Расходомер кориолиса и способ измерения расхода с использованием расходомера кориолиса (варианты)

 

Изобретения предназначены для измерения массового расхода. Расходомер содержит две расходные трубки, возбудитель колебаний трубок со сдвигом по фазе относительно друг друга и датчики для обнаружения перемещения трубок в результате протекания через них материала. Каждый датчик содержит пару магнитов, закрепленных на расходных трубках, и катушку, расположенную вблизи от магнитов. Для удерживания катушки в фиксированном положении относительно магнитов ее закрепляют на расходных трубках с помощью двух пластинчатых пружин. В варианте выполнения плоские катушки датчиков размещают на печатных платах. Изобретения обеспечивают повышение точности измерения за счет исключения вибрации катушек возбудителя колебаний и датчиков, установленных на трубках. 4 с. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение имеет отношение к созданию массового расходомера на эффекте Кориолиса, а более конкретно, касается создания массового расходомера на эффекте Кориолиса, который содержит имеющие лучшие параметры тензодатчик и средство возбуждения.

Известно использование массовых расходомеров с использованием эффекта Кориолиса для измерения массового расхода и получения другой информации относительно характеристик материалов, протекающих по трубопроводу. В настоящее время известны такие расходомеры, например, в соответствии с патентом США N. 4491025 на имя Дж. Е. Смита и других, с приоритетом от 1 января 1985 г., и в соответствии с патентом США Re. 31, 450 на имя Дж. Е. Смита, с приоритетом от 11 февраля 1982 г., в которых имеется одна или несколько расходных трубок прямой или изогнутой конфигурации. Каждая конфигурация расходной трубки в массовом расходомере Кориолиса имеет набор собственных вибрационных мод, которые могут относиться к типу простого изгиба, кручения или к смешанному (связанному) типу. Каждый расходный трубопровод приводится в колебательное движение в резонансе на одной из этих собственных мод. Жидкость втекает в расходомер из смежного трубопровода на стороне впуска, направляется в расходную трубку или трубки, и вытекает из расходомера на выпускной стороне расходомера. Собственные вибрационные моды вибрирующей (колеблющейся), наполненной жидкостью системы определяются частично комбинированной массой расходных трубок и жидкостью внутри расходных трубок.

Когда нет потока в расходной трубке, все точки вдоль расходной трубки колеблются в одинаковой фазе. Но как только начнет протекать поток, то ускорения Кориолиса приводят к появлению различных фаз для каждой точки вдоль расходной трубки. Фаза на стороне впуска расходной трубки имеет запаздывание относительно фазы возбуждения, в то время как фаза на стороне выпуска имеет опережение относительно фазы возбуждения. На корпусе расходной трубки могут быть помещены датчики для выработки синусоидальных сигналов, несущих информацию относительно движения расходной трубки. Разность фаз между двумя сигналами датчиков пропорциональна массовому расходу (скорости потока) жидкости, протекающей через расходную трубку.

В публикации WO 88/03642 раскрыт расходомер Кориолиса, который включает в себя ферромагнитный механизм возбуждения и ферромагнитные датчики скорости. Механизм возбуждения содержит катушку возбуждения; ферромагнитный якорь возбуждения, который закреплен на расходной трубке расходомера таким образом, что он частично располагается в поле, создаваемом катушкой возбуждения; магнит для создания определенной ориентации ферромагнитных доменов якоря возбуждения; и средства для подачи сигнала возбуждения на катушку возбуждения. Датчик скорости включает в себя катушку датчика; ферромагнитный якорь датчика, который закреплен на расходной трубке расходомера таким образом, что он частично располагается в поле, проходящем через катушку датчика; магнит для создания определенной ориентации ферромагнитных доменов якоря датчика, который расположен таким образом, что часть его магнитного поля (потока) проходит через катушку датчика; и средства обнаружения тока, наведенного (создаваемого) в катушке датчика за счет изменений положения якоря датчика. Механизм возбуждения приводит расходную трубку в колебания при воздействии на него переменного магнитного поля, создаваемого сигналом возбуждения. Так как боковая ветвь расходной трубки (трубопровода) колеблется под воздействием сигнала механизма возбуждения и сил Кориолиса, то эти колебания совершает и ферромагнитный якорь датчика. В результате изменяется магнитное поле, проходящее через катушку датчика и в ней наводится (возбуждается) сигнал, который позволяет произвести измерение скорости боковой ветви расходной трубки.

Соединительные провода к катушкам на движущейся трубке представляют проблему. Эту проблему решают обычно одним из двух путей. Для больших расходомеров изолированные провода привязывают к трубке, начиная от скрепляющих штанг, где амплитуда колебаний трубки близка к нулю, а дальше провода идут от трубки к катушкам. Недостатком этого метода является то, обвязка, клей и изоляция проводов обычно представляют собой материалы с высокой степенью демпфирования, причем это демпфирование непредсказуемым образом меняется как во времени, так и при изменении температуры. Изменение демпфирования трубок расходомера Кориолиса может приводить к появлению ложных измерительных сигналов.

Для небольших расходомеров демпфирование приводит к появлению недопустимо больших ошибок, что не позволяет использовать традиционные непрерывные провода, поэтому применяются тонкие гибкие проводники ("флексюры"), образующие связь от стационарных клемм к клеммам на движущихся катушках. Указанные флексюры имеют очень малое демпфирование, так как они не имеют внешней изоляции или обвязки. К несчастью эти флексюры имеют собственные определенные частоты колебаний, причем возбуждение на собственной частоте может приводить флексюры к быстрой поломке. Кроме того, их малые размеры и хрупкость затрудняют процесс изготовления.

