Устройство и способ измерения массового расхода потока текучей среды

 

Использование: для измерения расхода измерителями кориолисового типа. Сущность изобретения: устройство измерения массового расхода потока текущей среды содержит входной и выходной трубопроводы, монтажный блок, две изогнутые расходомерные трубки, два фланца, вибратор и схему возбудителя. Монтажный блок имеет входной канал с расщипителем потока и выходной канал с соединителем потока, а каждая расходомерная трубка содержит две изогнутые части и соединительную часть. Схема возбудителя содержит входной каскад, каскад регулировки амплитуды, каскад регулировки частоты и выходной каскад. За счет возбуждения колебаний расходомерных трубок на второй гармонике резонансной частоты и съема сигнала между углами колебаний и монтажными концами расходомерных трубок исключается влияние внешних шумов. 2 с.п.ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения массового расхода измерителями Кориолисового типа.

Известно устройство для измерения массового расхода потока текучей среды, содержащее входной и выходной трубопроводы, по меньшей мере одну упругую расходомерную трубку с монтажными концами, жестко прикрепленными к монтажному блоку и сообщенными с входным и выходным трубопроводами через монтажный блок, электромагнитный колебательный привод, подключенный к схеме возбудителя, взаимодействующий с расходомерной трубкой [1] Известен способ измерения массового расхода, в котором измеряемый поток пропускают через расходомерную трубку, возбуждают ее поперечные колебания на второй гармонике резонансной частоты и измеряют параметры колебаний [2] Недостатком известных способа и устройства является низкая точность измерения, обусловленная влиянием на параметры колебаний внешних шумов.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения массового расхода, содержащем входной и выходной трубопроводы, по меньшей мере одну упругую расходомерную трубку с монтажными концами, жестко прикрепленными к монтажному блоку и сообщенными с входным и выходным трубопроводами через монтажный блок, электромагнитный колебательный привод, подключенный к схеме возбудителя, взаимодействующий с расходомерной трубкой, датчики колебаний и блок обработки сигналов, схема возбудителя содержит входной и выходной каскады, каскады регулирования частоты и амплитуды, причем выход входного каскада электрически связан с входами каскадов регулировки частоты и амплитуды, выходы которых соединены с входом выходного каскада, при этом вход входного каскада соединен с датчиками колебаний, а выход выходного каскада соединен с электромагнитным колебательным приводом.

Цель достигается также тем, что в способе измерения массового расхода, заключающемся в том, что поток текучей среды пропускают по меньшей мере через одну расходомерную трубку, возбуждают ее поперечные колебания на второй гармонике резонансной частоты и измеряют параметры колебаний, колебания возбуждают в одной точке, находящейся между узлами колебаний, а измерение параметров колебаний осуществляют между одним из узлов колебаний и первым монтажными концом расходомерной трубки и между другим узлом и вторым монтажным концом.

Сущность изобретения заключается в том, что расходомерным трубкам сообщаются колебания с большей частотой, чем их основная резонансная частота, в результате чего легче различается разница между колебательными действиями внешних шумов на устройство и прилагаемыми колебаниями. Это приводит к увеличению точности измерения эффекта реакции Кориолиса.

Путем использования гибкой конструкции расходомерной трубки, которая стабильна относительно ее центра тяжести, можно получить однородные картины колебательных волн, вызванных прилагаемыми колебаниями, по длине расходомерной трубки. Эти волны создают узлы колебаний, которые подобны точкам изгибания внутри непрерывного трубопровода. Полученные узлы в сущности являются свободно плавающими и образуют локальные минимальные амплитуды колебаний или стоячие участки внутри трубопровода, тогда как конструкция трубки, окружающая узлы, колеблется с частотой приложенных колебаний. Картины волн, полученные от относительно более высокой рабочей частоты колебаний, эффективно вызывают колебания расходомерной трубки около точек узлов. Это смещение оси колебаний производит в пределах длины расходомерной трубки амортизирующий эффект, который сводит к минимуму влияния нежелательного шума на измерение реакции Кориолиса. Узлы являются свободно плавающими точками изгибания, которые позволяют расходомерной трубке колебаться по отношению к определенной оси, которая по крайней мере в одном положении отделена от монтажных концов расходомерной трубки. Поэтому так как все колебания, вызванные внешним шумом, передаются на расходомерную трубку через монтажные концы, колебания, не зависящие от жесткого крепления, стремятся поглотить нежелательные колебания и поэтому еще более изолируют расходомерную трубку и чувствительную конструкцию для внешнего шума.

На фиг. 1 показан пример осуществления устройства для измерения массового расхода по типу Кориолиса; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 то же, вид сбоку; на фиг. 4 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 5-7 показаны различные картины резонансных колебаний расходомерной трубки; на фиг. 8 и 9 картины колебаний, показанной на фиг. 7, вид сбоку и вид сверху; на фиг. 10 показан другой пример осуществления устройства, вид сбоку; на фиг. 11 показан разрез Б-Б на фиг. 10; на фиг. 12 электромагнитный колебательный привод, вид сверху; на фиг. 13 показан разрез В-В на фиг. 12; на фиг. 14 показана блок-схема возбудителя для электромагнитного колебательного привода.

Устройство содержит входной трубопровод 1, выходной трубопровод 2, центральный монтажный блок 3 и две расходомерные трубки 4 и 5, обычно имеющие форму В. Входной трубопровод 1 и выходной трубопровод 2 содержат фланцы 6 и 7 соответственно для крепления устройства. Входной трубопровод 1 и выходной трубопровод 2 определяют вход в расходомерные трубки 4 и 5 и выход из них потока текучей среды и расположены соосно друг другу, а также соосно продольной оси потока текучей среды, который будет измеряться.

