The output of O1 of block 46 is connected to the input Bx1 of the normalizing block 47.

Обмотки датчиков 34 и 35 угловой скорости соединены последовательно, это обеспечивает независимость значения скоростного сигнала от изменений зазоров между сердечниками 36, 37 и соответствующими якорями 42 и 43, вызываемыми взаимными перемещениями основания 5 и рамы 8 или деформациями, например, температурными, рамы 8 в плоскости O-L (фиг. 1, 2). The windings of the angular velocity sensors 34 and 35 are connected in series, this ensures that the value of the speed signal is independent of changes in the gaps between the cores 36, 37 and the corresponding anchors 42 and 43 caused by mutual displacements of the base 5 and frame 8 or deformations, for example, temperature, of the frame 8 in the plane OL (Fig. 1, 2).

Выводы 40 и 41 датчиков 34 и 35 подключены ко входу Bx1 второго детекторного блока 48, ко входу Bx1 усилительного блока 49 и ко входу Вх2 первого детекторного блока 46. Выход Вых1 второго детекторного блока 48 подключен ко входу Вх2 нормирующего блока 47. Выход Вых1 блока 47 подключен ко входу Bx1 интегрирующего блока 50. The conclusions 40 and 41 of the sensors 34 and 35 are connected to the input Bx1 of the second detector unit 48, to the input Bx1 of the amplifier unit 49 and to the input В2 of the first detector unit 46. The output Output1 of the second detector unit 48 is connected to the input В2 of the normalizing unit 47. Output Output1 of unit 47 connected to the input Bx1 of the integrating unit 50.

Блок 45 (блок компенсационной системы) представляет собой усилитель мощности, нагрузкой которого является обмотка 14 (первое устройство для возбуждения колебаний трубы 1). Сигнал на вход блока 45 поступает с пьезодатчика 19, поэтому значение входного сопротивления блока 45 весьма велико (десятки, сотни мегом). Фазовые характеристики блока 45 выбраны таким образов, что силовое воздействие трубы 1 на датчик 19 (сила Кориолиса) компенсируется силовым воздействием на трубу 1 (т.е. на датчик 19), катушки 14, другими словами, датчик 19, блок 45 и катушка 14 работают в контуре отрицательной обратной связи. Блок 45 может быть выполнен, например, на основе выпускаемых промышленностью и включенных последовательно усилителей У7-3 (усилитель мощности) и У7-1 (измерительный усилитель с высоким входным сопротивлением). Block 45 (block compensation system) is a power amplifier, the load of which is the winding 14 (the first device for exciting pipe 1). The signal at the input of block 45 comes from the piezoelectric sensor 19, so the value of the input resistance of block 45 is very large (tens, hundreds of megohms). The phase characteristics of block 45 are chosen in such a way that the force of the pipe 1 on the sensor 19 (Coriolis force) is compensated by the force on the pipe 1 (i.e., sensor 19), coil 14, in other words, sensor 19, block 45 and coil 14 operate in a negative feedback loop. Block 45 can be performed, for example, on the basis of industrial amplifiers U7-3 (power amplifier) and U7-1 (measuring amplifier with high input impedance) connected in series.

Конструктивно в состав блока 45 входит шунт 51 (постоянное сопротивление), который включен последовательно с обмоткой катушки 14 (фиг. 6). С шунта 51 (суть выход Вых2 блока 45) сигнал поступает на вход Вх1 блока 46. Structurally, the block 45 includes a shunt 51 (constant resistance), which is connected in series with the winding of the coil 14 (Fig. 6). From the shunt 51 (the essence is the output of Output 2 of block 45), the signal is fed to input Bx1 of block 46.