Проблема подсоединения проводов к движущимся катушкам решена в настоящем изобретении в результате того, что в нем использован магнит на каждой трубке, а стационарные катушки установлены вблизи от обоих магнитов. Магниты ориентированы таким образом, что один и тот же полюс каждого магнита обращен к катушке и таким образом, что когда трубки перемещаются относительно друг друга (не совпадающее по фазе движение), то они пересекают катушку радиально и генерируют дополнительное напряжение в катушке. При такой геометрии, синфазное движение трубок приводит к тому, что один магнит пересекает катушку в направлении к ее центру, а другой магнит пересекает катушку в направлении от ее центра. Напряжения, генерируемые при таком движении, вычитаются и аннулируют друг друга. Эта новая геометрия позволяет также производить фильтрацию не совпадающих по фазе движений расходных трубок, аналогично известному ранее, но без проблем подсоединения проводов к движущейся катушке.

Амплитуда синусоидального сигнала, генерируемого катушкой, спроектированной в соответствии с настоящим изобретением, пропорциональна напряженности магнитного поля, пересекающего катушку. Так как напряженность магнитного поля уменьшается при увеличении расстояния от магнита, то важно поддерживать это расстояние постоянным во времени, особенно если при обработке электронного сигнала используется измерительный (не нулевой) уровень напряжения для определения дельта t. Поддержание этого расстояния (зазора) постоянным является трудной для осуществления задачей при использовании прямого подхода к решению задачи путем закрепления магнитов на трубках, а катушек на корпусе расходомера, так как расходные трубки и корпус традиционно скреплены друг с другом на коллекторе расходомера, на значительном расстоянии от магнитов и катушек. В таком случае совсем незначительные погрешности изготовления перехода корпус - коллектор - трубка могут приводить к значительным изменениям зазора магнит - катушка. Этот зазор нелегко контролировать. Более того, при работе расходомера окружающими вибраторами могут возбуждаться моды колебаний, при которых трубки и корпус перемещаются в противоположном направлении друг относительно друга. Это может приводить к изменению зазора циклическим образом и неблагоприятно воздействовать на результаты измерения расхода.

В соответствии с настоящим изобретением существуют четыре пути разрешения проблемы. В соответствии с первым решением катушка крепится не на корпусе, а точнее на расходных трубках при помощи пластинчатых пружин. Ориентация пружин позволяет трубкам перемещаться параллельно плоскости катушки, при поддержании постоянства зазора катушка - магнит. Катушка остается неподвижной, так как она закреплена между двумя идентичными пружинами, удаленные концы которых перемещаются в противоположных направлениях на одинаковое расстояние за счет расходных трубок, к которым они прикреплены. Синфазное движение расходных трубок или вибрация катушки в выходном сигнале отсутствуют, так как они компенсируются по напряжению.

Второй путь решения проблемы изменения зазора катушка - магнит состоит в использовании двух катушек на один тензодатчик. Эти две катушки устанавливаются параллельно друг другу, закрепляются на корпусе расходомера и наматываются последовательно. Расходные трубки устанавливаются между двумя катушками, причем каждая трубка имеет два диаметрально противоположных магнита, которые закреплены на трубке таким образом, что каждый магнит стоит напротив своей катушки. Все четыре магнита (для двух катушек на каждой расходной трубке) имеют один и тот же полюс (северный или южный), обращенный к соответствующей катушке. В указанной геометрии с двумя катушками, в том случае, когда корпус перемещается по отношению к трубкам, зазор для одной катушки может стать меньше, но зазор для противоположной катушки будет больше на равную величину. Так как для небольших перемещений напряженность магнитного поля ориентировочно линейно изменяется при изменении расстояния, то увеличение напряжения, генерируемого со стороны малого зазора компенсируется уменьшением напряжения, генерируемого со стороны большого зазора. Таким образом, указанная геометрия является нечувствительной к изменениям зазора.

Третий путь обеспечения нечувствительности закрепленной катушки к изменениям зазора состоит в таком размещении катушек относительно трубок, что для главных вибрационных мод между корпусом и трубками зазоры не изменяются. Первичной вибрационной модой между трубками и корпусом является та, при которой трубки и корпус колеблются в плоскости трубок. Трубки колеблются синфазно друг с другом, но со сдвигом по фазе относительно корпуса. Это именуется боковой модой корпуса. Имеется обычно только одна мода с достаточно низкой частотой, так что амплитуда колебаний значительна. Центр массы (тяжести) находится вблизи от коллекторов (патрубков). Расходные трубки и корпус колеблются в ротационной моде (моде вращения) относительно центра тяжести. За счет такой ориентации катушек, при которой их плоскости тангенциальны (идут по касательной) к сфере, центр которой совпадет с центром тяжести, можно обеспечить сохранение постоянства зазора несмотря на боковую моду корпуса. Только относительная скорость, которая является результирующей от этой моды, тангенциальна к сфере и находится в плоскости катушек. Тангенциальное движение корпус-трубка, перпендикулярное к расходным трубкам, является синфазным движением трубки, которое аннулируется. Тангенциальное движение, параллельное расходным трубкам, а именно, боковая мода корпуса, может создавать проблемы, если его амплитуда достаточно велика. Если сделать катушки прямоугольными, то колебания в этом направлении будут приводить к перемещению магнитов вверх и вниз по прямым ветвям катушек, без создания изменений в напряжении.

Наконец, сами катушки могут быть ориентированы таким образом, что зазоры как в левом, так и в правом тензодатчиках становятся больше или меньше синфазно друг с другом. Измерение фазы является не чувствительным к амплитуде, пока отношение амплитуд, генерируемых двумя тензодатчиками, остается постоянным. При "нормальном" построении тензодатчиков, когда оба тензодатчика расположены на внешней стороне изгиба расходной трубки, при воздействии боковой моды корпуса один зазор увеличивается, в то время как другой уменьшается. Однако, если один тензодатчик расположен на внешней стороне изгиба расходной трубки, а второй расположен на внутренней стороне изгиба, то тогда зазоры левого и правого тензодатчиков изменяются в фазе друг с другом и это не оказывает влияния на результаты измерения фазы.

