RU2248529C2

RU2248529C2 - Mass flowmeter

Info

Publication number: RU2248529C2
Application number: RU2002108081/28A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Горбоконенко (RU); В.Д. Горбоконенко; В.Е. Шикина (RU); В.Е. Шикина; А.В. Черный (RU); А.В. Черный
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2005-03-20

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: proposed flowmeter has Coriolis tube made in form of piezo-ceramic cylinder provided with circular electrodes on outer surface and cut into pipe line handling the liquid under test. One of circular electrodes is connected to electric signal receiver and second circular electrode is used for connecting the tube to positive feedback circuit of amplifier forming self-excited oscillator together with it.

EFFECT: enhanced sensitivity; simplified construction.

2 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода жидкости.The invention relates to instrumentation and is intended for measuring fluid flow.

Известно устройство для измерения массового расхода материала в массовом расходомере Кориолиса, включающее, по крайней мере, одну расходную трубку и датчики, соединенные с указанной расходной трубкой для выработки выходных сигналов, несущих информацию о колебательном движении трубки, включающее в себя средство для периодической выборки указанных выходных сигналов и преобразования квантованных сигналов в цифровую форму, обеспечивающее выборку последовательности дискретных квантованных значений, представляющих собой выходные сигналы датчиков, включающих в себя любые нежелательные компоненты, фильтры-пробки для осуществления цифровой фильтрации, которые при поступлении на них указанной последовательности дискретных квантованных значений вырабатывают последовательность усиленных дискретных значений, каждое из которых соответствует выборке из указанной последовательности дискретных квантованных значений, с удельными нежелательными компонентами, средство для определения фазы, которое при поступлении указанной последовательности усиленных дискретных значений определяет разность фаз между выходными сигналами датчиков, и средство определения массового расхода, которое при поступлении указанной разности фаз определяет значение массового расхода материала, протекающего через расходную трубку (см. патент России № 2155325, 6 G 01 F 1/84, 2000 г.).A device for measuring the mass flow of material in a Coriolis mass flow meter, comprising at least one flow tube and sensors connected to the specified flow tube to generate output signals that carry information about the vibrational movement of the tube, including means for periodically sampling these output signals and converting quantized signals into digital form, providing a sampling of a sequence of discrete quantized values representing the output signal s sensors, including any undesirable components, filter plugs for digital filtering, which, when they receive a specified sequence of discrete quantized values, generate a sequence of amplified discrete values, each of which corresponds to a sample of a specified sequence of discrete quantized values, with specific undesirable components , means for determining the phase, which upon receipt of the indicated sequence of amplified discrete values d determines the phase difference between the sensor output signals, and means for determining the mass flow rate, which when entering the said phase difference determines the value of the mass flow rate of material flowing through the flow tube (see. Russian patent No. 2155325, 6 G 01 F 1/84, 2000).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что известное устройство имеет сложную конструкцию, заключающуюся в наличии большого числа вспомогательных элементов.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include the fact that the known device has a complex structure consisting in the presence of a large number of auxiliary elements.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является массовый расходомер, включающий прямую трубку и пьезоэлемент, деформируемый путем приложения к нему переменного напряжения, выходные пьезоэлементы и блок определения разности фаз выходных сигналов (см. патент Японии JP 58-206926, G 01 F 1/80, 1983 г.), и принятый за прототип.The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a mass flow meter, including a straight tube and a piezoelectric element, deformable by applying alternating voltage to it, output piezoelectric elements and a phase difference determination unit for output signals (see JP 58-206926, G 01 F 1/80, 1983), and adopted as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится потребность, по крайней мере, в трех пьезоэлементах, расположенных на трубке (возбудитель вибраций и приемники выходных сигналов), а также самой трубки, которая является элементом конструкции. То есть в целом устройство является дискретно-комбинированным, что в известной степени ухудшает метрологические характеристики, усложняет технологию изготовления и требует решения задачи оптимизации параметров всех компонентов.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known device adopted as a prototype include the need for at least three piezoelectric elements located on the tube (vibration exciter and output signal receivers), as well as the tube itself, which is a structural element . That is, in general, the device is discrete-combined, which to a certain extent worsens the metrological characteristics, complicates the manufacturing technology and requires solving the problem of optimizing the parameters of all components.