Монтажный блок 3 имеет входной канал 8, который сообщается с входным трубопроводом 1, и выходной канал 9, который сообщается с выходным трубопроводом 2. Входной канал 8 и выходной канал 9 показаны на фиг.2 пунктирными линиями, которые указывают внутреннюю конструкцию монтажного блока 3. Входной канал 8 имеет расщепитель 10 потока, который разделяет поток текучей среды, проходящий через монтажный блок 3 так, чтобы подавать равные части потока из входного трубопровода 1 в две расходомерные трубки 4 и 5. Поток проходит из канала 8 по первой расходомерной трубке 4 и второй расходомерной трубке 5 одновременно и параллельно и выводится в выходной канал 9. Одинарный выводимый поток образуется в соединителе 11 потоков в выходном канале 9 и направляется в выходной трубопровод 2. Входной трубопровод 1, входной канал 8, выходной канал 9, выходной трубопровод 2 и соединительная часть между входной 8 и выходным 9 каналами и двумя концами 12, 12', 13 и 13' каждой расходомерной трубки 4 и 5 выполняются с гладкими внутренними поверхностями, чтобы снизить ограничения потока или любые неблагоприятные воздействия на поток. Расположение расходомерных трубок 4 и 5 по отношению к оси 14 потока текучей среды и к входному 8 и выходному 9 трубопроводам может быть выполнено под любым требуемым углом, включая их перпендикулярное или параллельное расположение. Кроме того, входной трубопровод 1 и выходной трубопровод 2 также могут быть смещены (не показано) по отношению друг к другу, если это необходимо. Однако желательно, чтобы поток текучей среды через трубки 4 и 5 минимально ограничивался для того, чтобы предотвратить неблагоприятные воздействия на текучую среду, а также ограничить влияние турбулентности потока или кавитации на измерения реакции Кориолиса.

Расходомерные трубки 4 и 5 могут быть выполнены из любого упругого материала, например из нержавеющей стали, и расположены рядом и параллельно.

Входной конец 12 расходомерной трубки 4 жестко прикреплен к монтажному блоку 3, чтобы сообщаться с входным каналом 6. Выходной канал 13 расходомерной трубки 4 также жестко прикреплен к монтажному блоку 3 и сообщается с выходным каналом 9.

Как показано на фиг.2, входной конец 12, выходной конец 13 и остальные части расходомерной трубки 4 располагаются в одной вертикальной плоскости. Монтажные концы 12, 13 могут быть расположены рядом с плоскостью расходомерной трубки 4 посредством изогнутых секций (не показаны) между монтажным блоком 3 и расходомерной трубкой 4. Предпочтительно, чтобы по крайней мере большая часть расходомерной трубки 4 лежала в пределах одной плоскости, а остальные части находились в непосредственной близости к ней. Также предпочтительно, чтобы устройство было расположено так, чтобы плоскость расходомерной трубки 4 была вертикальной для предотвращения неодинакового влияния массы трубки 4 и массы потока на движение трубки и измерение реакции Кориолиса. Входной конец 12 и выходной конец 13 крепятся к монтажному блоку 3 в таких местах, которые находятся в непосредственной близости друг к другу. Конец 12 расходомерной трубки 4 располагается на задней стороне монтажного блока 3 (рядом с выходным трубопроводом 2), а конец 13 расходомерной трубки 4 сообщается с выходным каналом 9 монтажного блока 3 (рядом с передней стороной или входным концом устройства). Путем расположения расходомерной трубки 4 так, как показано, можно добиться, что поток из входного трубопровода 1 может проходить по входному каналу 8 в расходомерную трубку 4 без поворотов или изменения своего направления под неожиданными или очень острыми углами. Кроме того, поток, выводимый из расходомерной трубки 4, может быть направлен в выходной трубопровод 2 с постепенным поворотом по выходному каналу 9. Хотя окончательная конструкция устройства может меняться в зависимости от количества расчетных характеристик, желательно, чтобы существовало общее минимальное ограничение потока, создаваемое помещением устройства внутрь трубопровода.

Как показано на фиг.4, расходомерная трубка 4 окружает или образует петли вокруг монтажного блока 3 и обычно имеет форму лежащей буквы В. Расходомерная трубка 4 крепится к монтажному блоку 3 в смежных вершинах двух полукруглых изогнутых частей 15, 16 формы В. Расходомерная трубка 4 включает в себя первую изогнутую часть 15, которая выступает за верх монтажного блока 3 от конца 12 и изгибается по непрерывной дуге, которая больше 180^о по кривизне и, как показано, равна примерно 270^о, вокруг монтажного блока 3, проходя в положение, которое находится ниже оси 14. Первая изогнутая часть 15 сообщается с соединительной частью 17, которая отходит от первой изогнутой части 15 на одной стороне монтажного блока 3 и сообщается с второй изогнутой частью 16, которая выполнена аналогично первой изогнутой части 15 и расположена на противоположной стороне монтажного блока 3 симметрично относительно линии 18 симметрии. Соединительная часть 17 предпочтительно является прямой и проходит в непосредственной близости к монтажному блоку 3, не пересекая, как показано, ось 14 входного трубопровода 1 и выходного трубопровода 2, а также потока текучей среды.

