科裡奧利質量流控制器的製作方法
2023-11-07 23:20:12 3
專利名稱：科裡奧利質量流控制器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及質量流測量和控制，且具體地說，涉及一種基於科裡奧利力效應並具有帶相關傳感、控制及通信電路的一體的流量控制閥的質量流測量及控制裝置。
背景技術：
基於科裡奧利力效應的質量流測量以下面方式實現。科裡奧利力導致質量在已確立的方向上流動並然後被迫使改變方向並具有垂直於已確立的流動方向的矢量分量的效應。這可以通過以下公式解釋。
式中
(科裡奧利力矢量)是
(質量流矢量)和
(角速度矢量)的叉積。
在旋轉系統中，角速度矢量沿旋轉軸定向。利用「右手原則」，手指確定旋轉方向，而展開的拇指確定角速度矢量方向。在典型科裡奧利力流動傳感器情況下，通過其建立流體流動的管被振動。管經常為一個或多個環形的形狀。環形形狀為使質量流矢量在環的不同部分指向相反的方向。例如該管環可以為U形、矩形、三角形或△形或螺旋形。在直管的特定實施例中，質量流矢量在一單個方向，同時存在兩個重合在管的固定點的角速度矢量。
在振動系統中由於轉動方向改變，角速度矢量變化。結果為在任何給定時刻，科裡奧利力以相反方向作用在質量流矢量或角速度矢量指向相反方向的地方。由於角速度矢量由振動系統造成連續變化，科裡奧利力也持續變化。結果為動態扭曲運動施加到管的振蕩運動之上。扭曲的大小與對於給定角速度的質量流成比例。
質量流測量通過測量在傳感器管內由流體移過傳感器管產生的科裡奧利力造成的扭曲而實現。典型的公知裝置利用包括磁鐵和線圈對的拾取傳感器，該磁鐵和線圈對位於流量管上科裡奧利力導致的位移被認為最大的地方。線圈和磁鐵裝在相對的結構上，例如，磁鐵安裝在管上而線圈安裝在靜態封裝壁上。磁鐵將移入或移出線圈，在線圈內感應電流。該電流與磁鐵相對線圈的運動成比例。由於這是速度測量，速度及由此的信號當流量管穿過其休止位置(過0(zero crossing))時最大。科裡奧利力導致的扭曲在速度信號內產生相移，其通過測量兩個速度傳感器間過零次數的不同而測得。在應用中，這給次數測量迴路帶來很大的精度負擔。這可能會限制由這種技術測得的質量流的最大靈敏度。
此外，基於科裡奧利技術的公知裝置的流速性能一般限制於高於很多應用所期望的流速。此外，現有的科裡奧利質量流測量裝置只保證了帶有非一體流動控制能力的質量流傳感。由用戶提供用於控制流量的裝置。
發明內容
本發明旨在解決與現有技術相關聯的這些缺點。
根據本發明一個方面，提供了一種科裡奧利質量流傳感器，包括流量傳感器管；流量傳感器管位於其內的殼體；定們在殼體外側用于振動流體的驅動裝置；以及至少一個相對流量傳感器管定位的拾取傳感器，以便測量在流量傳感器管內由科裡奧利力造成的扭曲。
優選地，至少一個拾取傳感器放置在殼體內。
優選地，還包括連接到流量傳感器管上的磁鐵，其中，驅動裝置包括電磁線圈。
優選地，電磁線圈包括能量感應器。
優選地，磁鐵包括非稀土磁鐵。
優選地，磁鐵包括鍍鎳釤鋯磁鐵。
根據本發明另一方面，提供了一種質量流測量裝置，包括具有第一端和第二端的殼體；閥體；相對殼體第一端和閥體定位的第一密封件，以便閥體和第一端以密封形式連接；用戶接口組件；以及相對殼體第二端和用戶接口組件定位的第二密封件，以便用戶接口組件和第二端以密封形式連接。
優選地，用戶接口組件包括第一或第二用戶接口組件之一。
優選地，用戶接口組件符合IP-65/NEMA 4X。
優選地，所述質量流測量裝置還包括位於殼體內的傳感器殼體；位於傳感器殼體內的流量傳感器管；其中，流量傳感器管提供了第一流體密封，傳感器殼體提供了第二流體密封而閥體和第一端以及用戶接口組件和第二端提供了第三流體密封。
根據本發明另一方面，提供了一種科裡奧利質量流傳感器，包括具有第一端和第二端的流量傳感器管；以及定位在流量傳感器管的相應的第一和第二端上的第一和第二壓電塊；其中，壓電和反壓電效應引起流量傳感器管振動，並檢測在流量傳感器管內由科裡奧利力造成的扭曲。
根據本發明另一方面，提供了一種科裡奧利質量流控制器，包括流量傳感器管；相對流量傳感器管定位的驅動裝置，以便引起流量傳感器管振動；相對流量傳感器管定位的位置傳感裝置，以便測量在流量傳感器管內由科裡奧利力造成的扭曲；以及適於接收來自流量傳大感器管的流體的流量控制裝置。
優選地，流量控制裝置包括閥，所述閥包括閥座；適於密封住所述閥座的活塞，所述活塞確定了至少一個穿過其延伸的孔，以便在活塞未落座於閥座上時，建立通過活塞的流體流動路徑。
優選地，流量控制裝置包括泵。
優選地，所述泵包括計量泵。
根據方面另一方面，提供了一種裝置，用於從被第一和第二位移計探測到的第一和第二輸入信號間的科裡奧利力導致的相移來決定質量流，其包括第一相位靈敏探測器，被連接以接收第一和第二輸入信號，第一相位敏感探測器可操縱以混合第一和第二輸入信號，並提供表示被混合的第一和第二輸入信號的輸出；第一移相器，連接以接收第一輸入信號，並可操縱以輸出表示第一輸入信號相移90°的輸出信號；第二相位敏感探測器，被連接以接收第一移相器輸出及第二輸入信號，所述第二相位敏感探測器可操縱以混合相移第一輸入信號和第二輸入信號，並提供表示被混合的信號的輸出；以及連接到第一和第二相位敏感探測器的處理器，以接收混合的信號，並可操縱以計算混合信號相對彼此的矢量模和相位，其中，矢量相位與質量流成比例。
