用於大質量流量測量的小規格科裡奧利流量計的製作方法
2023-10-04 23:00:54 2
專利名稱：用於大質量流量測量的小規格科裡奧利流量計的製作方法
技術領域：
本發明涉及科裡奧利(Coriolis)流量計。更具體而言，本發明涉及通過使用帶有一套支撐板和一大體半圓弧的流量管來減小科裡奧利流量計的標記(flag)尺寸。再具體而言，本發明涉及各部件的結構，這些部件通過保持零穩定性和減少流量管的振動幅度來減少作用於支撐板上的壓力。
存在問題眾所周知，用科裡奧利質量流量計測量質量流量和流經管道的材料的其它信息已公開於1985年1月1日授予J.E.Smith的美國專利4,491,025和1982年2月11日授予了J.E.Smith的專利31,450中。這些流量計有一個或多個弧形結構的流量管。科裡奧利質量流量計的每個流量管結構有一套自然振動模式，它可以是單一的彎曲扭轉型或耦合型。每個流量管在其中一種自然模式中因驅動而產生共振。振動的材料填充系統的自然振動模式一部分取決於流量管和流量管中的材料的總質量。材料從與流量計入口側相連接的管道流入流量計，而後材料被導經流量管，並從流量計排出到與其出口側相連接的管道。
驅動器對流量管施加作用力，以促使流量管以所希望的模式振動。正常情況下，所希望的振動模式是第一異相彎曲模式。當沒有材料流經流量計的時候，所有沿著流量管的點以同等的相位振動。當材料開始流入的時候，科氏加速度使每個點沿著流量管以不同於其它點的相位振動。流量管入口處的相位滯後於驅動器，而出口處的相位領先於驅動器。檢測器設置於流量管上以產生正弦信號，該正弦信號表示流量管的動作。兩個檢測器信號之間的相位差與流經流量管的材料的質量流速成比例。與檢測器相連的電子裝置部件利用相位差和信號頻率來決定材料的質量流速和其它特性。
科裡奧利流量計優於其它質量流量測量設備的優點是，在正常情況下，採用流量計計算材料的質量流速的誤差小於0.1％。其它常規型式的質量流量檢測設備，例如測流孔、渦輪機(turbine)、和渦流流量計，通常有0.5％或更大的流速測量誤差。雖然科裡奧利質量流量計比其它型式的質量流速設備更精確，科裡奧利流量計的製造更昂貴。流量計的用戶經常選擇更便宜的流量計，以節約成本的目的喪失對精確度的要求。所以，科裡奧利流量計的製造商希望能夠生產成本較低並且實際質量流速的精確度在0.5％誤差之內的科裡奧利流量計，以生產出比其它質量流速測量設備更有競爭力的產品。
科裡奧利流量計比其它設備更昂貴的一個原因是需要各部件減少作用於流量管上的不必要的振動。其中的一個部件是集合管，它將流量管連接在管道上。在一個雙管的科裡奧利流量計中，集合管還將管道中的材料流分成兩股不同的流並將它們導入不同的流量管中。為了減少由外部(例如連接於管道上的泵)造成的振動，集合管必須有足夠的強度去吸收振動。大多數常規的集合管由鑄造金屬製成以便有足夠的質量。進一步來說，在集合管之間有一個間隔確定裝置，以保持入口和出口集合管之間的距離。這個間隔確定裝置同樣是由金屬或其它堅硬的材料製成，以防止外部的力振動流量管。大量用於製造這些鑄件的金屬提高了流量計的成本。然而，不必要振動的消除大大提高了流量計的精確度。
對於本領域的技術人員來說，第二個問題在於流量計的標記尺寸過大，導致在某些情況下無法運用。為了這次討論的目的，標記尺寸是流量管環圈從管道向外延伸的長度。當空間大小受限制或空間大小很寶貴的時候，帶有正常標記尺寸的流量計不適合這些受限制的空間。
具體問題是減小處理大流速的科裡奧利流量計中的流量管的標記尺寸。為了這次討論的目的，大流速為每分鐘700磅或更多。減小標記尺寸的一個原因是處理大流速流量計中的流量管必須有大的直徑。大直徑流量管比小直徑流量管有更高的驅動頻率，並且當減小標記尺寸時更難設計。在製造小標記尺寸時大直徑流量計會導致零穩定性的問題。由於這些原因，特別的問題是製造一個能夠處理大流速的雙流量管科裡奧利流量計。