Предпочтительно, чтобы соединительная часть 17 располагалась в непосредственной близости к центру 19 тяжести расходомерной трубки 4, но не касалась его. Кроме того, желательно, чтобы центр 19 тяжести расходомерной трубки 4 был расположен в непосредственной близости к монтажным концам 12, 13 расходомерной трубки 4. Зазор между монтажными концами 12 и 13, соединительной частью 17 и центром 19 тяжести меньше общего отступления изогнутых частей 15, 16 от линии 18 симметрии расходомерной трубки 4. Относительное размещение соединительной части 17 по отношению к обоим монтажным концам 12, 13 расходомерной турбки 4 (а также по отношению к оси 14) может регулироваться по вертикали относительно монтажного блока 3 в любом направлении и любым необходимым образом. Кроме того, соединительной части 17 не нужно было быть прямой, как показано, и она может быть изогнута в соответствии с любой желательной комбинацией. Вибратор 20 крепится между двумя соединительными частями 17 расходомерных трубок 4 и 5 посредством кронштейна.

Как показано на фиг.4, монтажные концы 12 и 13 расходомерной трубки 4 почти перпендикулярны верхней поверхности монтажного блока 3, поэтому каждая из изогнутых частей 15 и 16 изменяется в направлении потока почти на 270^о. В этом примере осуществления общее изменение в направлении потока вдоль расходомерной трубки 4 от монтажного конца 12 к монтажному концу 13 составляет приблизительно 540^о. Также возможно, чтобы монтажные концы 12 и 13 были наклонены к верхней поверхности монтажного блока 3 под острым углом. Если этот угол будет равен 45^о, общее изменение в направлении потока вдоль расходомерной трубки 4 составит только 450^о.

Сила реакции Кориолиса, генерируемая потоком в ответ на колебания, сообщаемые расходомерной трубке 4 вибратором 20, обычно соотносится с массовым расходом текучей среды, скорость текучей среды в расходомерной трубке 4 и степенью изменения наклона криволинейного пути текучей среды в расходомерной трубке 4. Когда расходомерная трубка 4 отклоняется в направлении, поперечном направлению скорости текучей среды (например, двигаясь в направлении Х), ей придается дополнительный компонент скорости, который также действует в относительно поперечном направлении (т.е. направлении Y). Таким образом, частица текучей среды, движущаяся внутри расходомерной трубки 4, движется как в направлении потока, так и в поперечном направлении (направлении Х и Y) или по криволинейному пути. Дифференциал между поперечным движением частицы (направление Y) и движением потока (направление Х) эквивалентен уклону криволинейного пути. Степень изменения уклона криволинейного пути по отношению к времени d²y/dxdt пропорциональна силе Кориолиса.

Так как расходомерная трубка 4 принимает колебания вибратора 20 в точке пересечения линии 18 симметрии и соединительной части 17, сила Кориолиса будет создаваться в направлениях, противоположных этому положению, и с симметричным градиентом по длине расходомерной трубки.

Датчики 21 и 22 расположены на изогнутой части 15 и изогнутой части 16 соответственно, чтобы измерять отклонение расходомерной трубки 4 из-за силы реакции Кориолиса. Датчики 21 и 22 могут иметь любую необходимую форму и крепятся непосредственно к расходомерной трубке 4 на противоположных сторонах колебательного вибратора 20 (фиг.1) или к кронштейнам 23, 24, которые одним концом закреплены на монтажном блоке 3, а другой их конец расположен рядом с расходомерной трубкой 4 (фиг.4). Кроме того, блок обработки сигналов (не показан) для определения массового расхода в расходомерной трубке 4 на основании сигналов, полученных с датчиков 21, 22, и как функции части сигналов, которые являются компонентом реакции Кориолиса, создаваемой текучей средой, также может быть выполнен в любой необходимой форме.

Изогнутые части 15 и 16, имеющие относительно большую кривизну и соединяемые соединительной частью 17, обеспечивают большую длину, которая повышает общую гибкость расходомерной трубки 4 и способность ее отклоняться в ответ на действие силы реакции Кориолиса и улучшить измеряемость этих отклонений. Кроме того, отклонение изогнутых частей 15 и 16 от линии 18 симметрии увеличивает действие реакции Кориолиса около линии 18 симметрии, создавая изгиб расходомерной трубки 4 закручивающего вида.

Результирующее движение расходомерной трубки 4 будет являться результатом градиента реакции и формы расходомерной трубки. Увеличение в закручивающемся изгибе является результатом большой длины, а также формы расходомерной трубки 4, которая изгибается в ответ на градиент силы Кориолиса. Большие изогнутые части 15, 16 также увеличивают объем потока, движущегося в некотором направлении с компонентом, перпендикулярным направлению потока на вибраторе 20, что увеличивает площадь, на которую может действовать сила Кориолиса на расходомерной трубке 4, увеличивая измеряемый динамический эффект реакции Кориолиса по всей длине изогнутых частей 15 и 16 для того, чтобы отличаться от колебаний, сообщаемых вибратором 20. Изогнутые части 15 и 16 не поворачиваются относительно линии 18 симетрии или своих монтажных концов 12, 13, а закручиваются из-за общей гибкости расходомерной трубки 4. Кроме того, так как расходомерная трубка 4 является симметричной петлей относительно своего центра 19 тяжести, колебания трубки 4 одинаковые во всех точках и не загрязнены внешним шумом. Ощущение реакции Кориолиса на расходомерной трубке 4 осуществляется относительно движения расходомерной трубки 5, и поэтому нет необходимости фиксировать ось отклонения для измерения.

По форме расходомерная трубка 4 окружает своей центр 19 тяжести и свои монтажные концы 12 и 13. Такая форма расходомерной трубки 4 с центром 19 тяжести в непосредственной близости к ее монтажным концам 12 и 13 снижает влияние внешнего шума и неравномерных колебаний на расходомерную трубку 4. Как показано на фиг.4, расстояние от центра 19 тяжести расходомерной трубки 4 до каждого из монтажных концов 12 и 13 меньше, чем половина максимального удаления изогнутых частей 15 и 16 от соответствующих монтажных концов 12 и 13. Поэтому расходомерная трубка 4 стабильна по отношению к монтажным концам 12, 13 и внешний шум незначительно влияет на ощущение реакции Кориолиса датчиками 21 и 22. Форма расходомерной трубки 4 является более стабильным окружением для отделения реакции Кориолиса от колебаний, сообщаемых вибратором 20, поэтому вычисление массового расхода еще больше облегчается.