Сущность изобретения заключается в улучшении метрологических характеристик и простоте конструкции.The essence of the invention is to improve metrological characteristics and simplicity of design.

Технический результат - упрощение конструкции и увеличение чувствительности массового расходомера.The technical result is to simplify the design and increase the sensitivity of the mass flow meter.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное устройство содержит кориолисовую трубку и приемник электрического сигнала.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that the known device comprises a Coriolis tube and an electric signal receiver.

Особенность заключается в том, что кориолисовая трубка выполнена в виде пьезокерамического цилиндра с кольцевым электродом на внешней поверхности.The peculiarity lies in the fact that the Coriolis tube is made in the form of a piezoceramic cylinder with a ring electrode on the outer surface.

Кроме того, особенность устройства заключается в том, что кориолисовая трубка содержит второй кольцевой электрод, с помощью которого она включена в цепь положительной обратной связи усилителя и образует с ним автогенератор.In addition, a feature of the device is that the Coriolis tube contains a second ring electrode, with the help of which it is included in the positive feedback circuit of the amplifier and forms an oscillator with it.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed to identify the set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed device set forth in the claims.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию “Новизна”.Therefore, the claimed invention meets the condition of “Novelty”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “Изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:To verify the compliance of the claimed invention with the condition “Inventive step”, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the features of the claimed device that are different from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for a specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of a technical result is not revealed from the prior art as defined by the applicant, in particular, the following transformations are not provided for by the claimed invention:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;- addition of a known product by any known part (s) attached to it according to known rules to achieve a technical result, in relation to which the effect of such additions is established;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены:- replacement of any part (s) of a known product with another known part to achieve a technical result, in respect of which the effect of such a replacement is established:

- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и пр.);- the exclusion of any part (element) of the product with the simultaneous exclusion of its function and the achievement of the usual result for such exclusion (simplification, reduction of weight, dimensions, material consumption, increased reliability, etc.);

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;- an increase in the number of elements of the same type to enhance the technical result due to the presence in the tool of just such elements;

- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;- the implementation of a known tool or part (s) of a known material to achieve a technical result due to the known properties of this material;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.- the creation of a tool consisting of known parts, the choice of which and the relationship between them are based on known rules, recommendations, and the technical result achieved in this case is due only to the known properties of the parts of this tool and the relationships between them.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.The described invention is not based on a change in a quantitative characteristic (s), the presentation of such signs in relationship, or a change in its appearance. This refers to the case when the fact of the influence of each of these characteristics on the technical result is known, and new values of these signs or their relationship could be obtained on the basis of known dependencies and patterns.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На чертежах представлено:The drawings show:

На фиг.1 изображен массовый расходомер, который содержит кориолисовую трубку 1, выполненную из пьезокерамического материала, врезанную в трубопровод 2 с измеряемой жидкостью. На поверхности кориолисовой трубки 1 расположен кольцевой электрод 3, который связан с приемником электрического сигнала 4.Figure 1 shows a mass flow meter, which contains a Coriolis tube 1 made of piezoceramic material, embedded in the pipe 2 with the measured liquid. On the surface of the Coriolis tube 1 is located an annular electrode 3, which is connected with the receiver of the electrical signal 4.

На фиг.2 изображен массовый расходомер, дополненный вторым кольцевым электродом 5 и усилителем 6.Figure 2 shows a mass flow meter, supplemented by a second ring electrode 5 and an amplifier 6.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключается в следующем.Information confirming the possibility of carrying out the invention to obtain the above technical result is as follows.