優選地，所述裝置還包括連接到第一和第二相位敏感探測器上的第一和第二低通濾波器，所述第一和第二低通濾波器可操縱以從混合的信號中除去高頻信號，並輸出DC電壓。
優選地，所述裝置還包括相位與第一輸入終端同步的第三輸出終端，用於提供正弦輸出信號以驅動流量管共振。
優選地，所述裝置包括同步放大器。
優選地，所述裝置還包括第三相位敏感探測器，被連接以在兩個輸入端的每一個上接收第一輸入信號，第三相位敏感探測器可操縱以將第一輸入信號與其本身混合，並提供表示混合的第一輸入信號的輸出；第四相位敏感探測器，被連接以接收第一相移輸出和第一輸入信號，第四相位敏感探測器可操縱以將相移的第一輸入信號和第一輸入信號混合，並提供表示混合後的信號的輸出；第一微分放大器，被連接以接收第一和第三相位敏感探測器的輸出，並提供微分信號給處理器；以及第二微分放大器，被連接以接收第二和第四相位敏感探測器的輸出，並提供微分信號給處理器。
優選地，所述裝置還包括連接到第一和第二微分放大器上的第一和第二低通濾波器，所述第一和第二低通濾波器可操縱以從混合後的信號中濾去高頻分量並輸出DC電壓。
優選地，所述裝置還包括第二移相器，其被連接以接收第一輸入信號，並可操縱以將表示第一輸入信號相移90°的信號輸出給第四相位敏感探測器。
根據本發明另一方面，提供了一種方法，其從被第一和第二位移計探測到的第一和第二輸入信號間的科裡奧利力導致的相移確定質量流，所述方法包括將第一輸入信號與第二輸入信號混合以產生第一輸出信號；相移第一輸入信號90°；將第二輸入信號與相移的第一輸入信號混合以產生第二輸出信號；以及計算第一和第二輸出信號相對彼此的矢量模和相位，其中，矢量相位與質量流成比例。
優選地，所述方法還包括過濾第一和第二輸出信號。
優選地，所述方法還包括將驅動終端的相位同步於第一輸入信號以驅動流量共振。
優選地，混合第一和第二輸入信號包括輸入第一和第二信號到相位敏感探測器內。
優選地，混合第一和第二輸入信號包括將第一和第二輸入信號間的差值與第一輸入信號混合。
根據本發明另一方面，提供了一種裝置，用於從被第一和第二位移計探測到的第一和第二輸入信號間的科裡奧利力導致的相移來決定質量流，其包括微分放大器，其被連接以接收第一和第二輸入信號，所述微分放大器可操縱以輸出表示第一和第二輸入信號之間差值的信號；第一相位敏感探測器，被連接以接收微分放大器的輸出和第一輸入信號，並提供表示被混合的微分放大器輸出和第一輸入信號的輸出；移相器，連接以接收第一輸入信號，並可操縱以輸出表示第一輸入信號相移90°的輸出信號；第二相位敏感探測器，被連接以接收移相器輸出及微分放大器信號，並提供表示被混合的移相的第一輸入信號和微分放大器信號的輸出，並提供表示被混合的信號的輸出；以及連接到第一和第二相位敏感探測器的處理器，以接收混合的信號，並可操縱以計算混合信號相對彼此的矢量模和相位，其中，矢量相位與質量流成比例。
優選地，所述裝置還包括連接到第一和第二相位敏感探測器上的第一和第二低通濾波器，所述第一和第二低通濾波器可操縱以從混合後的信號中濾去高頻分量並輸出DC電壓。
優選地，所述裝置還包括相位同步於第一輸入終端的第三輸出終端，用於提供正弦輸出信號以驅動流量管共振。
優選地，所述裝置包括同頻放大器。
根據本發明另一方面，提供了一種電容拾取傳感器，其用於包括流量傳感器管和用于振動流量傳感器管的驅動裝置的質量流測量裝置，所述電容拾取傳感器包括至少一個可連接到第一電勢上並適於定位在連接到第二電勢的流量傳感器管附近的導電板，以便在流量傳感器管和導電板之間確定間隙；以便在導電板和流量傳感器管之間的電容在流量傳感器管振動時由於導電板和流量傳感器的相對運動而變化。
優選地，流量傳感器管連接到地電勢上。
優選地，所述至少一個導電板包括第一和第二板，且第一和第二板處於與振動的流量傳感器管的運動相切的位置。
優選地，第一和第二板並排定位以便其間確定均勻的間隙。
優選地，第一和第二板位於相同電勢，且流量傳感器管處於地電勢。
優選地，第一和第二板大致是矩形的並且間隙大致平行於流量傳感器管延伸。
優選地，第一和第二板大致是三角形的，並且間隙相對流量傳感器管對角延伸。
優選地，第一和第二板大致是鋸齒形的，並且間隙確定了大致鋸齒形狀。
優選地，至少一個導電板嵌於印刷電路板上。
優選地，印刷電路板為包括保護層和可焊接到傳感器塊上的背層的多層印刷電路板。
根據本發明另一方面，提供了一種科裡奧利質量流傳感器，包括流量 傳感器管；相對流量傳感器定位以便使流量傳感器管振動的驅動裝置；以 及至少一個相對流量傳感器管定位的電容位移計，以便測量在流量傳感器管 內由科裡奧利力造成的扭曲。
優選地，驅動裝置包括電磁驅動器。
優選地，驅動裝置包括靜電驅動器。
優選地，驅動裝置包括聲音驅動器。
優選地，驅動裝置包括壓電驅動器。
優選地，所述至少一個電容位移計包括兩個電容位移計。
優選地，電容位移計位於與傳感器管對稱的位置。
優選地，電容位移計被小型化並且表面安裝在傳感器封裝壁上。
優選地，科裡奧利質量流傳感器還包括適於測量由科裡奧利力產生的相移的電路。
優選地，所述電路包括同步放大器。
優選地，所述至少一個電容位移計安裝在致動器上，致動器可操縱以相對流量傳感器動態定位電容位移計。