Для упрощения ранее было произведено обсуждение только катушек тензодатчиков. Приведенная выше логика применима также и к возбудителям, за тем исключением, что обычно отсутствуют требования к линейности или фазе сигнала возбуждения. Поэтому зазор магнит возбуждения - катушка важен только из соображений эффективности возбуждения. Так как возбудитель обычно расположен у вершины трубок, то плоскость катушки нормально (обычно) тангенциальна к сфере, центр которой находится в центре тяжести и не требуется никаких дополнительных усилий для поддержания зазора постоянным.

Из изложенного выше ясно, что настоящее изобретение позволяет решить проблему электрических соединений с катушками возбуждения и элементами датчиков, установленными на колеблющихся трубках расходомеров с использованием эффекта Кориолиса. Эта проблема межсоединений решается, например, установкой катушек физически на стационарном элементе, так что катушки магнитно взаимодействуют с соответствующими магнитами, физически установленными на колеблющихся расходных трубках. Альтернативно, катушки устанавливают стационарно путем физического их закрепления на колеблющихся расходных трубках при помощи пружинных средств, которые поддерживают катушки неподвижными по отношению к сдвинутым по фазе колебаниям расходных трубок.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 показан первый пример осуществления настоящего изобретения, в котором возбудитель и катушки датчиков подключены при помощи пластинчатых пружин к паре расходных трубок.

На фиг. 2 приведено поперечное сечение по линии 2-2 фиг. 1.

На фиг. 3 показаны катушка и магниты, которые являются частью пружинного блока, который крепится к паре расходных трубок.

На фиг. 4 изображена катушка, которая закреплена на раме расходомера с использованием эффекта Кориолиса.

На фиг. 5 показано другое возможное построение в соответствии с настоящим изобретением, в котором магниты и взаимодействующие с ними катушки двух датчиков расположены на противоположных поверхностях пары расходных трубок.

На фиг. 6 показан расходомер, который содержит катушки, выполненные в виде печатной схемы (на печатной плате), которые крепятся на фиксированном корпусе расходомера и имеют объединенные с ними магниты, расположенные как на верхнем, так и на нижнем участках пары расходных трубок.

На фиг. 7 показано поперечное сечение по линии 7 - 7 фиг. 6.

На фиг. 8 изображена плоская прямоугольная катушка.

На фиг. 9 показан блок флексюры, который содержит пару печатных катушек и схему соединения; это блок снабжен электрическим соединителем.

На фиг. 10 показан электрический соединитель для флексюры фиг. 9, введенный в отверстие во внешней оболочке расходомера Кориолиса.

На фиг. 11 приведен другой альтернативный вариант, в котором катушки датчика установлены тангенциально (по касательной) к сфере, центр которой совпадает с центром тяжести расходомера.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показан типичный расходомер 10 с использованием эффекта Кориолиса, который имеет две консольно установленные расходные трубки 12, 14, закрепленные в корпусе коллектора 30 таким образом, что они имеют главным образом идентичные жесткости пружины и моменты инерции относительно их соответствующих сдвинутых по фазе осей изгиба W-W и W-W'.

Катушка возбуждения и магнит D установлены в средней области (посредине) между верхними участками 130 и 130' расходных трубок 12, 14 и приводят расходные трубки 12, 14 в колебания со сдвигом по фазе относительно осей W-W и W'-W'. Левый датчик L и правый датчик R установлены вблизи соответствующих концов верхних участков расходных трубок 12, 14 и предназначены для измерения относительного перемещения расходных трубок 12, 14. Это измерение может производиться либо путем измерения перемещения верхних концов расходных трубок 12, 14 при помощи измерения момента пересечения нуля их выходного сигнала, либо путем измерения скорости относительного перемещения расходных трубок. Расходные трубки 12, 14 имеют левые боковые ветви 131 и 131' и правые боковые ветви 134 и 134'. Боковые ветви сходятся друг к другу в направлении вниз и закреплены на поверхностях 120 и 120' элементов коллектора 121 и 121'. Скрепляющие штанги 140R и 140L припаяны к ветвям расходных трубок 12, 14 и служат для определения осей W-W и W'-W', относительно которых со сдвигом по фазе колеблются расходные трубки, когда возбудитель D запитывается по линии 156. Положение осей W-W и W'- W' определено расположением скрепляющих штанг 140R и 140L на боковых ветвях 131 и 131' и боковых ветвях 134 и 134'.

Датчик температуры 22 установлен на боковой ветви 131 расходной трубки 14 и служит для измерения температуры расходной трубки и ориентировочной температуры материала, протекающего в ней. Эта информация о температуре используется для определения изменений жесткости пружины расходных трубок. Возбудитель D, датчики L и R и датчик температуры 22 подключены к измерительному блоку 24 линиями 156, 157, 158 и 159. Измерительный блок 24 может включать в себя микропроцессор, который обрабатывает сигналы, поступающие от датчиков L, R и датчика температуры 22, для определения скорости массового расхода материала, протекающего через расходомер 10, а также для определения других параметров, таких как плотность и температура материала. Измерительный блок 24 массового расходомера также подает сигнал возбуждения по линии 156 на возбудитель D для возбуждения колебаний трубок 12 и 14 со смещением по фазе относительно осей W-W и W'-W'.