Блок 49 представляет собой усилитель мощности с ограничением по амплитуде, т. е. блок 49 преобразует синусоидальный сигнал, амплитуда которого изменяется в определенных пределах, в трапециевидный сигнал, амплитуда которого постоянна во времени. Таким образом, совокупность элементов, включающая датчики скорости 34, 35, усилитель мощности 49, второе устройство для возбуждения колебаний трубы 1 (магнитопровод 29, обмотка 30, якорь 32) образуют колебательную систему, которая при выполнении условия баланса амплитуд (произведение коэффициента усиления усилителя на коэффициент передачи цепи обратной связи больше единицы) и условии баланса фаз (суммарный фазовый сдвиг всех звеньев равен нулю или целому числу периодов) функционирует в режиме автоколебаний. Block 49 is a power amplifier with a limited amplitude, i.e., block 49 converts a sinusoidal signal, the amplitude of which varies within certain limits, into a trapezoidal signal, whose amplitude is constant in time. Thus, the set of elements, including speed sensors 34, 35, a power amplifier 49, a second device for exciting oscillations of the pipe 1 (magnetic circuit 29, winding 30, armature 32) form an oscillatory system that, when the amplitude balance condition is fulfilled (product of the amplifier gain the transmission coefficient of the feedback circuit is greater than unity) and under the condition of phase balance (the total phase shift of all links is zero or an integer number of periods) operates in the mode of self-oscillations.

Блок 46 представляет собой синхронный детектор и может быть выполнен по схеме, изображенной на фиг. 7. В состав блока 46 входит трансформатор 52, первичная обмотка 53 которого есть вход Вх1 блока 46, а две секции 54 и 55 вторичной обмотки подключены соответственно к управляемым ключам 56 и 57 (в качестве управляемых ключей могут быть использованы, например, полевые транзисторы). Управляемые ключи 56 и 57 подключены к RC-контуру 58, а средняя точка последнего "Д" подключена к выходу Вых1 блока 46. В состав блока 46 входит компаратор 59 (например, триггер Шмитта), вход которого - суть вход Вх2 блока 46. Block 46 is a synchronous detector and can be performed according to the circuit depicted in FIG. 7. The structure of block 46 includes a transformer 52, the primary winding 53 of which is the input Bx1 of block 46, and two sections 54 and 55 of the secondary winding are connected respectively to controlled keys 56 and 57 (for example, field effect transistors can be used as controlled keys) . Managed keys 56 and 57 are connected to the RC circuit 58, and the middle point of the last "D" is connected to the output of Output 1 of block 46. Block 46 includes a comparator 59 (for example, Schmitt trigger), the input of which is the input of In2 of block 46.

Компаратор 59 преобразует синусоидальный сигнал, поступающий с датчиков 34 и 35, в последовательность управляющих знакопеременных прямоугольных импульсов. Выход компаратора 59 подключен к затвору управляемого ключа 57 и через инвертирующий блок 60 (схема "НЕ") к затвору управляемого ключа 56. Блок 46 обеспечивает формирование на собственном выходе Вых1 сигналов, пропорциональных среднеквадратичному значению сигнала, поступающего на вход Вх1, причем процесс формирования сигнала на выходе Вых1 синхронизируется сигналом, поступающим с датчиков 34 и 35 на вход Вх2 блока 46. The comparator 59 converts the sinusoidal signal from the sensors 34 and 35 into a sequence of control alternating rectangular pulses. The output of the comparator 59 is connected to the gate of the managed key 57 and through the inverting unit 60 (“NOT” circuit) to the gate of the managed key 56. Block 46 provides the generation of signals on its own output Output1 proportional to the rms value of the signal input to Input B1, and the process of generating the signal the output of Output1 is synchronized by the signal from the sensors 34 and 35 to the input V2 of block 46.

Второй детекторный блок 48 представляет собой выпрямитель (детектор), выполненный, например, по схеме, изображенной на фиг. 8. The second detector unit 48 is a rectifier (detector) made, for example, according to the circuit shown in FIG. 8.

Блок 47 обеспечивает нормирование сигнала, поступающего с выхода Вых1 блока 46, путем вычисления отношения двух сигналов, поступающих соответственно с выхода Вых1 блока 46 и с выхода Вых1 блока 48. Схема реализации блока 47 изображена на фиг. 9. Операция нормирования позволяет исключить из информационного сигнала, поступающего на вход Вх1 блока 47, погрешности, обусловленные нестабильностью амплитудного значения угловой скорости ω_p колебаний рамы 8 (измерительного участка 2). После выполнения операции нормирования сигнал на выходе Вых1 блока 47 пропорционален скорости расхода массы измеряемой среды (U_вых47 = m_сY_с).Block 47 provides the normalization of the signal from the output O1 of block 46 by calculating the ratio of two signals coming respectively from the output O1 of block 46 and the output of O1 of block 48. An implementation diagram of block 47 is shown in FIG. 9. The normalization operation allows to exclude errors caused by the instability of the amplitude value of the angular velocity ω _{p of the} oscillations of the frame 8 (measuring section 2) from the information signal supplied to the input Вх1 of block 47. After the normalization operation is performed, the signal at the output of Exit 1 of unit 47 is proportional to the mass flow rate of the measured medium (U _ex47 = m _s Y _s ).