優選地，致動器包括壓電致動器。
優選地，致動器響應流動狀況定位所述至少一個電容位移計。
優選地，致動器在三維上定位所述至少一個電容位移計。
優選地，所述至少一個電容位移計包括第一和第二板；所述第一和第二板位於流量傳感器管附近，與流量傳感器管振動時流量傳感器管運動相切的平面內；以及第一和第二板並排定位以便其間確定一均勻的間隙。
優選地，所述第一和第二板為相同的電勢，而流量傳感器處於地電勢。
優選地，所述第一和第二板大致為矩形，且所述間隙平行於流量傳感器管延伸。
優選地，所述第一和第二板大致為三角形，並且所述間隙對角地延伸過流量傳感器管。
優選地，所述第一和第二板大致為鋸齒形，且所述間隙形成鋸齒形狀。
優選地，科裡奧利質量流傳感器還包括抽真空的殼體，流量傳感器管定位於抽真空的殼體內。
在本發明的一方面中，公開了用於質量流測量裝置的電容拾取(pick off)傳感器。質量流測量裝置包括流量傳感器管和用于振動流量傳感器管的驅動裝置。電容拾取傳感器包括至少一個可連接到第一電勢並適於位於連接到第二電勢的流量傳感器管附近的導電板。導電板相對流量傳感器管定位，以便在其間確定一間隙。導電板和流量傳感器管之間的電容由於當流量傳感器管振動時導電板和流量傳感器管的相對運動而變形。
在本發明另一方面中，科裡奧利質量流傳感器包括流量傳感器管，相對流量傳感器管定位以產生流量傳感器管振動的驅動裝置，以及相對流量傳感器管定位以測量流量傳感器管內由科裡奧利力造成的扭曲的電容位移計。在特定實施例中，使用電磁、靜電、聲音、及/或壓電驅動器以振動流量傳感器管。在另一實施例中，壓電裝置用于振動流量傳感器管和探測流量傳感器管內的扭曲。
在本發明又一方面中，科裡奧利質量流控制器包括流量傳感器管、相對流量傳感器管定位以使流量傳感器管振動的驅動裝置，以及相對流量傳感器管定位以測量在流量傳感器內由科裡奧利力造成的扭曲的位置傳感裝置。科裡奧利質量流控制器還包括適於從流量傳感器管接收流體的一體的流量控制裝置。這種帶有相關傳感電路的一體的流量閥提供了更緊湊的封裝，其容易使用並在動態性能上提供了顯著的改變。
在本發明另一方面中，得裡奧利質量流傳感器包括流量傳感器管、流量傳感器管位於其內的殼體、定位在殼體外側用于振動流量傳感器管的驅動裝置，以及至少一個相對流量傳感器管定位以測量在流量傳感器管內由科裡奧利力造成的扭曲的拾取傳感器。在示例性實施例中，拾取傳感器位於殼體內。在另一實施例中，磁鐵連接到流量傳感器管，且驅動裝置包括電磁線圈。磁鐵可以是非稀土磁鐵，且更具體地說，為鍍鎳釤鋯磁鐵。電磁線圈可以包括一能量感應器。
根據本發明的另一方面，質量流測量裝置包括具有第一和第二端部的殼體，閥體(flow body)、以及相對殼體第一端和閥體定位以便使閥體和第一端以密封方式連接的第一密封件，用戶接口組件以及第二密封件相對殼體第二端定位以便使用戶接口組件和第二端以密封形式連接。密封件允許多種類型的用戶接口組件間互換，包括符合IP-65/NEMA 4X的用戶接口組件，並提供了附加的流體密封。
本發明的其他目的和優點將在閱讀以下的詳細描述及參照附圖時顯而易見，其中 圖1是概念性示出根據本發明各方面的科裡奧利質量流傳感器的方塊圖； 圖2A和2B示出採用根據本發明的實施例的電磁驅動器的科裡奧利質量流傳感器； 圖3A和3B示出採用根據本發明的實施例的靜電驅動器的科裡奧利質量流傳感器； 圖4A和4B示出採用根據本發明的實施例的聲音驅動器的科裡奧利質量流傳感器； 圖5A、5B和5C示出採用根據本發明的實施例的壓電驅動器的科裡奧利質量流傳感器； 圖6是根據本發明的用於測量科裡奧利力導致的相移的同頻放大器的示意圖； 圖7是根據本發明的用於測量科裡奧利力導致的相移的雙通道同步放大器的示意圖； 圖8是示出了利用根據本發明的信號處理方法的來自各傳感器管位置傳感器的輸入信號的振幅間關係曲線。
圖9是根據本發明的用於測量科裡奧利力導致的相移的雙同步放大器的示意圖； 圖10是根據本發明的包括用於測量科裡奧利力導致的相移的基準頻率調整裝置雙同步放大器的示意圖； 圖11示出根據本發明的電容位移探針的第一實施例； 圖12示出根據本發明的電容位移探針的第二實施例； 圖13示出根據本發明的電容位移探針的第三實施例； 圖14A和14B分別示出現有技術的螺紋閥連接和根據本發明的密封的螺紋閥連接的各方面；以及
具體實施例方式 在本發明可以有各種修改和變動形式，其特定實施例在附圖中示例性示出並在此加以詳細描述。然而應理解，特定實施例在此的描述不用於將本發明限定為所公開的特定形式，而相反本發明要涵蓋落於如所附權利要求限定的本發明的精髓和範圍內的所用修改、等價物及變動。
以下將描述本發明說明性的實施例。為了清晰起見，在本說明書中未描述實際裝置的所有特徵。當然應明白，在任意的這種裝置開發過程中，必須作出各種裝置特徵的決定以獲得開發者的特定目的，例如符合與系統有關的及與商業有關的約束，後者將從一個裝置到另一裝置而有所變化。此外，將意識到這種開發努力將是複雜並耗時的，但儘管如此，對於利用本公開文本的本領域技術人員將是常規的任務。
圖1是概念性地示出根據本發明各方面的科裡奧利質量流傳感器。科裡奧利質量流傳感器1包括一流量傳感器管2，與其相對定位的驅動裝置3以便振動該管2。位移計4相對管2定位以便測是在管2內由於科裡奧利力產生的扭曲。