Корпус коллектора 30 образован отливками 150, 150'. Отливки 150, 150' могут быть подсоединены к питающему трубопроводу и выходному трубопроводу (не показаны) при помощи фланцев 103, 103'. Корпус коллектора 30 отклоняет поток материала из питающего трубопровода в расходные трубки 12, 14, а затем назад в выходной трубопровод. Когда фланцы коллектора 103, 103' подключены через входной конец 104 и выходной конец 104' к системе трубопроводов (не показана), в которой протекает подлежащий измерению обрабатываемый материал, то этот материал заходит в корпус коллектора 30 и элемент коллектора 110 через впускное отверстие (не показано) во фланце 103, которое соединено, при помощи канала с постепенно изменяющимся поперечным сечением в элементе отливки 150, с расходными трубками 12, 14. Материал разделяется и направляется элементом коллектора 121 в соответствующие левые ветви 131 и 131' расходных трубок 14 и 12. Затем материал протекает через верхние элементы трубок 130, 130' и далее через правые боковые ветви 134 и 134', а затем объединяется в единый поток внутри элемента коллектора 121'. После этого жидкость (или газ) направляется по каналу (не показан) в выходной отливке 150' к выходному элементу коллектора 110'. Выходной конец 104' подключен фланцем 103', имеющим отверстия под болты 102' и окно 101', с системой трубопроводов (не показана).

Блок возбуждения D более подробно показан на фиг. 2, которая представляет собой поперечное сечение по линии 2-2 фиг. 1. Как это более четко показано на фиг. 2, блок возбуждения D включает в себя правую пружину 149, левую пружину 148, верхний брус 147 и катушку 142, закрепленную на брусе 147. Эти элементы образуют субблок, который установлен на дистальных (удаленных) концах пружин 148 и 149 на внешних поверхностях соответствующих расходных трубок 14 и 12. Магнит 166 закреплен в верхней части внешней поверхности расходной трубки 12, а магнит 165 закреплен в верхней части внешней поверхности расходной трубки 14. Магниты установлены таким образом, что их северные полюса обращены в одну и ту же сторону (то есть в сторону катушки). Нижняя плоскость катушки 142 имеет достаточную поверхность для восприятия магнитных полей обоих магнитов 165 и 166. При работе в качестве возбудителя элементы фиг. 2 при поступлении сигнала возбуждения переменного тока генерируют электромагнитное поле, которое заставляет магниты и расходные трубки, с которыми они связаны, совершать колебания со сдвигом по фазе относительно друг друга. При совершении таких колебаний расходные трубки, в которых протекает поток материала, перемещаются в направлении приближения друг к другу и удаления друг от друга, на резонансной частоте конструкции расходной трубки.

Показанные на фиг. 1 левый элемент датчика L и правый элемент датчика R аналогичны показанному на фиг. 2 элементу возбудителя D. Обмотка каждого элемента датчика при поступлении сигнала относительного перемещения расходных трубок и объединенных с ними магнитов вырабатывает выходной сигнал, отображающий движения расходных трубок. Выходные сигналы от катушек элементов датчика L и R по линиям 157 и 158 поступают в измерительный блок расходомера 24, в котором эти сигналы обрабатываются и вырабатывается выходная информация относительно материала, протекающего внутри расходных трубок 12 и 14.

При работе в качестве датчиков магниты элементов L и R при поступлении сигналов, не совпадающих по фазе перемещений расходных трубок 12, 14, вырабатывают аддитивные сигналы, отображающие скорость расходных трубок относительно друг друга. Сигналы, вырабатываемые двумя магнитами каждого датчика для cинфазных колебаний, аннулируются и не создают результирующего выходного сигнала на проводах 157 или 158.

На фиг. 3 показан альтернативный вариант объединения катушки 142 с парой магнитов 165 и 166 и с расходными трубками 12 и 14. В показанном на фиг. 2 варианте магниты 165 и 166 непосредственно закреплены на внешней поверхности расходных трубок 12 и 14. Это требует применения определенной технологической операции (пайка, сварка и др.) для закрепления магнитов на расходных трубках. Показанный на фиг. 3 вариант отличается от варианта фиг. 2 тем, что как катушка, так и магниты закреплены на отдельном пружинном субблоке, который включает в себя брус 147, а также пружинные элементы 301---304 и 306---309. Катушка 142 закреплена на брусе 147 аналогично показанному на фиг. 2. Магниты 165 и 166 закреплены соответственно на отогнутых под прямым углом участках 306 и 302 U -образных пружинных элементов 304 и 301. Пружинный элемент 301 имеет изогнутый на 180 концевой участок 308 и плоский участок 303, который на другом конце имеет изгиб на 90^o, а также концевой участок 302. Магнит 166 закреплен на одной из сторон пружинного участка 302, в то время как другая поверхность пружинного участка 302 соединена при помощи сварки или пайки с расходной трубкой 12. Одна из поверхностей пружинного участка 303 также соединена с расходной трубкой 12. Пружинный элемент 304 аналогичен пружинному элементу 301.

Показанный на фиг. 3 вариант выгодно отличается от варианта фиг. 2 тем, что он позволяет заранее изготавливать катушки и магниты в виде отдельных субблоков, а затем соединять их при помощи любого подходящего крепежного средства с расходными трубками 12 и 14. Пружинные элементы 301 и 304 выбраны таким образом, что они имеют желательную упругость и изгибаются так, что брус 147 и его кабель 156, идущий от катушки 142, являются главным образом стационарными и не имеют перемещения относительно не совпадающих по фазе колебаний расходных трубок 12 и 14. По этой причине проводники 156 не подвергаются воздействию вибраций и поэтому, в свою очередь, их жесткость, демпфирование и другие механические характеристики не оказывают отрицательного влияния на не совпадающие по фазе колебания расходных трубок 12 и 14.

Как и в случае фиг. 2, показанные на фиг. 3 элементы включают в себя возбудитель D фиг. 1. Однако за исключением характеристик катушки 142 элементы возбудителя D идентичны или сопоставимы с элементами левого и правого датчиков L и R фиг. 1. Поэтому конструкция элементов датчика L и R идентична показанной на фиг. 2 и 3. Элементы 141, 144, 145 и 146 образуют датчик L. Элементы 151, 152, 168 и 169 образуют датчик R.