Относительно длинная расходомерная трубка 4 обеспечивает существенную гибкость конструкции, которая может свободно отклоняться в ответ на реакцию Кориолиса, и поэтому повышает чувствительность устройства. Кроме того, в результате повышенной гибкости конструкции расходомерной трубки 4 наряду с более стабильной ее формой она может иметь относительно большую толщину, что, хотя и будет снижать общую гибкость расходомерной трубки 4 и сокращать величину трубки в ответ на реакцию Кориолиса, но не ухудшать общую чувствительность устройства, так как измеряемые реакции невосприимчивы к внешнему шуму из-за стабильности расходомерной трубки 4. Увеличение толщины стенок повышает общую прочность и срок службы устройства и позволяет использовать его для текучих сред при относительно высоком давлении, а также позволяет повысить общую безопасность работы устройства.

Возбуждение расходомерной трубки 4 в точке, близкой к центру 19 тяжести и близкой к монтажным концам 12, 13, стабилизирует ее колебательные характеристики, а также ее реакцию на силу Кориолиса. Чем больше расстояние, которое отделяет вибратор 20 от центра 19 тяжести, тем больше вероятность того, что вибратор 20 будет вносить искажения в движение прилагаемых колебаний и таким образом воздействовать на движение расходомерной трубки 4, воспринимаемое датчиками 21 и 22. Как показано на фиг.4, расстояние от вибратора 20, расположенного в средней точке соединительной части 17, до любого из монтажных концов 12, 13 меньше максимального удаления изогнутых частей 15 и 16 от соответствующих монтажных концов 12 и 13. Расстояние между вибратором 20 и центром 19 тяжести может быть изменено с учетом других расчетных факторов, таких как общая длина расходомерной трубки, положение центра 19 тяжести по отношению к монтажным концам 12 и 13 удаление изогнутых частей 15, 16 от линии 18 симметрии и т.д. Путем изменения положения соединительной части 17 вдоль линии 18 симметрии можно также изменять положение центра 19 тяжести во всей расходомерной трубке 4 по отношению к монтажным концам 12, 13.

Стабилизация устройства может быть обеспечена монтажным блоком 3 и входным и выходным трубопроводами 1, 2, которые имеют относительно большую массу по сравнению с массой расходомерных трубок 4, 5. Расходомерная трубка 4 плавает относительно свободно благодаря своей гибкости и расположению около относительно большой центральной массы и своих монтажных концов 12, 13. Большая масса монтажного блока 3 расположена в центре 19 тяжести расходомерной трубки 4, что еще больше делает расходомерную трубку 4 невосприимчивой к воздействиям внешнего шума и несимметричным искажениям на датчиках 21 и 22. Кроме того, расходомерные трубки 4, 5 не подвешены на входном трубопроводе 1 и выходном трубопроводе 2 устройства, и монтажные концы 12, 13 расположены относительно близко друг к другу, чтобы создавать более компактное окружение с тем, чтобы не подвергаться колебаниям большой амплитуды от внешнего шума.

Между расходомерными трубками 4, 5 могут быть предусмотрены скобы 25 и 26, которые располагаются рядом с соответствующими концами 12, 12' и 13, 13'. Скобы 25 и 26 образуют центр вращения, вокруг которого отклоняются изогнутые части 15 и 16. Скобы 25 и 26 используются для ограничения воздействия колебательного движения расходомерных трубок 4 и 5 на стык между ними и монтажным блоком 3.

Альтернативный пример осуществления устройства показан на фиг. 10 и 11. Показанное в общем виде устройство имеет такую же конструкцию расходомерных трубок 4 и 5, как и на фиг. 1-4, но оно крепится к корпусу 27 в положении, которое отстоит от продольной оси 14 потока текучей среды или трубопровода (не показан). Входной трубопровод 1 и выходной трубопровод 2 прикреплены одним своим концом к корпусу 27, а противоположными концами к центральному монтажному блоку 3. Монтажный блок 3 прикреплен к корпусу 27 посредством кронштейнов 23 и 24, чтобы расположить монтажный блок 3 внутри корпуса 27.

Монтажный блок 3 имеет входной канал 8, который принимает поток от входного трубопровода 1 и направляет его в обе расходомерные трубки 4 и 5 через их монтажные концы 12, 12', а также разделяет поток с помощью разделителя 10 потока. Расходомерные трубки 4, 5 направляют поток таким же образом, как и расходомерные трубки 4, 5 на фиг.1-4, и имеют изогнутые части 15 и 16, а также соединительную часть 17, центр 19 тяжести расположен рядом с монтажными концами 12, 12' и 13, 13'.

Поток, выходящий из расходомерных трубок 4 и 5, направляется по выходному каналу 9 и сливается в один поток в соединителе потока, выходя обратно в поток текучей среды или трубопровод (не показан) по выходному трубопроводу 2.

Расходомерные трубки 4 и 5 лежат в смежных и параллельных плоскостях, которые также параллельны линии 14. Входной и выходной каналы 8, 9 внутри монтажного блока 3 должны направлять поток только немного в сторону от входного трубопровода 1 и выходного трубопровода 2 по отношению к плоскости расходомерных трубок 4 и 5, которые расположены в непосредственной близости одна к другой.