用於傳感器管2的典型材料為316L不鏽鋼。使用316L不鏽鋼的原因包括其能抵抗來自很多物質的化學侵蝕，其抵抗由正常工藝壓力帶來的破裂，其一般為無汙染的並可輕易地形成為流量傳感器管2的理想形狀。然而，316L不鏽鋼並不適於所有的應用中。因此，可用於實現316L不鏽鋼不適於的應用的其他管材料是必須的。公知的裝置利用矽作為316L不鏽鋼的替代物。矽替代316L不鏽鋼的優點在於傳感器管可以製成比由316L不鏽鋼形成的小的形狀。
對於傳感器管2的材料選擇的另一考慮是對腐蝕導致或增大的應力的抵抗能力。應力在管安裝處的彎曲臂的底部產生。在多晶體材料中，應力將在材料中產生晶格摻雜，以在各微晶顆粒區域之間的晶界處彌散並聚積。在很多情況下這將減弱微晶晶粒間的鍵合，使材料更易受到化學侵蝕。象矽或藍寶石的單晶體材料不易於被這種方式影響。
象316L不鏽鋼一樣的金屬一般為多晶體的，並因此在不同程度上更易於受這種形式的化學侵蝕。象石英玻璃及多種塑料一樣的非晶體材料也對化學侵蝕導致的應力低抗性較好，是由於他們沒有象多晶材料的晶格結構。易受化學侵蝕的管材料可以以某種方式使其表面改良或塗附以減小腐蝕或侵蝕，如果基體材料的使用在其他方面是適用的話。
表面改良可以通過離子注入、熱擴散、以及化學或電化學反應來實現。在此目的是移去、重新分配或引入在表面留下一化學抵抗層的元素或分子種類。表面塗附可以通過從在高溫下緊密接觸表面的蒸汽、液體或粉末中熱致沉澱而完成。如果化學反應物質也被等離子體或如來自雷射的強光子通量激勵或離子化，可以使用較低溫度。抵抗化學侵蝕的其他材料可以通過不起反應的物理蒸汽蒸鍍來沉積，如由熱或電子束髮射或離子濺射所完成的。如果利用高能量離子束實現濺射以便所濺射的物質被化學激勵或離子化，那麼也完成了與表面的化學反應，這對於某些沉積材料是適宜的。同樣在表面的化學反應可以通過加速化學物質來完成，以便動能可以用於觸發或增強化學化應。
用於在本發明特定實施例中的科裡奧利流量傳感器管2的管材為奧氏體及馬氏體不鏽鋼、高鎳合金、鈦和鋯及其他們的合金、尤其是鈦-釩-鋁合金以及鋯錫合金(由於他們的較高強度和低的楊氏模量)，矽、藍寶石、金剛砂、石英玻璃以及塑料。根據本發明所採用的管塗附材料包括金剛砂、鎳、鉻、金剛石、耐火碳化物、耐火金屬氮化物以及耐火金屬氧化物。
圖2A和2B示出根據本發明特定實施例的科裡奧利質量流傳感器1。科裡奧利質量流傳感器1採用包括由信號源(未示出)驅動的電磁鐵12的電磁驅動器10，該信號源在所述的實施例中包括一正弦波信號源。電磁鐵12位於安裝在傳感器管16上的小永久磁鐵14附近。傳感器管16連接到包括第一和第二開口19的基體18，以便形成從一個口19通過流量管16到另一口19的流動路徑。在此處公開的實施例中示出的示例性傳感器管16大致為U形，雖然如△形、矩形、螺旋或直的其他形狀的管也可以使用。
圖3A和3B示出與圖2中示出的相似的實施例，其利用靜電驅動。靜電驅動器20包括定位於安裝在傳感器管16上的小介電板24附近的充電板22。如果管16由介電材料製成，那麼充電板22定位在管16附近且可以除去介電板24。同樣，充電板被諸如正弦信號源的信號源(未示出)驅動。施加到充電板22上的電壓將在充電板22和介電板24之間產生電場。這將在介電板24上產生表面電荷。隨著電壓極性在充電板22上快速變化，在充電板22和介電板24之間的產生的電場將交替地吸引或排斥，導致流量管16振動。
圖4A和4B示出採用新型聲波驅動的科裡奧利質量流傳感器1的另一實施例。聲波驅動器30包括放置在管16附近的小揚聲器32。由揚聲器32產生的壓力波導致管16振動。
在圖5A、5B和5C中，示出了科裡奧利質量流傳感器1的又一個實施例。圖5A、5B和5C的科裡奧利質量流傳感器1採用壓電驅動器40，其中兩個壓電場42定位在流量管16的每個腿部的相對側，作用為在每個腿部16上產生雙壓電晶片，如圖5所示。壓電及反壓電效應將用於驅動及/或探測管16的偏移。
質量流的測量通過測量在傳感器管16內由流體移動過傳感器管16產生的科裡奧利力造成的扭曲。例如，包括磁鐵和線圈對的拾取傳感器一般位於流量管16上被認為科裡奧利力導致的位移最大的地方。線圖和磁鐵被安裝在相對的結構上，例如，磁鐵安裝在管16上而線圈安裝在靜態封裝壁上。磁鐵將移入或移出線圈，在線圈內感應電流。這個電流與磁體相對線圈的速度成正比。由於這是一個速度測量，速度及由此的信號當流量管16穿過其休止點(過0)時最大。科裡奧利力導致的扭曲在速度信號上產生相移，這是通過測量兩個速度傳感器之間過0次數的不同而探測出。在使用中，這給次數測量電路造成很大的精度負擔。這將限制由該技術測量的質量流的最高靈敏度。
本發明的各方面提供了一種為較低流量能力而設置的流量測量技術，其更直接並在電路中需要比典型的基於時間的信號調節技術更小的精度。參照圖2-4所示的實施例，振動的傳感器管的位移利用電容拾取傳感器測得，兩個電容位移計(capacitive pick off sensor)50定位在管16附近相對管16的形狀對稱的位置處，以便測量由流體流過傳感器管16產生的科裡奧利力所造成的傳感器管16內的扭曲。在本發明特定實施例中，電容位移計50被小型化並表面安裝在傳感器封裝壁上或安裝在插入傳感器管的環形內側的傳感器塊上。由科裡奧利力導致的傳感器管16內的扭曲導致來自各電容位移計50的兩個信號間相移。由於這是位移傳感器，信號與位移成正比。管每一側的相對位移被測量為相移。儀表驅動器和信號調節電路將相對管16的位移轉化成高電平信號，其作為可用於測量通過管16的流量建立時的科裡奧利效應的相移的函數。