На фиг. 4 показан другой альтернативный вариант объединения не имеющей перемещения катушки 142 с магнитами 165, 166, закрепленными на совершающих колебания расходных трубках 12 и 14. Магниты 165 и 166 непосредственно закреплены на расходных трубках 12 и 14. Катушка 142 расположена таким образом, что ее плоскость находится в непосредственной близости, но с промежутком от концевых поверхностей магнитов 165 и 166, так что имеется определенный зазор между плоскостью катушки 142 и магнитами 165 и 166. Катушка 142 закреплена при помощи любого подходящего крепежного средства, такого как винт S, на кронштейне, содержащим элементы 402 - 406. Ветви 404 и 405 кронштейна закреплены на внутренней поверхности оболочки расходомера 401. Оболочка 401 закрывает блок расходных трубок 12 и 14 фиг. 1.

Преимуществом показанного на фиг. 4 варианта является меньшая сложность в сравнении с вариантами фиг. 2 и 3. Однако показанный на фиг. 4 вариант имеет связанные с его построением недостатки, заключающиеся в том, что кронштейн и катушка должны быть точно установлены относительно оболочки 401, после чего оболочка 401 должна быть точно установлена на блок расходомера, так чтобы зазоры между магнитами 165 и 166 и катушкой 142 были одинаковыми. Также необходимо, чтобы при работе расходомера и при воздействии окружающих температур расширение корпуса или оболочки 401 в результате изменений температуры воздействовало одинаково на размер зазоров между магнитами и катушкой 142.

Кроме того, может существовать потенциальная проблема в том случае, когда колебания корпуса относительно трубок создают циклически изменяющиеся зазоры.

Показанный на фиг. 5 вариант идентичен во всех отношениях фиг. 1, с тем исключением, что правосторонний датчик R и объединенные с ним элементы, такие как катушка R и магнит 168 для расходной трубки 14 расположены на внутреннем участке расходной трубки, а не на ее внешнем участке, как в случае показанного на фиг. 1 датчика R и связанных с ним элементов.

Следует иметь в виду, что для случая фиг. 5 магниты и катушки левого элемента датчика L и магниты и катушки правого элемента датчика R установлены соответственно на внешней и внутренней поверхностях расходных трубок 12 и 14. Такое построение является предпочтительным для боковых синфазных колебаний или перемещений расходных трубок, так как если элементы датчика L и R движутся влево, так что зазор между их соответствующими катушками и магнитами возрастает, то они оба возрастают одновременно и на одну и ту же величину. Альтернативно, если элементы датчика L и R движутся вправо, то зазоры между катушками и магнитами каждого датчика одновременно уменьшаются. При таком построении исключается увеличение зазора одного датчика при возможном уменьшении зазора другого датчика. Если бы такое случилось, то относительные амплитуды выходных сигналов от каждого датчика не были бы равны друг другу и стало бы сложнее осуществление их обработки в измерительном блоке 24 расходомера. На фиг. 5 показан только вид спереди расходомера фиг. 1 и поэтому показаны только расходная трубка 14 и ее магниты 145, 155 и 158. Расходная трубка 12 на фиг. 5 не показана, однако следует иметь в виду, что она расположена непосредственно позади расходной трубки 14 и что на ней закреплены такие же магниты и другие элементы, что и показанные на фиг. 1.

На фиг. 6, 7 и 8 совместно раскрыт альтернативный вариант построения настоящего изобретения, в котором каждая из пары печатных схем (PC) содержит три катушки, установленные сверху и снизу от верхней ветви пары расходных трубок, снабженных взаимодействующими с ними магнитами для осуществления функций возбудителя и датчика в показанном на фиг. 6 варианте настоящего изобретения. На фиг. 6 верхняя печатная плата PC обозначена как элемент 604. Печатная плата PC 604 расположена над расходными трубками 12 и 14. Нижняя печатная плата PC обозначена как элемент 608 и расположена под горизонтальными ветвями расходных трубок 12 и 14. Каждая печатная плата PC содержит вмонтированную в ее средний участок плоскую катушку, а также плоскую катушку, вмонтированную на каждом ее концевом участке. Средняя катушка печатной платы PC 604 обозначена позицией 602, а левая и правая концевые катушки - позициями 601 и 603. Хотя это и не видно на фиг. 6, следует иметь в виду, что нижняя печатная плата PC 608 также имеет три катушки, соответствующие катушкам печатной платы PC 604, причем три катушки печатной платы PC 608 установлены параллельно и непосредственно под соответствующими катушками платы 604.

На фиг. 6 показаны магниты 611,612 и 613, которые закреплены на нижнем участке расходной трубки 14 таким образом, что они взаимодействуют соответственно с левой концевой, средней и правой концевой катушками нижней печатной платы PC 608. Магниты 614, 616 и 617 закреплены на верхней поверхности расходной трубки 14 таким образом, что они взаимодействуют соответственно с катушками 601, 602 и 603 печатной платы 604. Печатные платы 604 и 608 закреплены кронштейнами, такими как кронштейны 606 и 607 для печатной платы 604, на корпусе (не показан) расходомера.

На фиг. 7 приведено поперечное сечение по линии 7 - 7 фиг. 6, а также более подробно показаны элементы конструкции, объединенные с датчиком R. Эти элементы включают в себя катушку 603 на печатной плате PC 604 и соответствующую ей катушку 603А на печатной плате PC 608. Связанные с расходной трубкой 12 магниты на фиг. 6 не показаны. Однако эти магниты показаны на фиг. 7 позициями 713 и 717 для элемента датчика R.

Следует иметь в виду, что вмонтированные в печатные платы 604 и 608 катушки являются скорее прямоугольными, чем круглыми. Эти катушки более подробно показаны на фиг. 8, где изображена катушка возбуждения 602 фиг. 10. Передний магнит 616 закреплен на верхней части расходной трубки 14. Противостоящий ему магнит 714 закреплен на расходной трубке 12. Другие катушки 601 и 603 печатной платы 604 и три соответствующие катушки печатной платы 608 также являются прямоугольными и идентичными показанной на фиг. 8 катушке 602.