Кронштейны 23 и 24, на которые опирается монтажный блок 3 (а также расходомерные трубки 4, 5) внутри корпуса 27, кроме того, поддерживают датчики 21, 22 между соответствующими изогнутыми частями 15, 16 расходомерных трубок 4, 5. Датчики 21, 22 могут иметь любую необходимую форму или могут прикрепляться непосредственно к расходомерным трубкам 4 и 5 (как показано на фиг. 1-3). Кроме того, вибратор 20 также может быть прикреплен к фиксированному корпусу 27 посредством кронштейнов 23, 24 и монтажного блока 3. Как показано, вибратор 20 закреплен в положении между двумя соединительными частями 17 расходомерных трубок 4 и 5 посредством кронштейна 28.

Общая форма трубопровода в соответствии с настоящим изобретением рассчитана на ограничение влияния шума и внутренних искажений на колебательное движение упругих расходомерных трубок 4 и 5, чтобы создать стабильную конструкцию и позволить получить точные результаты измерений реакции на изогнутых частях 15, 16 из-за силы Кориолиса, которая ощущается датчиками 21, 22. Обычно датчики 21 и 22 монтируются симметрично относительно вибратора 20 и измеряют равные и противоположно направленные реакции на изогнутых частях 15, 16 из-за природы градиента силы реакции Кориолиса относительно сообщенных колебаний.

На движение расходомерных трубок 4 и 5 в результате колебаний, сообщенных вибратором 20, будет влиять реакция Кориолиса, которая будет либо противодействовать, либо содействовать движению расходомерной трубки во время каждого колебательного движения. Общее движение, ощущаемое датчиками 21, 22 во время работы устройства, обрабатывается любым возможным методом для определения массового расхода. Один из способов определения массового расхода по этим сигналам заключается в определении дифференциала времени сигналов, соответствующих движению изогнутых частей 15 и 16 противоположной стороны. Практические дифференциалы времени двух сторон расходомерной трубки 4 с учетом известного аппаратного обеспечения и ограничений по материалам, используемым для трубопровода, близки к 10-100 мкс (или больше).

Однако было установлено, что дифференциалы небольших сигналов (соответствующие небольшим реакциям Кориолиса или более высоким частотам работы) приемлемы, если сигналы датчика не загрязнены внешним шумом. Обычно в известных расходомерах сигналы датчиков содержат шумы, если общее отклонение из-за действия силы Кориолиса на расходомерную трубку ограничено. Чем гибче конструкция расходомерной трубки, тем больше отклонение расходомерной трубки 4 в ответ на реакцию Кориолиса (т.е. повышена чувствительность) и поэтому тем больше дифференциал времени или сигнала. Однако в известных расходомерах внутренний и внешний шумы будут также оказывать большее воздействие на более гибкую расходомерную трубку и загрязнять эти сигналы датчиков.

Изобретение ограничивает влияние внешних шумов на расходомерную трубку 4, ощущаемое датчиками 21, 22, в ущерб чувствительности к отклонению расходомерной трубки 4 из-за силы реакции Кориолиса. Путем сообщения расходомерной трубке колебаний на относительно облее высокой частоте, чем ее основная резонансная частота, можно поддерживать невосприимчивость к внешнему шуму, в то же время обеспечивая более точное определение массового расхода.

На фиг. 5-8 показана форма расходомерной трубки 4 в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. В пределах этой формы и конструкции можно идентифицировать ряд природных резонансных частот, каждая из которых имеет четкую картину колебаний. Показанные три картины колебаний или волн относятся к модам колебаний первых трех резонансных частот расходомерной трубки 4 относительно ее закрепленных монтажных концов 12 и 13.

На фиг. 15 показана картина колебаний основной резонансной частоты расходомерной трубки 4. На этой частоте колебания трубопровод обычно отклоняется относительно закрепленных монтажных колец 12 и 13 и центра 19 тяжести, что показано линиями А1 и А2. Максимальное смещение расходомерной трубки 4 от ее нормального положения, показанного линией АО, происходит в основном в соединительной части 17.

Картина отклонения, указанная линиями В1 и В2, резонансной частоты первой гармоники, показана на фиг.6В. Нормальное положение показано линией ВО. Расходомерная трубка 4 в этом режиме колеблется относительно неподвижных монтажных концов 12 и 13 и линии 18 симметрии. Картина колебаний В1 и В2 получается путем сообщения колебаний свободно плавающей расходомерной трубке 4 в пространстве, когда она закреплена на своих концах 12, 13 и не обязательно возбудителем, расположенным в точке пересечения линии 18 симметрии и соединительной части 17. Узел 29 колебаний обычно образуется в картине колебаний на линии 18 симметрии и соединительной части 17. Узел 29 является локальной минимальной амплитудой колебаний, образовавшихся в ответ на приложение колебания, и свободно плавает в пространстве с остальными частями расходомерной трубки 4, колеблющейся до максимальной амплитуды между узлом 29 и неподвижными монтажными концами 12 и 13. Точка максимального смещения расходомерной трубки 4 в ответ на приложенные колебания находится между неподвижными концами 12, 13 и узлом 29 при всех колебаниях, симметричных по отношению к узлу 29. В окружении без внешнего шума и без потока в расходомерной трубке 4 узел 29 будет неподвижным. Однако предполагается, что этот узел будет перемещаться из-за влияния реакции Кориолиса без существенного изменения картин колебаний, показанных линиями В1 и В2.