第一信號處理技術利用帶有被一個位移計50提供的基準信號的同步(lock in)放在器，以及由另一位移計50提供的輸入信號。每個位移計50都可提供基準或輸入信號。從同步放大器輸出的相位與流量成比例。圖6是同步放在器52的功能示意圖，用他可以實現用於測量根據本發明的科裡奧利力導致的扭曲的方法。信號從左向右移動，如圖6所示。左輸入100和右輸入102的信號分別來自左和右位移計50。例如，左輸入100可以用作基準信號。正弦輸出103為相位同步於左輸入100信號的驅動信號。這將驅動流量傳感器管16共振。右輸入102信號與左/基準輸入100信號和其的90°相移信號104在兩個相位靈每探測系統(PSDs)106內混合。功能上，PSDs106將兩個信號相乘，產生高頻分量和DC分量。低通濾波器108濾去高頻分量，在X和Y輸出110、112上產生DC電壓。X輸出110被稱為同相分量，而Y輸出112被稱為相對基準信號的矢量號的90°(quadrature)分量。這些分量的每一個都是對相位變化靈敏的；然而，矢量模和相位分量可以通過以下關係分離 方程1模 方程2θ＝tan-1(Y/X)相位角 從同步放大器52的輸出和來自位移計50的輸入之間的關係推導如下 認為兩個信號為具有任意振幅和任意相位差的正弦波。每個信號可以如以下表示 Vleft＝Vref＝Asinωt Vright＝B sin(ωt+φ) 在下部PSD106，發生以下操作 X′＝Vref*(Vright)＝Asinωt*[Bsin(ωt+φ)] 該信號在二倍頻率處具有DC電壓分量和AC分量，低通濾波器(LPF)108濾去AC分量而留下 在上部PSD106發生以下操作 Y′＝Acosωt*[Bsin(ωt+φ) 由於cosωt＝sin(ωt+90°)，我們具有一餘弦乘法器。
我們得到帶AC和DC分量的信號，其通過LPF108後產生以下 從方程1和2計算模R和相位角θ，我們得到 和 θ＝φ 這些計算可以通過任何適宜的數字或模擬處理裝置120執行。矢量相位與質量流成比例。
根據本發明實施例的另一方法需要具有基準信號和由一個位移計50提供的一輸入信號及由另一位移計50提供的第二輸入信號的雙通道同步放大器。兩個輸入信號之間的差值然後相對基準信號測量。從同步放大器產生的相位輸出與流量成比例。圖7是雙通道同步放大器54的功能示意圖。信號以與圖6相同的方式移動並與其相同地定義。左輸入100也用作基準信號。如前面的，正弦輸出103為相位與左輸入100信號同步的驅動信號。在這種情況下，左輸入信號100從右輸入102信號中被減掉並與左/基準輸入100信號以及其的90°相移信號104在兩個相位靈敏探測系統(PSDs)106內混合。內部功能與圖6的同步放大器52相同。
以下的推導可以用於確定從同步放大器54的輸出與來自位移計52的輸入之間關係。任意適當的數字或模擬處理裝置120可以用於進行這些計算。
將兩個信號認為是具有任意振幅和任意相位差的正弦波。每個信號可以表示如下 Vleft＝Vref＝Asinωt Vright＝B sin(ωt+φ) 在這種情況下低噪微分放大器114的輸出將為Vref-Vright 在下部PSD106，發生以下操作 X』＝Vref(Vref-Vright)＝Asinωt*[Asin-Bsin(ωt+φ)] 在二倍頻率處該信號具有DC電壓分量和AC分量，低通濾波器(LPF)108濾去AC分量而留下 在上部PSD106發生以下操作 Y′＝Acosωt*[Asinωt-Bsin(ωt+φ)] 由於cosωt＝sin(ωt+90°)，我們得到餘弦乘法器。
同樣，我們得到帶AC和DC分量的信號，其在通過LPF後產生以下結果 從方程1和2計算模R和相位角θ，我們得到 和 θ不再是相位角，而是反正切，相位角與左和右輸入信號的振幅函數。分析這個方程得出θ是φ的強度函數(strong function)。實際上，輸入信號的相對振幅可以控制這個方程的強度。這可以從圖8所示的曲線中說明，其中A和B分別是左和右信號的振幅。由于振幅非常接近於匹配，對於同步放大器輸出θ的靈敏度很高。即使對於在2％內匹配的振幅，θ對φ的靈敏度幾乎為標準同步放大器結構的100倍。
圖9是雙同步放大器56的功能示意圖，用他實現根據本發明的用於測量科裡奧利力導致的相移的方法。信號以與上述相同的方式移動並且定義相同。左輸入100也用作基準信號。如前面，正弦輸出103也是與左輸入100信號相位同步的驅動信號。在這種情況下，左輸入100信號與本身和在兩個相位靈敏探測系統(PSDs)106的90°相移信號在上部同步放大器58內混合。在下部同步放大器60內，右輸入102信號與左輸入100信號以及其的90°相移信號在兩個相位靈敏探測系統(PSDs)106內混合。成對的來自非相移PSDs106和相移PSDs106的輸出在兩個低噪微分放大器114內被差分。信號的DC分量被低通濾波器108濾過以給出普通的同步放大器輸出。可以由任何適宜的數字或模擬處理這種120執行的算法，與在上面聯繫圖7的描述的方法中的相同，雖然操作發生的順序不同。在圖7的雙通道同步技術中，兩個帶有非常小差別的高電平信號被去掉。低電平信號然後與高電平信號相乘，這可可在模擬電路中導致噪聲或在數字電路中產生修整誤差。在圖9的雙通道同步技術中，高電平信號道先被放大，而所產生的振幅接近的信號然後被去掉，而產生具有低噪聲的輸出。