Следует иметь в виду, что упрощение блока датчика R может быть достигнуто за счет использования единственного магнита, заменяющего магниты 613 и 617, а также аналогичные магниты 713 и 717. Эти длинные единственные магниты могут быть закреплены скорее на внешней поверхности, а не на верхней и нижних частях расходных трубок 12 и 14. Работа таких магнитов идентична работе состоящего из двух частей блока, показанного на фиг. 7. Как правило, физическое расстояние между двумя расходными трубками определяет практические размеры катушки, в частности, ее ширину. Размещение магнитов по бокам трубок также способствует увеличению ширины печатной катушки, в результате чего снижается ее чувствительность к считыванию синфазных перемещений и колебаний. Относительное перемещение магнитов и длинных параллельных проводников печатной катушки в направлении оси трубки не приводит к возникновению напряжения и не влияет на напряжения, генерируемые трубками-вибраторами.

Плоские прямоугольные катушки, встроенные в печатные платы PC, являются преимущественными потому, что они более дешевые и более стойкие к воздействию окружающей температуры, чем дискретные катушки, изготовленные из проволоки. Показанные на фиг. 8 катушки проще герметизировать, чем дискретные катушки. Кроме того, при их изготовлении и сборке не приходится иметь дело с тонкими проводами. Печатные катушки также имеют меньшие размеры и вес; кроме того, их преимуществом по сравнению с дискретными катушками является большая повторяемость процесса производства.

На фиг. 8 показаны магниты 616 и 714, которые объединены с катушкой 602. Эти магниты при работе перемещаются со сдвигом по фазе друг относительно друга в вертикальном направлении. Это соответствует действительности вне зависимости от того, отображает ли показанная на фиг. 8 структура возбудитель или датчик. По отношению к фиг. 8 следует иметь в виду, что перемещение магнитов побуждает магнитное поле, генерируемое магнитами, пересекать скорее прямые, чем изогнутые проводники. Это приводит к устранению гармоник, когда катушки и магниты работают в качестве датчиков, и улучшает линейность сигнала за счет снижений числа гармоник, которые имелись бы в выходном сигнале катушки датчика, если бы магнитные поля объединенных магнитов пересекали не прямые, а изогнутые проводники.

Межсоединения между катушками фиг. 6 и 7 и связанными с ними электронными элементами на фиг. 6 и 7 не показаны. На фиг. 9 и 10, в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения, соответствующие катушки печатных плат 604 и 608 включены последовательно для их взаимодействия. Кроме того, на фиг. 9 и 10 показано, как эти катушки могут быть подключены к измерительному блоку 24 расходомера.

На фиг. 9 показаны печатные платы 604 и 608, в каждую из которых вмонтированы три катушки. Катушками печатной платы 604 являются катушки 601, 602 и 603. Соответствующие катушки печатной платы 608 имеют такое же обозначение с добавкой буквы А. Соответствующие катушки двух печатных плат включены последовательно. В частности, включены последовательно катушки возбуждения 602 и 602A и семейства катушек датчиков 601 и 603. Катушки двух печатных плат соединены друг с другом при помощи гибкой цепи 901, идущей между печатными платами 604 и 608. Гибкая цепь 901 в ее средней части 902 имеет печатный электрический соединитель с контактными штырьками 903. Эти штырьки могут входить в ответный соединитель, что позволяет подключать блок катушки печатной платы к источнику сигнала возбуждения и ко входу измерительного блока 24.

На фиг. 10 показано, каким образом печатные платы и контактные штырьки фиг. 9 могут быть соединены со структурой расходомера. На фиг. 10 внешняя оболочка 1001 расходомера показана только частично. Эта оболочка имеет отверстие, в которое входит электрический соединитель 1002 с его штырьками 1003. Оболочка 1001 закреплена на первых ветвях пары кронштейнов 1004 и 1005, а две печатные платы закреплены на вторых ветвях каждого кронштейна. Например, для кронштейна 1004 его левая ветвь соединена с оболочкой 1001 расходомера, а нижняя поверхность другой ветви соединена с печатной платой 604, содержащей катушку 602 возбудителя D. На фиг. 10 показано поперечное сечение фиг. 6. Эффективная плоскость катушки 602 печатной платы 604 параллельна верхним концевым поверхностям магнитов 916 и 616, которые, в свою очередь, закреплены на соответствующих расходных трубках 12 и 14. Зазоры между магнитами 916, 616 и катушкой 602 при работе поддерживаются неизменными. Это верно как по отношению к элементу возбуждения, так и по отношению к катушкам и связанным с ними магнитам элементов датчика. Магниты 912 и 612 закреплены на нижних поверхностях соответствующих расходных трубок 12 и 14 и взаимодействуют с плоскостью катушки 602A возбудителя фиг. 10.