技術方案在本發明中，上述和其它的問題能夠得到解決，更先進的技術是製造帶有小標記尺寸的科裡奧利流量計。本發明的科裡奧利流量計有能夠處理大質量流速的流量管。本發明的科裡奧利流量計不帶有常規的集合管和間隔確定裝置。代替它們的是基本上環繞著集合管的間隔確定裝置。這種結構減少了流量計的成本。本發明的科裡奧利流量計還具有小標記尺寸，它使本發明的科裡奧利流量計能使用在空間寶貴的區域和不能使用常規標記尺寸的常規科裡奧利流量計的地方。
減小流量管的標記尺寸是通過在流量管的入口端和出口端之間形成基本上成半圓弧的流量管。這個基本半圓的弧減小了流量管的升高， 以降低標記高度。為了增加流量計的精確度，半圓弧的整個長度必須振動。
驅動器安裝於流量管上，其在每個流量管半圓弧上的位置基本上垂直於包括流量管進口端和出口端的平面。驅動器安裝於此位置是為了使驅動器作用於流量管的能量最大化，使流量管產生振動。驅動信號作用於驅動器上以使流量管以低幅度振動，以減少作用於安裝在流量管上的支撐板的壓力。驅動器必須使流量管以高於常規流量管的頻率振動。
為了分開流量管振動時的振動模式，第一個支撐板安裝於流量管上靠近入口端的位置，第二個支撐板安裝於流量管上靠近出口端的位置。支撐板是金屬部件，基本上安裝於每個流量管的相同位置上。
為了檢測振動流量管中的科氏效應，傳感器安裝於流量管上，它的位置使之能夠檢測到低幅度振動的最大科氏力。這樣可以利用低幅度振動來減少作用於支撐板上的壓力。
入口集合管和出口集合管可以安裝於流量管的入口端和出口端，以將流量管連接於管道。每個集合管是單獨鑄造的部件，以減少材料成本。每個集合管可以有一個流量路徑，它大致彎曲90度以將大體半圓弧的入口端和出口端連接到管道。
間隔確定裝置安裝於每個集合管，以保持各集合管之間的距離。間隔確定裝置的結構有四個帶有相對端部的面，端部安裝於入口和出口集合管。間隔確定裝置包圍著一個中空凹腔。這減少了用於鑄造集合管和間隔確定裝置的材料量。間隔確定裝置頂部的開口使得集合管與從間隔確定裝置向外伸出的流量管半圓弧連接。
間隔確定裝置的頂端可安裝一個外殼以包圍流量管。所存在的問題是外殼可能以與流量管振動頻率相近的頻率共振。這會產生不能精確辨認流經流量管的材料的特性的問題。為了改變外殼的共振頻率，一個物體可安裝於外殼上以改變外殼的共振頻率。
附圖描述上述和其它的特徵可從下面的附圖和其具體的描述中得到理解
圖1示出具有小標記尺寸的科裡奧利流量計；圖2示出本發明的科裡奧利流量計安裝於一個間隔確定裝置；以及圖3示出科裡奧利流量計安裝於一個間隔確定裝置並被包圍於一個外殼中。
詳細描述科裡奧利流量計的整體—圖1圖1示出科裡奧利流量計5，它包括流量計檢測器10和流量計電子裝置20。電子裝置20通過導線100連接於檢測器10，提供通過路徑26的密度、質量流速、體積流速、總質量流量、溫度和其它信息。對於本領域的技術人員來說，本發明明顯可用於任何類型的科裡奧利流量計5，無論驅動器的數量、傳感檢測器的數量、振動的操作模式如何。進一步來說，本發明可用於任何振動兩個流量管103A-103B的系統，以測量當材料流經流量管時的科氏效應，而後使用科氏效應來測量材料的特性。
流量計檢測器10包括一對凸緣接頭101和101』；集合管102-102』；流量管103A和103B；支撐板120-121；驅動器104；和傳感器105和105』。凸緣接頭101-101』安裝於集合管102-102』。集合管102-102』安裝於流量管103A-103B的相對端部。支撐板120-121安裝於下述的流量管103A-103B。驅動器104安裝於流量管103A-103B，其位置可使驅動器驅動流量管103A-103B沿相反的方向振動。傳感器105-105』安裝於流量管103A-103B的相對端部，以檢測在流量管103A-103B相對端部振動的相位差。
凸緣接頭101和101』安裝於集合管102-102』，並將流量管103A和103B連接到管道(未顯示)。當流量計檢測器10插入帶有被檢測材料的管道系統中(未顯示)時，材料通過入口凸緣接頭101進入流量計檢測器10，材料總量由入口集合管102分為兩股流並被等同地導入流量管103A和103B中。而後材料經流量管103A和103B進入將分股合流的出口集合管102』。材料而後經出口凸緣接頭101』從檢測器10流出。集合管102和102』由最少量的材料製成。