Блок 50 представляет собой интегратор, выполненный, например, по схеме, изображенной на фиг. 10. Блок 50 содержит аналого-цифровой преобразователь 61, а также счетчик импульсов 62. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 61 содержит компаратор 63, к первому входу Вх1 которого подключен выход Вых1 блока 47. Выход Вых1 блока 63 подключен ко входу Вх1 блока 64, выполняющего логическую функцию "И". В состав блока 61 входит также генератор 65 тактовых импульсов (прямоугольных по форме), выход Вых1 которого подключен ко входу Вх1 формирователя 66 импульсов пилообразной формы и ко второму входу Вх2 блока 64. Выход Вых1 формирователя 66 подключен ко входу Вх2 компаратора 63. Кроме того в состав блока 61 входит генератор 67 счетных импульсов, значение длительности которых значительно меньше, а значение частоты следования значительно больше соответственно значений длительности и значения частоты следования импульсов на выходе Вых1 генератора 65 (в 20-100 раз). Выход Вых1 генератора 67 подключен ко входу Вх3 блока 64. Block 50 is an integrator made, for example, according to the circuit shown in FIG. 10. Block 50 contains an analog-to-digital converter 61, as well as a pulse counter 62. An analog-to-digital converter (ADC) 61 contains a comparator 63, to the first input of which V1 is connected the output V1 of block 47. The output V1 of block 63 is connected to the input V1 of block 64 performing the logical function "AND". Block 61 also includes a clock generator 65 (rectangular in shape), the output of which1 is connected to the input Вх1 of the sawtooth pulses 66 and to the second input Вх2 of the block 64. The output of Output1 of the driver 66 is connected to the input В2 of the comparator 63. In addition, the composition of block 61 includes a generator 67 of counting pulses, the value of the duration of which is much shorter, and the value of the repetition rate is much larger, respectively, of the duration and value of the repetition rate of pulses at the output of Output 1 of the generator 65 -100 times). The output of the Output 1 of the generator 67 is connected to the input Vh3 block 64.

Количество импульсов, прошедшее в единицу времени с генератора 67 на выход Вых1 блока 64, в данной схеме (фиг. 10) пропорционально значению напряжения на входе Вх1 компаратора 63, а суммарное количество импульсов, подсчитанное счетчиком 62, прямопропорционально интегралу от скорости изменения массового расхода, т.е. пропорционально значению расхода Q_m измеряемой среды.The number of pulses that passed per unit of time from the generator 67 to the output O1 of block 64 in this circuit (Fig. 10) is proportional to the voltage at the input Bx1 of the comparator 63, and the total number of pulses calculated by the counter 62 is directly proportional to the integral of the rate of change of the mass flow rate, those. in proportion to the flow rate Q _{m of the} measured medium.

В состав блока 50 входит также блок 68 отображения информации (цифровое табло), на котором отображается цифровое значение массового расхода Q_m. Блок 68 может быть выполнен, например, на элементах АЛС 324.Unit 50 also includes an information display unit 68 (digital display), on which the digital value of the mass flow rate Q _{m is} displayed. Block 68 can be performed, for example, on the elements of the ALS 324.

Устройство для измерения расхода массы работает следующим образом. A device for measuring mass flow is as follows.