同步放大器的使用對於測量掩埋在非常高振幅的噪聲中的低電平信號非常顯著。同步放大器通過作用為一極窄帶通濾波器而實現這個作用。信號和噪聲被基準正弦和餘弦波倍增，並然後通過低通濾波器以去除基準頻率。倍增/濾波操作的結果為表示一復向量(x+iy)的DC信號。基準頻率和所關注的信號之間的相位差可以由atan(y/x)確定。
在測量科裡奧利力方面，關注的相同頻率的兩個信號間的相位差。這可以利用每個由相同的基準頻率驅動的雙同步放大器來實現，如圖10所示。在圖10所示的功能圖中，左和右輸入信號100、102被由基準頻率發生器144提供的基準正弦和餘弦波倍增。輸入信號100、102在PSDs106內與正弦和餘弦信號混合，然後通過第五階貝塞爾IIR低通濾波器148，如參照圖6、圖7和圖9所述的。上述的倍增/濾波過程在帶有相對基準頻率的每個信號的合成相位差輸出X、Y的左和右輸入信號100、102上進行。兩個輸出信號X、Y之間的差值代表兩個輸入信號100、102的相位差。在科裡奧利質量流情況下，這個相位差代表質量流152的指標。
當利用同步放大器測量與科裡奧利質量流相關聯的極小相位差時，必須調整基準頻率以匹配關注的信號。如果基準信號不是非常接近於所關注的信號，很低頻的AC信號將產生在低通濾波器148的輸出處。科裡奧利傳感器的頻率隨質量流、溫度、密度和壓力變化，進一步使測量過程複雜。
基準頻率可以通過處理來自輸入信號100、102之一的輸出矢量的而精確調整。首先，計算輸出矢量的導數。這可以通過計算兩個連續的輸出矢量的複數差來完成。然後，初始的輸出矢量被旋轉90°並且計算這個矢量與導數的點積，產生提供到基準頻率發生器144上的誤差信號150。如果基準頻率需要向下、向上調整或不改變的話，誤差信號150分別為正值、負值或零。
基準頻率的調整量取決於相位測量的精度，但一般地，調整越精細，精度越好，如通過在多個輸出樣本上計算標準誤差所確定的那樣。然而，如果在信號頻率上有階躍變化的話，基準頻率的微調(小步長變化)將是不利的，由於基準頻率發生器144將耗費很長時間才能達到所要的頻率。如果信號頻率歷經頻率階躍變化，PID或適應算法可以用於以更靈敏的方式調整基準頻率。
在可替代的實施例中，電容位移探針50可以安裝在將首先在三維上定位電容位移探針50的壓電致動器上。此外，當與在此公開的雙通道同步放大器或雙同步放大器方法一同使用時，壓電致動器可以動態調節流量傳感器的靈敏度，從而提供了拓寬的工作範圍。
這種動態定位提供了對於製造可變性的補償，尤其是流量傳感器管相對電容位移探針的定位。動態定位也提供了對於由各種元件的相對熱膨脹導致的尺寸漂移的被償。與雙通道同步放大器或雙同步放大器組合應用，動態定位使兩個位移信號緊密匹配以提供對於流量的可調整的靈敏度。對於大流量情況將使用低靈敏度，而對於寬的低流量情況將使用高靈敏度，從而增大了流量測量的動態範圍。
本發明的實施例另外提供了電容測量技術，尤其是，電容位移探針的新型幾何外形。通常地，目標的位移作為垂直於電容位移探針的距離來測量，該位移也可以作為與電容位移探針相切的距離而測量。參照圖11，這可以通過並排且兩個板130間具有均勻的間隙132地放置兩個板130，並在與運動(如箭頭136所示)相切的平面內放置在傳感器管132附近，如圖11所示。在一實施例中，板130將處於相同的電勢並且傳感器管134處於地電勢。傳感器管134直接定在兩個板130間的間隙132上，預期的運動136垂直於間隙，以便傳感器管134的循環運動將使管134對於一板130更靠近另一個板130。在每個板130與傳感器管134之間的相對電容被測量。隨著傳感器管134移過一個板130或另一個，對電容產生影響的面積量將變化，並從而測得相對電容。
一可替代的結構具有對角穿過傳感器管134延伸的間隙132，如圖12所示。這允許傳感器管134在板130平面上的較不精確的位移。與平行間隙相比，傳感器管134未對準將引起信號內較小的不匹配。
另一實施例具有如圖13所示的鋸齒圖形的間隙132。這是在對象間隙132在傳感器管134相對間隙132角度未對準方面上的改進，不論平行的或對象的，將在兩個板130間的電容變化率上產生偏差。這將在兩個信號間的相位上導致不期望的變化。鋸齒圖形將使傳感器管134的角度未對準中和，提供更好的對稱信號。
根據本發明實施例的示例性的低流量科裡奧利質量流控制器，該科裡奧利質量流控制器包括流量傳感器部分101和流量控制部分104。質量流控制器的內部或外部的處理器接收設定點或理想質量流的指標。設定點的值與如流量傳感器部分所指示的實際質量流相比較以產生誤差值。流量控制部分包括被操縱以調節流速並使誤差最小的值。對於掌握本公開文本優點的本領域技術人員，完成該特定控制系統將是日常任務，並由此，這種實現方式的細節將不在此詳細描述。
被殼體包圍的流量傳感器部分包括彎成環形的傳感器管、驅動裝置和定位在傳感管相對側面、測量傳感器管的各側面的位移的兩個拾取傳感器。