На фиг. 7 и 9 показана картина отклонения, обозначенная линиями С1 и С2 резонансной частоты второй гармоники расходомерной трубки 4, где прилагаемые колебания образуют волны по длине расходомерной трубки 4. Нормальное положение показано линией СО. Образуются два узла колебаний, которые расположены на противоположных концах соединительной части 17. Узлы 30, 31 образуют локальную минимальную амплитуду колебаний внутри расходомерной трубки 4, моделируя ось вращения, вокруг которой непрерывная равномерная трубка 4 будет упруго изгибаться. Резонансная частота второй гармоники может быть больше 100 Гц, например около 140 Гц.

Картины колебательных волн по гибкому трубопроводу являются суммами закручивающихся и продольных компонентов всех колебательных картин расходомерной трубки этой формы. Характер отклонения трубопровода и положение узлов колебаний в пределах длины расходомерной трубки будут вносить определенный вклад во все компоненты картин колебаний (включая и другие относительно более высокие резонансные частоты). Эта сумма называется коэффициентом участия, на который оказывают большое влияние формы, длина и конструктивные материалы расходомерной трубки, т.е. ее гибкость. Кроме того, общее смещение расходомерной трубки будет представлять собой сумму вкладов каждой моды, а также вклада реакции Кориолиса и внешних колебательных воздействий.

Реакция Кориолиса происходит по форме градиента по длине расходомерной трубки 4 с результирующей силой, действующей на расходомерную трубку 4 в положениях узлов 30, 31 на противоположных сторонах. При определении градиента реакции Кориолиса по отношению к колебаниям узлового типа, как показано на фиг.7 и 8, наибольшая реакция Кориолиса текучей среды будет создаваться в узлах 30, 31 колебаний. Степень измерений уклона на единицу времени движения потока в колеблющейся расходомерной трубке 4 имеет максимумы в узлах 30, 31, так как поток в этих точках постоянно изменяет направление с большей степенью, чем поток в остальных частях расходомерной трубки 4, которые колеблются в отношении узлов 30, 31. Части расходомерной трубки 4, окружающие узлы 30, 31, имеют дифференциал времени при колебании вперед и назад и поэтому имеют меньшее изменение в смещении и соответственно меньшую реакцию Кориолиса. Датчики 21, 22 могут быть расположены в любом необходимом месте в симметричных положениях относительно вибратора 20, между узлами 30, 31 и монтажными концами 12, 13 (или скобами 25 и 26), чтобы определить движение изогнутых частей 15, 16 соответственно.

Дальнейшая изоляция расходомерной трубки 4 от внешнего шума создается путем сообщения расходомерной трубке 4 колебания при резонансе выше резонансной частоты ее первой гармоники. Узлы 30, 31 создают стабилизацию расходомерной трубки 4 путем определения положения, которое представляет собой точку изгиба для изгибания трубки 4 и не смещается из-за внешних помех или шума. При работе на основной резонансной частоте изгибание расходомерной трубки 4 прямо соотносится с его креплением к монтажному блоку 3 и подвержено смещению из-за внешнего шума.

Конкретной оси колебаний, около которой колеблется расходомерная трубка 4, нет, так как трубка 4 движется в каждой точке по отдельному изогнутому пути, а не по круговому пути около его неподвижного крепления или точки колебаний. Определение характеристик изоляции, полученных в результате изгибания узлового типа расходомерной трубки 4 на более высокой резонансной частоте прилагаемых колебаний, легче объясняется путем применения правила "правой руки" к образованию реакции Кориолиса потока в колеблющейся расходомерной трубке 4. Однако при применении этого правила положения изгибания будут использоваться в качестве средства для определения положения оси, требующейся для применения правила "правой руки".

Как показано на фиг. 8 и 9, существуют две оси изгибания W1, W2, которые определяются узлами 30, 31 и монтажными концами 12, 13, когда расходомерная трубка 4 колеблется на резонансной частоте второй гармоники колебаний. Поток движется по расходомерной трубке 4 от входного конца 12 к выходному концу 13. Сила Кориолиса F_с в изогнутой части 15 является результатом векторного произведения скорости и 1, а в изогнутой части 16 является результатом векторного произведения скорости и , векторы и определяются как находящиеся на осях W1 и W2 соответственно и имеющие величину, соответствующую угловой частоте колебаний. Когда вибратор 20, который располагается в центре соединительной части 17, отклоняет расходомерную трубку 4 по направлению вниз, как показано линией С2 на фиг.9, изогнутые части 15, 16 будут отклоняться по направлению вверх на противоположных сторонах узлов 30, 31. Так как сила Кориолиса всегда действует через узлы 30, 31 как функция векторного произведения, результирующая сила не является функцией каких-либо внешних помех, действующих на узлы 30, 31. Таким образом, сила Кориолиса действует так, что отклонения расходомерной трубки 4, вызываемые вибратором 20, усиливаются или гасятся в зависимости от их фазы движения, показанной линиями С1, С2, и будут являться чисто функцией скорости и отклонений трубки, а не дальнейшим результатом участия внешних помех в движении расходомерной трубки 4.

Общая форма расходомерной трубки 4 с ее центром тяжести, расположенным в непосредственной близости к ее монтажным концам 12, 13, которая их окружает (но не подвешена на них), стабилизирует движение расходомерной трубки 4 так, что все колебания, как внешние, так и иные, действуют на трубку 4 однообразно, чтобы произвести более точный сигнал датчика о реакции Кориолиса. Возбуждение расходомерной трубки 4 на неосновной резонансной частоте повышает точность устройства, делая генерацию реакции Кориолиса невосприимчивой к внешнему шуму.

Вибратор 20, который используется для создания колебательного движения расходомерных трубок 4 и 5, может быть любого подходящего типа или может являться электромагнитным возбудителем 32, показанным на фиг. 12 и 13. Кроме того, так как частота колебаний имеет большое значение для генерации силы Кориолиса, а также волновых картин при колебаниях на неосновной резонансной частоте, желательно также управление силой колебаний.