При включении электропитания блока 16 (фиг. 2) в колебательном контуре, образованном обмотками датчиков 34, 35 угловой скорости, блоком 49, вторым устройством (элементы 29, 30, 32, с. фиг. 1, 2) для возбуждения колебаний трубы 1 и рамой 8 с упругими элементами 10 и 11, возникают автоколебания, вследствие чего рама 8 совершает колебания с угловой скоростью ω_p (фиг. 11) относительно основания 5 вокруг оси 0-0. Значение частоты ω_p колебаний определяется преимущественно жесткостью упругих шарниров 11 и 12 и суммарной массой рамки 8 с присоединенными к ней элементами (частота колебаний реального устройства-макета расположена в области 30 Гц). Форма сигналов, поступающих в блок 16 с датчиков 34 и 35, изображена на фиг. 12.When the power is turned on for block 16 (Fig. 2) in an oscillating circuit formed by the windings of the angular velocity sensors 34, 35, block 49, and a second device (elements 29, 30, 32, see Fig. 1, 2) to excite vibrations of the pipe 1 and frame 8 with elastic elements 10 and 11, self-oscillations occur, as a result of which frame 8 oscillates with an angular velocity ω _p (Fig. 11) relative to the base 5 around the axis 0-0. The value of the frequency ω _{p of the} oscillations is determined mainly by the stiffness of the elastic joints 11 and 12 and the total mass of the frame 8 with the elements attached to it (the oscillation frequency of the real device layout is located in the region of 30 Hz). The shape of the signals arriving at block 16 from sensors 34 and 35 is shown in FIG. 12.

При отсутствии расхода Q_m измеряемой среды через трубу 1 к измерительному участку 2 трубы 1 приложены силы, обусловленные исключительно центростремительным ускорением элементов конструкции, прикрепленных к кронштейну 13 (датчик 19, катушка 14). Масса указанных элементов конструкции выбрана таким образом, что центростремительные силы, приложенные к измерительному участку 2 трубы 1, взаимно компенсируются, и сигнал на выходе датчика 19 равен нулю (U₁₉ = 0, см. фиг. 13).In the absence of flow rate Q _{m of the} measured medium through the pipe 1, forces are applied to the measuring section 2 of the pipe 1, due solely to the centripetal acceleration of the structural elements attached to the bracket 13 (sensor 19, coil 14). The mass of these structural elements is selected so that the centripetal forces applied to the measuring section 2 of the pipe 1 are mutually compensated, and the signal at the output of the sensor 19 is zero (U ₁₉ = 0, see Fig. 13).

При наличии расхода Q_m измеряемой среды (изменяющегося, например, по экспоненциальной кривой) на измерительный участок 2 трубы 1 действует сила Кориолиса F_k (фиг. 14), которая обусловлена переносным движением измеряемой среды с угловой скоростью ω_p в плоскости ML и относительным движением измеряемой среды по направлению оси L-L. Сила F_k совпадает по фазе с угловой скоростью ω_p (фиг. 11, 14) и направлена по оси M-М. Так как жесткость совокупности элементов 21, 24, 22, 18, 23, 27, 28 в направлении оси М-М весьма велика по сравнению с жесткостью измерительного участка 2 трубы 1 в направлении оси М-М, то сигнал, выделяемый датчиком силы 19 (U₁₉, см. фиг. 15) пропорционален силе Кориолиса, действующей на измерительный участок 2. Сигнал с датчика 19 через блок 45 поступает на обмотку катушки 14, при этом со стороны катушки 14 к измерительному участку 2 прикладывается сила F₁₄ (фиг. 16), инверсная по фазе силе F_k, т.е. компенсирующая последнюю. Сигнал, пропорциональный значению тока, протекающего через обмотку катушки 14, т.е. пропорциональный силе Кориолиса F_k, снимается с шунта 51 (выход Вых2 блока 45, см. фиг. 6) и поступает на вход Вх1 блока 46. Таким образом, совокупность элементов 8, 13, 21, 24, 22, 18, 23, 27, 28, 14, 17 обеспечивает совместно с блоком 45 непосредственное измерение силы Кориолиса.If there is a flow rate Q _{m of the} measured medium (changing, for example, along an exponential curve), the Coriolis force F _k acts on the measuring section 2 of the pipe 1 (Fig. 14), which is due to the portable movement of the measured medium with an angular velocity ω _p in the ML plane and relative motion medium in the direction of the LL axis. The force F _k coincides in phase with the angular velocity ω _p (Fig. 11, 14) and is directed along the axis M-M. Since the rigidity of the set of elements 21, 24, 22, 18, 23, 27, 28 in the direction of the MM axis is very large compared to the rigidity of the measuring section 2 of the pipe 1 in the direction of the MM axis, the signal emitted by the force sensor 19 ( U ₁₉ , see Fig. 15) is proportional to the Coriolis force acting on the measuring section 2. The signal from the sensor 19 through the block 45 enters the winding of the coil 14, while the force F _{14 is} applied to the measuring section 2 from the side of the coil ₁₄ (Fig. 16 ), inverse in phase to the force F _k , i.e. compensating for the latter. The signal is proportional to the value of the current flowing through the winding of the coil 14, i.e. proportional to the Coriolis force F _k , is removed from the shunt 51 (output O2 of block 45, see Fig. 6) and is fed to input Bx1 of block 46. Thus, the set of elements 8, 13, 21, 24, 22, 18, 23, 27 , 28, 14, 17 together with block 45 provides a direct measurement of the Coriolis force.