在現存的科裡奧利裝置中，傳感器一般封閉在一焊接的金屬殼體內。在殼體內的傳感器管也用通過饋入裝置連接到殼體外側的電路上的導線連接到其位移或速度傳感器上。在這種裝置內的傳感器管相對大，並具有大約為l00kHz的共振頻率。對於較小的傳感器管，如本發明實施例中的那樣，共振頻率較高，在200Hz或更高的數量級上。隨著頻率增加，由傳感器殼體內側的大氣狀況導致的粘性阻尼效應將增大。通過將殼體抽真空或在殼體內側利用真空適應材料，可以減小或甚至消除粘性阻尼。從而，在所示的示例性實施例中，傳感器管位於真空傳感器殼體內。
傳感器管被設計以允許與連接管的各環形腿部的線相正交的彈性彎曲。環形足夠寬以允許繞環形的中心線彈性扭曲。為了測量低流量的科裡奧利力，需要使傳感器管的質量最小。由於管需要為較小，而仍要能夠將流體保持在持續的壓力下，管的尺寸是關鍵的。也優選地是，拾取傳感器是非接觸的，是由於任何與管的接觸或加載在管上的質量將抑制科裡奧利力。
拾取傳感器技術可以包括電容的、磁性的、壓阻的以及光學的。壓阻應力計位移傳感器確實接觸管，但是在環形底部位移最小且應力最大的地方。這對管的振動具有最小的影響。光學技術包括各種雷射和白光幹涉測量位移技術、三角測量技術、多重內反射及光束遮掩技術，磁位移技術包括霍爾效應、渦流電流、可變阻抗及磁阻技術。
電容拾取傳感器技術因為它具有測量管位移所需的靈敏度而用於本實施例中，其為非接觸的，並不會被磁性驅動裝置影響。每個電容拾取傳感器包括至少一個連接到給定電勢並位於流量傳感器管附近以便在其間形成間隙的導電板。流量傳感器管連接到不同於導電板的電勢上。導電板和流量傳感器管之間的電容由於當流量傳感器管振動時導電板和流量傳感器管之間的相對運動而變化。
在所示的實施例中，導電板如上面參照圖11-13所述的包括第一和第二板。在所示的特定實施例中，採用如圖13所示的鋸齒形板。電容拾取傳感器組裝成大小能配裝在傳感器殼體內的一體的傳感器塊，尺寸上通過壓銷定位於殼體的後壁。電容拾取傳感器的導電板製造在多層印刷電路板上，以便提供一保護層以減小派生電容，並提供一用於焊接到傳感器塊上的背面接觸層。由於電容拾取傳感器需要在真空中工作，低漏氣的材料用於所示實施例中。標準玻璃纖維材料不是真空相適應的。理想的材料特性包括其為真空相適應的、可焊接、用低漏氣的粘結可粘結到多層上，並且其具有用於簡單保護層結構的低價電常數。在特定實施例中，使用了商業上通用的DRUOID。
包含電容拾取傳感器的傳感器塊可以被調整以優化相對傳感器管的空間。這是利用電子放電加工的鉸接板實現的。錐形安放的螺栓實現電容拾取傳感器的線性和角位移。此外，電容拾取傳感器的導電板包括使導線能焊接或粘結到使電容拾取傳感器與氣密封電接頭互連的傳感器塊前面的印刷電路板上的焊盤，該接頭與傳感器殼體外側的電容位移電路接合。
驅動裝置驅動管成為彎曲模式振動，使其振動。在所示的實施例中，驅動裝置由焊接到傳感器管上的小磁鐵和交替地推或拉磁鐵的小的電磁線圈構成。在根據本發明的一個實施例中，非稀土磁鐵，且更具體地說，使用鍍鎳的釤鈷磁鐵。釤鈷磁鐵具有良好的磁性強度對重量比。在這個實施例中，磁鐵重量大約為20mg。磁鐵定位在傳感器管的頂部、中部，以便磁極平行於管的優選位移方向指向。
線圈位於傳感器殼體的外側，與電路板相連。傳感器殼體為非磁性的並從而對於磁場透明。線圈為一與環形線圈相對的開口線圈型式。在這個實施例中線圈為商業上通用的額定至少為1mH的能量感應器。線圈的中心軸被定向於垂直磁體的表面。傳感器管利用通過鎖相迴路功能反饋到線圈驅動電路的來自一個電容拾取傳感器的信號而驅動共振。該功能可以由電路或在軟體中實現。
傳感器管安裝到形成流入口和流出口的底部，以便提供一從入口、經過流量傳感器管、經過流量控制部分、並經過傳感器流出口的流動通道。流量控制部分包括具有位於其內的閥門線圈和線圈蓋的儀表主體。閥杆和活塞位於閥門線圈之內，而閥門體與儀表主體相連，他們之間有密封件。閥門座、彈簧以及孔口位於閥門體之內。端部塊位於流量控制部分的每端，密封件設置在在儀表主體和端部塊之間以及閥門體和端部塊之間。在一實施例中，密封件包括電鑄的鎳密封件。
在示例性的實施例中，科裡奧利質量流控制器按以下方式組裝。儀表主體和傳感器殼體以及底板、中央支柱及傳感器管通過空間上將傳感器管定位到傳感器殼體的壁上的定位器組裝並固定到位。所剩零件由壓銷(press pin)定位。這些零件然後釺焊成一個單元。磁鐵焊接到傳感器管上。這些傳感器塊利用壓銷組裝並安裝到傳感器殼體之內。該壓銷穿過傳感器殼體的背面約0.5mm。一氣密接頭壓在傳感器殼體的背面開口內。傳感器塊壓銷和氣密密封的接頭被雷射焊接以提供防漏氣的密封。蓋真空環境中放置在傳感器殼體的前側上並電子束焊接到位，提供真空密封環境。
所剩閥門元件及端部塊然後與儀表主體組裝。可以使用電鑄鎳密封件，或為標定目的使用彈性O形圈，然後用鎳密封替代。電路組裝並安裝在完成的組件中。O形圈安裝在底板上，且殼體壓在O形圈密封件上。在底板上的凸輪鎖旋轉以鎖住殼體。O形圈安裝在電路遮蓋蓋板上。電路蓋板定位在用戶接口連接器上。電路蓋板在殼體上壓入位以作用在O形圈密封件上。然後測試並標定被組裝的質量流控制器。