На фиг. 11 показан альтернативный вариант, в котором сведены к минимуму проблемы изменения размеров магнитного зазора в результате колебаний или относительного перемещения между магнитами, закрепленными на расходных трубках, и катушками датчиков, закрепленными на стационарных элементах расходомера. Показанный на фиг. 11 вариант структурно аналогичен фиг. 1 и включает в себя корпус коллектора 30 расходомера 10, на котором закреплена пара расходных трубок 14 и 12, причем на фиг. 11 можно видеть только расходную трубку 14. Левый датчик L и правый датчик R установлены соответственно на левом и правом концах главным образом прямого верхнего участка 130 расходной трубки. Магниты 1103 и 1104 вместе с аналогичными магнитами для трубки 12 (не показаны) закреплены на расходных трубках. Левая катушка 1101 и правая катушка 1102 закреплены при помощи кронштейнов 1420 и 1421 на стационарном элементе (не показан) расходомера. При работе расходомера расходные трубки и связанные с ними магниты могут совершать синфазные колебания по отношению к катушкам датчиков L и R, которые жестко закреплены на корпусе расходомера. Без принятия дополнительных мер эти колебания, которые возникают в результате воздействия окружающих условий, таких как вибрация системы, частью которой является расходомер, могут приводить к изменению расстояний (зазоров) между катушками и магнитами. Это изменение может влиять на амплитуду сигнала катушек L и R и, в свою очередь, усложнять и ухудшать функцию обработки сигнала. В показанном на фиг. 11 варианте сведены к минимуму последствия этого относительного перемещения магнитов и катушек за счет показанной на фиг. 11 установки датчиков L и R, при которой они тангенциальны к окружности 1120, центр которой СМ является сферическим центром динамической массы системы расходных трубок. В соответствии с показанным на фиг. 8 катушки 1101 и 1102 являются прямоугольными, поэтому относительное перемещение расходных трубок и их магнитов относительно катушек побуждает их перемещаться по радиусам 1121 и 1122 относительно сферического центра тяжести СМ. Это относительное движение не приводит к изменению размера зазора, а просто смещает магниты в боковом направлении относительно катушек. Это боковое смещение находится в фазе относительно пары магнитов датчиков на каждом конце верхнего участка 130 расходных трубок. При этом синфазном перемещении эффективно аннулируются сигналы, генерируемые каждым магнитом, так что каждая катушка не генерирует выходной сигнал в результате этого синфазного бокового перемещения. Структура фиг. 11 является сферической по своей природе, так что обсуждавшееся выше синфазное относительное перемещение расходных трубок не приводит к возникновению выходного сигнала в катушках L и R, вне зависимости от направления перемещения (то есть влево или вправо, внутрь или наружу) расходных трубок, как это показано на фиг. 11.

Преимущества варианта фиг. 11 ограничены структурой, в которой катушки 1101 и 1102 жестко закреплены на внешнем элементе. Преимущества варианта фиг. 11 не применимы для вариантов фиг. 2 и 3, в которых по самой природе построения предотвращено синфазное относительное перемещение магнитов и катушек.

Из изложенного выше можно видеть, что в соответствии с настоящим изобретением предложены средства установки датчика и катушек возбуждения расходомера Кориолиса не перемещаемым образом, так что катушки не движутся при колебаниях со сдвигом по фазе магнитов и расходных трубок, с которыми объединены катушки. Эта установка (монтаж) не перемещаемым образом катушек позволяет осуществить соединение катушек с измерительным электронным блоком при помощи проводников, характеристики которых не ухудшают параметры или точность выходной информации, получаемой в процессе работы расходомера Кориолиса.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Расходомер Кориолиса (10), содержащий первую и вторую расходные трубки (14, 12), средство (D) возбуждения колебания расходных трубок со сдвигом по фазе относительно друг друга, блоки датчиков (L, R) для обнаружения перемещения колеблющихся расходных трубок в результате протекания через них материала, каждый из которых включает в себя магниты (153, 154, 168, 169), катушку (141, 171) и средство (144) удерживания катушки, соединенное с последней, причем магниты закреплены на смежных участках первой и второй расходных трубок, а катушка расположена вблизи от магнитов и имеет плоскую поверхность, нормальную к оси катушки и установленную параллельно плоскости, в которой расположены полюса магнитов, при этом одинаковые полюса магнитов обращены к плоской поверхности катушки с одной и той же стороны последней, отличающийся тем, что средство удерживания катушки закреплено на расходных трубках и выполнено с возможностью удерживания катушки по существу в фиксированном неперемещающемся положении при колебании расходных трубок.

2. Расходомер Кориолиса по п.1, отличающийся тем, что средство удерживания катушки содержит расположенные параллельно друг другу первый пластинчатый пружинный элемент (145, 151), закрепленный своим первым концевым участком на первой (14) из расходных трубок, второй пластинчатый пружинный элемент (146, 152), закрепленный своим первым концевым участком на второй (12) из расходных трубок, и брус (147), установленный между вторыми концевыми участками первого и второго пружинных элементов, при этом катушка (141, 171) закреплена на среднем участке бруса.

3. Расходомер Кориолиса по п.1, отличающийся тем, что средство, удерживания катушки содержит первый и второй U-образные пружинные элементы (301, 304), каждый из которых имеет отогнутый под прямым углом концевой участок (302, 306), одна из сторон которого закреплена на расходной трубке (14, 12), а на его другой стороне закреплен один из магнитов датчиков (L, R), и брус (147), установленный между пружинными элементами, при этом катушка (141, 171) закреплена на среднем участке бруса.

4. Расходомер Кориолиса (10), содержащий первую и вторую расходные трубки (14, 12), каждая из которых имеет прямой участок, смежный и параллельный прямому участку другой трубки, средство (D) возбуждения колебаний расходных трубок со сдвигом по фазе друг относительно друга и блоки датчиков (L, R) для обнаружения перемещения колеблющихся расходных трубок в результате протекания через них материала, причем блоки датчиков включают в себя магниты, закрепленные на первой и второй расходных трубках, и катушки (601, 603), установленные вблизи магнитов таким образом, что при поступлении сигнала колебания магнитов, закрепленных на расходных трубках, катушки вырабатывают сигнал (157, 158), отражающий относительное перемещение колеблющихся расходных трубок, включающее в себя перемещение, возникающее в результате воздействия сил Кориолиса, генерируемых за счет протекания материала внутри расходных трубок, отличающийся тем, что в него введены первая печатная плата (604), установленная с одной из сторон прямого участка каждой из расходных трубок, вторая печатная плата (608), установленная с противоположной стороны прямого участка каждой из расходных трубок, катушки (601А, 603А) датчиков и средство (607, 607А) удерживания печатных плат по существу в фиксированном неперемещающемся положении при колебании расходных трубок, причем каждая из катушек (601, 601А, 603, 603А), выполненных плоскими, установлена на соответствующем конце разных печатных плат (604, 608), а каждый из магнитов установлен между расходной трубкой (14, 12), на которой он закреплен, и одной из катушек.