Электромагнитный возбудитель 32, показанный на фиг. 12 и 13, расположен между двумя расходомерными трубками 4 и 5 и сообщает им колебания в противоположной моде. Каждая трубка 4 и 5 снабжена контактом 33, 34 из ферромагнитного материала, который жестко крепится к внешней стенке расходомерной трубки 4, 5 и заходит в воздушный зазор 35, 36 соответственно на противоположных сторонах электромагнитного возбудителя 32. Воздушный зазор 35, 36 определяет область магнитного потока, которая заставляет контакт 33, 34 либо отталкиваться от воздушного зазора 35, 36, либо притягиваться к нему после подачи питания на электромагнитный возбудитель 32. Изменение состояния электромагнитного возбудителя 32 создается путем подачи переменного тока на катушку 37, имеющую сердечник 38. На противоположных сторонах катушки 37 и сердечника 38 находятся две неподвижно закрепленные пластинки 39, 40, которые окружают катушку 37 и сердечник 38 и определяют границы воздушных зазоров 35 и 36. Сердечник 38 может быть постоянным магнитом, а две пластинки 39, 40 могут быть изготовлены из мягкого железа. Таким образом, электромагнитный возбудитель 32 расположен так, чтобы сообщать колебания расходомерным трубкам 4 и 5, которые могут и не прикрепляться непосредственно к его конструкции, которая может амортизировать или разбалансировать движение расходомерных трубок 4 и 5 или изменять их обычную частоту колебаний.

Схема возбудителя 41 для сообщения колебаний расходомерным трубкам 4 и 5, показана схематически на фиг. 14. Функцией схемы 41 возбудителя является сообщение колебаний расходомерным трубкам 4 и 5 на частоте, предварительно выбранной, чтобы уменьшить влияние внешних колебаний на движение расходомерных трубок 4, 5. Конфигурация расходомерных трубок 4, 5 позволяет совершать стабильные колебания на нескольких частотах и их гармониках. Схема обеспечивает надежные колебания расходомерных трубок 4, 5 на предварительно выбранной частоте для любой текучей среды, проходящей через устройство. Схема возбудителя 41 обеспечивает колебания постоянной амплитуды независимо от плотности текучей среды, чтобы избежать нелинейности из-за различий в плотности и характеристиках потока.

Схема возбудителя 41 генерирует сигнал возбуждения в форме треугольной волны, симметричной около опорного напряжения 0 В. Частотой треугольной волны является предварительно выбранная частота колебаний расходомерных трубок 4, 5. Схема возбудителя 41 содержит 4 каскада: входной каскад 42, содержащий прецизионный интегратор входа; каскад 43 регулировки амплитуды, содержащий прецизионный детектор 44 отрицательных пиков и преобразователь 45 напряжение-ток; каскад 46 регулировки частоты, содержащий схему 47 фазовой автоматической подстройки частоты; выходной каскад 48, содержащий операционный усилитель активной междуэлектродной проводимости и прецизионный интегратор выхода.

Входной каскад 42 с входом 49 содержит операционный усилитель 50 и конденсатор 51, расположенные как интегратор. Резистор 52 входа соединяет отрицательный вход операционного усилителя 50 с катушкой 53, которая ощущает скорость расходомерной трубки 4. Вместо катушки 53 может использоваться пьезоэлектрический или оптический датчик.

В показанном примере осуществления напряжение, индуцируемое катушкой 53, в результате движения расходомерной трубки 4 пропорционально скорости колебаний (т.е. dy/dt, фиг.9). Для получения напряжения, пропорционального смещению (чтобы сохранять амплитуду колебаний в правильной фазе), напряжение, индуцированное в катушке 53, интегрируется в операционном усилителе 50 и конденсаторе 51. Таким образом, входной каскад 42 производит электрический сигнал, характеризующий смещение расходомерной трубки 4. Обычно этот сигнал будет составлять порядка 500 мВ. Так как ощущается скорость, изменения в амплитуде движения расходомерной трубки 4 из-за внешних воздействий практически исключаются.

Выходной сигнал из входного каскада 42 затем посылается к каскаду 43 регулировки амплитуды и каскаду 46 регулировки частоты.

Каскад 43 регулировки амплитуды содержит прецизионный детектор 44 отрицательных пиков и преобразователь 45 напряжение-ток. Каскад 43 регулировки амплитуды производит ток, который подается на выходной каскад 48 для обработки, чтобы получить напряжение возбуждения на выходе 54 для электромагнитного возбудителя 25. Амплитуда этого тока регулируется прецизионным детектором 44 отрицательных пиков, который состоит из резистора 55, операционного усилителя 56 и диодов 57, 58. Выходной сигнал детектора 44 пиков подается на усилитель 59 возбудителя через резистивно-емкостную цепь, состоящую из резистора 60 и конденсатора 61. Выходной сигнал усилителя 59 возбудителя подается обратно на инвертирующий вход операционного усилителя 56 резистором 62.

Выходной сигнал от усилителя 59 возбудителя подается на преобразователь 45 напряжение-ток через резистор 63. Преобразователь 45 напряжение-ток содержит операционный усилитель 64, транзистор 65 и резистор 66 обратной связи. Эмиттер транзистора 65 соединен с источником напряжения +U_сс через резистор 67. Нулевая точка операционного усилителя 64 может быть выбрана потенциометром 68. Крутизна преобразования может быть определена резисторами 66, 63 известным способом. Имеется в виду, что изменения в выходном сигнале операционного усилителя 64 в результате изменений в выходном сигнале детектора 44 пиков будут изменять проводимость транзистора 65. Это будет приводить к изменению к коллекторном токе транзистора 65, который прямо пропорционален изменению в напряжении на выходе детектора 44 пиков.