示例性的科裡奧利質量流控制器具有模塊化結構，這提供了諸多益處。如上所述，電路封裝被設計成作用在流量控制器主體上的O形密封圈(在殼體的下端和底板之間)並在頂部使用用戶接口蓋板(在殼體的上端和電路蓋板之間)。電路蓋板連接到科裡奧利質量流控制器內部的用戶接口板，其也連接到傳感和控制電路。電路蓋板和用戶接口板一同形成了用戶電路接口。這為根據用戶需求構造接口提供了靈活性，而無需對於每個用戶結構設計不同的傳感和控制電路和殼體。
例如，用戶接口蓋板的變型將具有密封件的電導管，以提供符合IP-65/NEMA4X的裝置。相比較，根據本發明的一個實施例的裝置包括連接到用戶接口板上的接頭。根據本發明的一個實施例，電路蓋板337被延伸以提供用於特定應用所需的附加元件的空間。
O形密封殼體的另一其特徵在於其提供了三級流體密封，傳感器管為初級流體密封而傳感器殼體為次級密封。
在被控制的流體中存在氣泡的情況下，圍繞在傳統閥內的活塞的環形開口限制了氣泡通過而到達閥的出口。氣泡將收集在環形開口的進口處以致液體流動受到限制且流量控制失效的程度。如果環形開口被擴大，活塞距閥線圈增大的空間將減小磁路內的場強，並從而減小了為了開啟或關閉閥而抵抗由流體產生的液力所要達到的力。從而，在所示的科裡奧利質量流控制器中，通過活塞設置一環形孔。環形孔與氣泡的形狀和大小相適應，允許氣泡更自由地穿過閥。這就減小了由氣泡造成的阻礙流動的可能性。穿過活塞中心的孔減小了對磁路的影響，因此保持了抵抗液力開啟和關閉閥的力。
對於普通的現存閥，閥活塞具有一由可變形材料製成的捕捉座(captiveseat)，當壓抵孔的接觸面時，該捕捉座將形成一密封件阻止水流。電磁型閥門在正常關閉情況下，可以由彈簧產生抵抗該座的力並被平衡以便電磁作用從孔的接觸面提升該座。電磁型閥門在正常開啟的情況下，抵抗該座的力由電磁作用產生，並且被平衡以便當移去磁場時彈簧從孔提升該座。該座的材料可以是彈性體的、塑料的或一可延展金屬。
一般優選地是由彈性變形取代塑性變形，以便密封件是可恢復的。另外，硬材料可以用於該座和接觸面，但他們要被製造成包括座和接觸面間高度配合表面的非常緊的公差。這是高成本的方法。座和接觸面之間的空間對閥的工作非常關鍵，是因為在活塞上的磁力與位移不是線性的。在正常開啟閥門情況下，活塞的正常位置以及座相對於接觸面的位置需要被優化，以便當座抵靠接觸面運動時提供最大的力，並同時在開啟位置允許水流大。在正常關閉閥情況下，座抵靠接觸面的力由彈簧產生。彈簧力需要足夠大以抵抗液力而關閉，此外還要最小化以允許磁力從接觸面提升座足夠的距離以使水流最大。
現有設備可以利用多種裝置調整座和接觸面之間的空間，包括在接觸面或座之下放置墊片，或在孔口元件內具有一螺紋調整螺栓。然而，如圖14A所示，在孔口內的典型的螺紋調整件在孔口體250和閥體252之間未密封，在各螺紋件256之間留下一洩漏路徑254。這種螺紋調節件需要密封住流體洩漏的螺紋件256。諸如O形圈或墊圈的單獨的密封件提供了這種密封。
根據本發明的各方面，孔口和/或接觸面由塑料材料製成，如
，其可以加工成具有精確孔口的螺紋元件。如圖14B說明的示例性實施例中所示，螺紋256過尺寸加工以便在孔口體250和閥體252之間存在一幹涉配合258，從而密封，並消除了單獨密封件(O形圈或墊圈)的需要。現在孔口接觸面為可變形元件，簡化了閥座和活塞的設計和加工。
然而，本發明不必局限於任何特定的閥門活塞結構。在可替代的實施例中，一泵用在閥的位置，例如一計量泵可用於流體控制的目的。尤其是，可以採用包括多個壓電管部分的壓電泵。壓電管部分以使不同壓電管部分收縮或膨脹的方式加以控制，從而使水流按需要的被控制。
上述特定實施例只為說明目的，是由於對於掌握了本發明的益處的本領域技術人員，可以對本發明進行修改並應用於不同型式。此外，除了權利要求所述的之外，不對在此所示的結構或設計加以限制。因此，上述公開的特定實施例可以進行修改，且所有這種變動被認為是處於本發明的精髓和範圍內，於是在此要求的保護如權利要求中所述。
權利要求
1.一種科裡奧利質量流控制器，包括
流量傳感器管；
相對流量傳感器管定位的驅動裝置，以便引起流量傳感器管振動；
相對流量傳感器管定位的位置傳感裝置，以便測量在流量傳感器管內由科裡奧利力造成的扭曲；以及
適於接收來自流量傳感器管的流體的流量控制裝置。
2.如權利要求1所述的科裡奧利質量流控制器，其特徵在於，流量控制裝置包括閥，所述閥包括
閥座；
適於密封住所述閥座的活塞，所述活塞確定了至少一個穿過其延伸的孔，以便在活塞未落座於閥座上時，建立通過活塞的流體流動路徑。
3.如權利要求1所述的科裡奧利質量流控制器，其特徵在於，流量控制裝置包括泵。
4.如權利要求3所述的科裡奧利質量流控制器，其特徵在於，所述泵包括計量泵。
全文摘要
一種科裡奧利質量流控制器，包括流量傳感器管；相對流量傳感器管定位的驅動裝置，以便引起流量傳感器管振動；相對流量傳感器管定位的位置傳感裝置，以便測量在流量傳感器管內由科裡奧利力造成的扭曲；以及適於接收來自流量傳感器管的流體的流量控制裝置。
文檔編號G05D7/06GK101533278SQ200910128720
公開日2009年9月16日 申請日期1999年12月7日 優先權日1998年12月8日
發明者麥可·J·巴傑, 約瑟夫·C·迪爾, 傑弗裡·L·懷特利, 蒂莫西·W·斯科特 申請人:埃莫森電器公司