Измерительный участок 2, датчик 19, блок 45 и первый возбудитель колебаний трубы 1 (включающий катушку 14 и магнитопровод 17) образуют компенсационный измерительный преобразователь, который обеспечивает высокую точность (как следствие высокой стабильности) измерений, так как в данном случае стабильность преобразователя определяется преимущественно стабильностью параметров катушки 14 и магнитопровода 17, малозависящих от внешних условий (температуры, давления и т.п.), а нестабильность других звеньев преобразователя (датчик 19, блок 45) незначительно влияет на точность преобразования. The measuring section 2, the sensor 19, the block 45 and the first oscillator of the pipe 1 (including the coil 14 and the magnetic circuit 17) form a compensation measuring transducer, which provides high accuracy (as a result of high stability) of measurements, since in this case the stability of the converter is determined mainly by stability parameters of the coil 14 and the magnetic circuit 17, little dependent on external conditions (temperature, pressure, etc.), and the instability of other parts of the converter (sensor 19, block 45) is insignificant no effect on the accuracy of the conversion.

Блок 46 выделяет среднеквадратичную составляющую сигнала, поступающего с датчика 19, причем эта операция синхронизируется сигналом, поступающим с датчиков угловой скорости 34 а 35, чем повышается точность измерений, за счет отсекания посторонних составляющих сигнала U₁₉, асинхронных (т.е. не связанных с силой F_k) сигналу угловой скорости ω_p. На выходе Вых1 блока 46 сигнал U_вых1 46 имеет вид, изображенный на фиг. 17.Block 46 extracts the rms component of the signal coming from the sensor 19, and this operation is synchronized by the signal coming from the angular velocity sensors 34 a 35, which increases the accuracy of the measurements by cutting off extraneous components of the signal U ₁₉ , asynchronous (i.e., not related to force F _k ) the signal of angular velocity ω _p . At the output O1 of block 46, the signal U _oI1 46 has the form shown in FIG. 17.

На выходе Вых1 блока 48 сигнал пропорционален среднеквадратичному значению угловой скорости ω_p (фиг. 17).At the output Output1 of block 48, the signal is proportional to the rms value of the angular velocity ω _p (Fig. 17).

Отношение сигналов, присутствующих на выходах блоков 46 и 48 вычисляется блоком 47 (фиг. 18). The ratio of the signals present at the outputs of blocks 46 and 48 is calculated by block 47 (Fig. 18).

С выхода Вых1 блока 47 сигнал поступает на вход АЦП 61 блока 50. В АЦП 61 преобразуемый сигнал сравнивается по значению на компараторе 65 с линейно нарастающим фронтом пилообразных импульсов (фиг. 19), формируемых блоком 66 из импульсов прямоугольной формы, поступающих с выхода Вых1 блока 65 (фиг. 20). При U_Вх1>U_Вх2 на выходе Вых1 компаратора 63 сигнал находится на уровне логической "1" (фиг. 21). В момент прихода на вход Вх2 блока 64 очередного тактового импульса (фиг. 20) на выход блока 64 через его вход Вх3 начинают поступать счетные импульсы, формируемые блоком 67 (фиг. 23).From the output of Exit 1 of block 47, the signal is fed to the input of the ADC 61 of block 50. In the ADC 61, the converted signal is compared by the value on the comparator 65 with a linearly rising edge of sawtooth pulses (Fig. 19) generated by block 66 from rectangular pulses from the output of Exit 1 of the block 65 (Fig. 20). When U _Bx1 > U _Bx2 at the output of the Output1 of the comparator 63, the signal is at the logical level "1" (Fig. 21). At the moment of arrival at input Вх2 of block 64 of the next clock pulse (Fig. 20), the output of block 64 through its input Вх3 starts to receive the counting pulses generated by block 67 (Fig. 23).