5. Расходомер Кориолиса по п.4, отличающийся тем, что средство возбуждения колебаний первой и второй расходных трубок включает в себя катушки возбуждения (602, 602А), каждая из которых установлена на среднем участке соответствующей печатной платы (604, 608), и магниты возбуждения, каждый из которых закреплен в средней части прямого участка соответствующей расходной трубки и расположен между этой трубкой и одной из катушек возбуждения, каждая из которых при поступлении на нее сигнала возбуждения (156) создает колебания магнитов и связанных с ними расходных трубок со сдвигом по фазе между ними, при этом между каждой катушкой возбуждения и двумя расходными трубками расположены по меньшей мере два магнита.

6. Расходомер Кориолиса по п.4 или 5, отличающийся тем, что содержит тонкий гибкий проводник (901) между печатными платами (604, 608) для соединения катушек на каждой из плат и электрический соединитель (902) на среднем участке указанного гибкого проводника для обеспечения электрической связи с катушками на печатных платах, причем электрический соединитель при сборке может быть введен в отверстие во внешней оболочке расходомера для электрического соединения катушек и внешних схем, объединенных с расходомером.

7. Способ измерения расхода с использованием расходомера Кориолиса (10), содержащего первую (14) и вторую (12) расходные трубки с установленными на них блоками датчиков (L, R), служащих для обнаружения перемещения колеблющихся расходных трубок в результате протекания через них материала, включающий возбуждение колебаний первой и второй расходных трубок со сдвигом по фазе относительно друг друга, причем каждый блок датчиков (L, R) содержит пару магнитов (153, 154, 168, 169), закрепленных на смежных участках расходных трубок, и катушку (141, 171), расположенную вблизи от соответствующей пары магнитов и имеющую плоскую поверхность, нормальную к оси катушки и установленную параллельно плоскости, в которой расположены полюса магнитов, ориентированных таким образом, что их одинаковые полюса обращены к плоской поверхности катушки с одной и той же стороны последней, при этом каждая из указанных катушек при поступлении сигнала колебания магнитов, закрепленных на расходных трубках, вырабатывает сигнал (157, 158), отражающий относительное перемещение колеблющихся расходных трубок, включающее в себя перемещение, вызванное воздействием сил Кориолиса, генерируемых при протекании материала внутри расходных трубок, отличающийся тем, что каждую катушку закрепляют на первой и второй расходных трубках таким образом, чтобы удерживать указанную катушку по существу в фиксированном неперемещающемся положении при колебании расходных трубок.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что на первой (14) и второй (12) расходных трубках закрепляют первые концевые участки соответственно первого (145, 151) и второго (146, 152) пружинных элементов, между вторыми концевыми участками первого и второго пружинных элементов присоединяют брус (147), на среднем участке которого закрепляют катушку (141, 171).

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что между двумя U-образными пружинными элементами (301, 304), каждый из которых имеет отогнутый под прямым углом концевой участок (302, 306), одна из сторон которого закреплена на расходной трубке (14, 12), а на его другой стороне закреплен один из магнитов датчиков (L, R), устанавливают брус (147), а катушку (141, 171) закрепляют на среднем участке бруса.

10. Способ измерения расхода с использованием расходомера Кориолиса (10), содержащего первую (14) и вторую (12) расходные трубки с установленными на них блоками датчиков (L, R), служащих для обнаружения перемещения колеблющихся расходных трубок в результате протекания через них материала, включающий возбуждение колебаний первой и второй расходных трубок со сдвигом по фазе относительно друг друга, причем каждая из трубок имеет прямой участок, расположенный вблизи прямого участка другой расходной трубки и параллельно ему, а блоки датчиков (L, R) содержат магниты, закрепленные на расходных трубках, и катушки, установленные вблизи магнитов для выработки при поступлении на них сигнала колебания магнитов, закрепленных на расходных трубках, сигнала (157, 158), отражающего относительное перемещение колеблющихся расходных трубок, включающее в себя перемещение, вызванное воздействием сил Кориолиса, генерируемых при протекании материала внутри расходных трубок, отличающийся тем, что устанавливают первую печатную плату (604) с одной из сторон прямого участка каждой из расходных трубок, устанавливают вторую печатную плату (608) с противоположной стороны прямого участка каждой из расходных трубок, закрепляют катушки (601, 601А, 603, 603А) датчиков на соответствующем конце разных печатных плат (604, 608), закрепляют магниты датчиков на расходных трубках так, что каждый магнит установлен между расходной трубкой, на которой он закреплен, и одной из катушек, при этом между каждой катушкой и расходными трубками расположены два из указанных магнитов, и удерживают печатные платы по существу в фиксированном неперемещающемся положении при колебании расходных трубок.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что возбуждение колебаний первой и второй расходных трубок включает в себя установку одной из катушек возбуждения (602, 602А) на среднем участке соответствующей печатной платы (604, 608) и установку магнитов возбуждения на сторонах прямого участка каждой расходной трубки в средней его части таким образом, что каждый из магнитов расположен между расходной трубкой, на которой он закреплен, и одной из катушек возбуждения, при поступлении на которую сигнала возбуждения (156) создаются колебания магнитов и связанных с ними расходных трубок со сдвигом по фазе между ними, при этом между каждой катушкой возбуждения и двумя расходными трубками расположены по меньшей мере два магнита.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что он включает подключение тонкого гибкого проводника (901) между печатными платами (604, 608) для соединения соответствующих катушек на каждой из плат и обеспечение с помощью электрического соединителя (902), расположенного на среднем участке указанного гибкого проводника, электрической связи с катушками на печатных платах, причем выполнение электрического соединителя при сборке обеспечивает возможность его введения в отверстие во внешней оболочке расходомера для осуществления электрического соединения катушек и внешних схем, объединенных с расходомером.

РИСУНКИ

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