Устройство содержит кориолисовую трубку 1, врезанную в трубопровод 2, по которому протекает жидкость, расход которой необходимо измерить. Кориолисовая трубка 1 сделана из пьезокерамического материала и выполняет роль чувствительного элемента датчика (прибора). На кориолисовую трубку 1 снаружи надет кольцевой электрод 3, подсоединенный к приемнику электрического сигнала 4. Выходной сигнал формируется на электроде 3 в виде знакопеременного заряда. Для расширения возможностей и увеличения чувствительности расходомера предложено дополнить расходомер электродом 5 и усилителем 6. Электрод 5 также формирует сигнал в виде знакопеременного заряда, одновременно выступая возбудителем колебаний в кориолисовой трубке 1. Кориолисовая трубка 1 образует с усилителем автогенератор колебаний, усиливающих измеряемые электродом 3 колебания жидкости.The device contains a Coriolis tube 1, cut into a pipe 2, through which a fluid flows, the flow rate of which must be measured. Coriolis tube 1 is made of piezoceramic material and acts as a sensitive element of the sensor (device). A ring electrode 3 is worn externally on the Coriolis tube 1, connected to the receiver of the electric signal 4. The output signal is formed on the electrode 3 in the form of an alternating charge. To expand the capabilities and increase the sensitivity of the flowmeter, it is proposed to supplement the flowmeter with an electrode 5 and an amplifier 6. The electrode 5 also generates a signal in the form of an alternating charge, while acting as an exciter in the Coriolis tube 1. Coriolis tube 1 forms an oscillator with an amplifier, amplifying the fluid oscillations measured by electrode 3 .

Работа устройства осуществляется следующим образом. При протекании жидкости по трубопроводу 2, жестко закрепленному с двух концов (кориолисовая трубка), возникают колебания, амплитуда которых функционально связана со скоростью движения жидкости, а частота пропорциональна плотности потока. Колебания действуют на поверхность кориолисовой трубки 1, что сопровождается появлением знакопеременных зарядов на электроде 3, по величине которых можно судить о расходе жидкости. Заряды поступают на приемник электрического сигнала 4. С целью расширения функциональных возможностей, повышения чувствительности к измерению малых расходов расходомер дополняется вторым кольцевым электродом 5 и усилителем 6. Кориолисовая трубка 1 выполняет роль пьезорезонатора, который с помощью электрода 5 включен в цепь положительной обратной связи усилителя 6 и образует с ним автогенератор. В результате протекания жидкости по пьезорезонатору возникающие колебания усиливаются по амплитуде, совпадают по частоте и по фазе. Таким образом, в схеме автогенератора создается режим автоколебаний пьезорезонатора. Этот режим сопровождается дополнительными деформациями, что обуславливает появление дополнительных знакопеременных зарядов на электроде 3, и этим самым увеличивается чувствительность устройства к измерению малых расходов жидкости.The operation of the device is as follows. When the fluid flows through the pipe 2, rigidly fixed at both ends (Coriolis tube), oscillations arise, the amplitude of which is functionally related to the speed of the fluid, and the frequency is proportional to the flux density. Oscillations act on the surface of the Coriolis tube 1, which is accompanied by the appearance of alternating charges on the electrode 3, the magnitude of which can be used to judge the fluid flow rate. Charges are received at the electric signal receiver 4. In order to expand the functionality and increase the sensitivity to measuring low flow rates, the flowmeter is supplemented with a second ring electrode 5 and amplifier 6. The Coriolis tube 1 acts as a piezoresonator, which is connected via the electrode 5 to the positive feedback circuit of amplifier 6 and forms with him an oscillator. As a result of the fluid flowing through the piezoelectric resonator, the resulting oscillations are amplified in amplitude, coincide in frequency and phase. Thus, in the oscillator circuit, a mode of self-oscillations of the piezoresonator is created. This mode is accompanied by additional deformations, which leads to the appearance of additional alternating charges on the electrode 3, and thereby increases the sensitivity of the device to measure low liquid flow rates.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the following conditions are met when using the claimed device:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно на производстве, где точное измерение расхода жидкости является неотъемлемой частью производственного процесса;- the tool embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in industry, namely in production, where accurate measurement of fluid flow is an integral part of the production process;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;- for the claimed device in the form described in the independent clause of the claims, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is confirmed;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to ensure the achievement of the perceived by the applicant technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.Therefore, the claimed invention meets the condition of “industrial applicability”.

Claims

A mass flow meter comprising a Coriolis tube and an electric signal receiver, characterized in that the Coriolis tube is made in the form of a piezoceramic cylinder with a ring electrode on the outer surface connected to the electric signal receiver, and contains a second ring electrode, by which the tube is connected to the positive feedback circuit communication amplifier and forms with him an oscillator.