Напряжение выходного сигнала детектора 44 пиков поддерживается на постоянном уровне, чтобы обеспечить постоянный ток от преобразователя напряжение-ток, подаваемый на выходной каскад 48. Управляющее напряжение для преобразователя 45 напряжение-ток извлекается из интегрированного выходного сигнала от интегратора 42 детектором 44 пиков. Интегрированный выходной сигнал инвертируется в операционном усилителе 56 и подается в запоминающий конденсатор 61, который изменяет отрицательные пики интегрированного выходного сигнала. Напряжение на конденсаторе 61 соответствует форме интегрированного выходного сигнала, но удерживает значения отрицательных пиков, так как конденсатор 61 не может разряжать отрицательные напряжения из-за диода 58, таким образом он будет детектировать и удерживать отрицательные пики интегрированного выходного сигнала.

Напряжение, присутствующее на конденсаторе 61, подается на повторитель напряжения усилителя 59 возбудителя, который в свою очередь подает возбуждение на преобразователь 45 напряжение-ток. Увеличения в отрицательных пиках приводят к снижению выходного тока транзистора 65, вызывая уменьшение выходного сигнала электромагнитного возбудителя 25, что, в свою очередь, уменьшает смещение расходомерной трубки 4.

Интегрированный сигнал скорости от входного каскада 42 посылается на каскад 46 регулировки частоты. Каскад 46 регулировки частоты содержит обычную схему фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) 47. Схема ФАПЧ 47 соединена с источником напряжения ∓U_сс через переменной резистор 69 и конденсатор 70 и с источником напряжения U_сс через конденсатор 71. Схема ФАПЧ 47 работает на частоте, кратной предварительной выбранной частоте возбуждения, которая затем разделяется делителем 72 с обычной схемой. Работа схемы ФАПЧ 47 на частоте, кратной предварительно выбранной частоте возбуждения, дает несколько преимуществ: на более высокой частоте можно использовать конденсаторы меньшего размера, что позволяет сделать схему более компактной, более широкий диапазон частот возбуждения можно получить путем выбора степени разделения делителем 72; различные сдвиги фаз между сигналами датчиков (0^о для датчиков положения, 90^о для датчиков скорости и 180^о для датчиков ускорения) и выходным сигналом получить легче.

Контролируемый выходной сигнал каскада 46 регулировки частоты затем подается на выходной каскад 48 вместе с выходным сигналом каскада 43 регулировки амплитуды. Ток от каскада 43 регулировки амплитуды усиливается операционным усилителем 73 с активной междуэлектродной проводимостью, соединенным своим инвертирующим входом через резистор 74 с выходом схемы делителя 72, и затем подается на презиционный интегратор мощности, содержащий операционный усилитель 75 и два транзистора 76 и 77. Выходной сигнал из усилителя подается обратно на инвертирующий вход операционного усилителя 75 через конденсатор 78 и подается на выход 54 для возбуждения электромагнитного возбудителя 32. Амплитуда выходного сигнала пропорциональна току из преобразователя 45 напряжение-ток, а частота выходного сигнала определяется схемой ФАПЧ 47. Коммутация тока осуществляется операционным усилителем 73 с активной междуэлектродной проводимостью.

Схема возбудителя 41 обладает следующими преимуществами.

Треугольная форма волны не содержит парных высших гармоник; схема имеет высокое качество, что приводит к низким гармоническим искажениям напряжения, индуцируемого ощущающей катушкой.

Путем изменения входного тока к выходному интегратору можно получить эффективную и легко реализуемую регулировку амплитуды; использование операционного усилителя 73 с активной междуэлектродной проводимостью упрощает переключение входного тока в интегратор и выхода из него.

Изобретение повышает точность устройства путем увеличения измеряемого действия реакции Кориолиса на расходомерную трубку и стабилизации колебаний расходомерных трубок путем усовершенствованной конфигурации для повышения соответствующего отношения сигнал-шум. Изобретение также повышает точность определения массового расхода путем увеличения рабочей частоты. Изобретение обеспечивает более точное определение массового расхода, является полезным при большом разнообразии текучих сред и применимо при агрессивных окружающих условиях.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения массового расхода потока текучей среды, содержащее входной и выходной трубопроводы, по меньшей мере одну упругую расходомерную трубку с монтажными концами, жестко прикрепленными к монтажному блоку и сообщенными с входными и выходными трубопроводами через монтажный блок, электромагнитный колебательный привод, подключенный к схемам возбудителя, взаимодействующий с расходомерной трубкой, датчики колебаний и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, схема возбудителя содержит входной и выходной каналы, каскады регулирования частоты и амплитуды, причем выход входного каскада электрически связан с входами каскадов регулировки частоты и амплитуды, выходы которых соединены с входом выходного каскада, при этом вход входного каскада соединен с датчиками колебаний, а выход выходного каскада с электромагнитным колебательным приводом.

2. Способ измерения массового расхода потока текучей среды, заключающийся в том, что поток текучей среды пропускают через по меньшей мере одну расходомерную трубку, возбуждают ее поперечные колебания на второй гармоники резонансной частоты для получения узлов колебаний по длине расходомерной трубки и измеряют параметры колебаний, по величине которых определяют значение массового расхода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, колебания возбуждают в одной точке, находящейся между узлами колебаний, а измерение параметров колебаний осуществляют между одним из узлов колебаний и первым монтажным концом расходомерной трубки и между другим узлом и вторым монтажным концом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14