В момент равенства значений сигналов на входах Вх1 и Вх2 блока 63 уровень сигнала на выходе Вых1 блока 63 падает до уровня логического "0" (фиг. 21), вследствие чего прохождение счетных импульсов на выход Вых1 блока 64 прекращается. Таким образом, компаратор 63 обеспечивает преобразование напряжения, поступающего на его вход Вх1 в пропорциональный интервал времени, а продолжительность единичного состояния блока 64 (т.е. состояния, в течение которого счетные импульсы поступают на вход блока 64) и суммарное количество счетных импульсов, прошедшее на выход блока 64, пропорционально значению напряжения на входе Вх1 компаратора 63. Далее импульсы поступают на вход счетчика 62 (фиг. 10), а количество подсчитанных импульсов отображается на цифровом табло блока 68. At the moment of equal values of the signals at the inputs B1 and B2 of block 63, the signal level at the output of Output1 of block 63 drops to the logic level “0” (Fig. 21), as a result of which the passage of the counting pulses to the output of Output1 of block 64 is stopped. Thus, the comparator 63 provides the conversion of the voltage supplied to its input Bx1 in a proportional time interval, and the duration of the single state of block 64 (i.e., the state during which the counting pulses arrive at the input of block 64) and the total number of counting pulses passed to the output of block 64, in proportion to the voltage value at input B1 of comparator 63. Next, the pulses are fed to the input of the counter 62 (Fig. 10), and the number of counted pulses is displayed on the digital display of block 68.

Рассмотренная конструкция устройства для измерения расхода массы обеспечивает высокую точность и широкий динамический диапазон измерений, что обеспечивается непосредственным измерением значения силы Кориолиса при работе устройства. The considered design of the device for measuring mass flow provides high accuracy and a wide dynamic range of measurements, which is ensured by direct measurement of the Coriolis force during operation of the device.

В заявленном устройстве динамический диапазон измерений (для варианта конструкции с внутренним диаметром трубы, равным 7 мм) составляет 2500 : 1 (порог чувствительности 0,4 г/с, максимальный расход 1000 г/с), при этом относительная погрешность измерений не превышает во всем диапазоне измерений 0,5%. In the claimed device, the dynamic measurement range (for a design with an inner diameter of the pipe equal to 7 mm) is 2500: 1 (sensitivity threshold 0.4 g / s, maximum flow rate 1000 g / s), while the relative measurement error does not exceed in all measuring range 0.5%.

Claims

1. A device for measuring mass flow, containing a curved S-shaped with a rectilinear central section of the pipe, the ends of which are rigidly fixed to the base, the first device for exciting pipe oscillations, including a fixed and movable part, mounted on a rectilinear central section of the pipe, the first and second devices for measuring vibration parameters of pipe sections and an electronic unit connected to devices for exciting and measuring vibration parameters, characterized in that a second device is introduced into it in to excite oscillations of the pipe, containing a fixed, fixed on the base, and moving parts, a force sensor mounted on the bracket, and a frame rigidly connected to the ends of the rectilinear central section of the pipe and through elastic joints attached to the base with the possibility of rotation around an axis located in the plane of the S-shaped pipe and perpendicular to the rectilinear central portion of the pipe, and the fixed part of the first device for exciting vibrations is rigidly attached to the frame, the movable part of the second troystva for oscillation excitation of the pipe and one end of the bracket, the second end of the bracket is rigidly attached to the straight central portion of the tube, and the second device to vibrate and force transducer connected to the electronic unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that the force sensor is connected to the bracket through elastic hinges, the axis of maximum rigidity of which is oriented in the direction of the sensitivity axis of the force sensor.