流量管103A和103B經選定並適當安裝於入口集合管102和出口集合管102』，以基本上具有相同的質量分布、慣性矩、和繞彎曲軸線W-W與W』-W』的彈性模量。流量管從集合管向外延伸，基本上與其成平行狀。
流量管103A-B由驅動器104以相對於彎曲軸線W和W』的反向相位和流量計的第一個異相彎曲模式進行驅動。驅動器104可以為許多眾所周知的裝配形式之一，例如安裝於流量管103A的磁鐵和安裝於流量管103B的反向線圈。交流電通過反向線圈，使兩個流量管103A-B產生振動。適當的驅動信號是由流量計電子裝置20經由導線110作用於驅動器104的。圖1的描述僅僅作為科裡奧利流量計運作的一個例子，不作為對本發明的限制。
流量計電子裝置20接收到分別顯示在導線111和111』上的右邊和左邊速度信號。流量計電子裝置20同時在導線110上產生驅動信號，使驅動器104振動流量管103A和103B。本發明能夠對多個驅動器產生多個驅動信號。流量計電子裝置20處理左邊和右邊的速度信號，以計算質量流速。路徑26提供了使流量計電子裝置20由操縱者控制的輸入和輸出裝置。流量計電子裝置20的內部部件是常規的。因此，為了簡便，流量計電子裝置20的完整描述在此省略。
科裡奧利流量計檢測器10的結構使得流量管103A-103B在將讀數的精度保持在實際質量流速0.5％內的情況下，具有一個小的標記尺寸。標記尺寸是流量管環圈從與它垂直並包括相連管道的平面向外延伸的長度。科裡奧利流量計檢測器10結構的第二個優點是可使用成本低的集合管和間隔確定裝置。
為了減小標記尺寸，流量管103A-103B在入口端151-151』和出口端152-152』之間有一個大體上半圓形的弧150-150』。大體半圓的弧150-150』由於在流量管103A-103B中形成了一個連續的弧線而減小了標記尺寸。大體半圓的弧150必須被使用，以便使流量管103A-103B形成足夠的直徑來處理流經科裡奧利流量計5的材料的大流速。為了將流量管103A-103B順序地接入管道，入口集合管102和出口集合管102』必須在流動路徑中基本上成90度彎曲，以將流體從管道導入大體半圓的弧150-150』中。
為了取得零穩定性和分開流量管103A-103B的振動模式，第一個支撐板120和第二個支撐板121安裝於流量管103A和103B。第一個支撐板120安裝於流量管103A-103B、靠近入口端151處，以連接流量管103A和103B，從而控制流量管103A-103B的振動。第二個支撐板121安裝於流量管103A-103B、靠近出口端152，以連接流量管103A和103B，從而控制流量管103A-103B的振動。在優選的示範實施方案中，第一個支撐板120和第二個支撐板121安裝於流量管103A-103B，在大體半圓的弧150上的間隔基本上成180度。
驅動器104安裝於流量管103A和103B，其在半圓弧150上的位置基本上是處於流量管103A-103B的入口151和出口152之間的中點。這個位置使得驅動器104使用最小的能量而對流量管103A-103B施加最大的力。驅動器104通過路徑110從流量計電子裝置20接收信號，使驅動器104以所希望的幅度和頻率振動。在優選的示範實施方案中，振動頻率基本上等同於流量管103A-103B的第一個異相彎曲模式，這是一個比常規的科裡奧利流量計更高的頻率。為了減少來自高頻率的應力，我們希望在優選示範實施方案中保持低振動幅度。
為了使流量管103A-103B以高頻率和低幅度振動，傳感檢測器105-105』必須安裝於流量管103A-103B上，其位置必須能夠檢測到流量管103A-103B中的最大振動量。這使得傳感檢測器105-105』能檢測到由流經材料所產生的科氏力的最大效應。在優選實施方案中，傳感檢測器安置於與W-W'軸線基本上成30度角的位置。然而，當使用常規電子裝置驅動流量計的時候，傳感檢測器可安置於與W-W'軸線成25度至50度的任何位置。安裝於集合管102和102』的間隔確定裝置—圖2圖2示出一間隔確定裝置200，它安裝於流量計檢測器10。間隔確定裝置200在入口集合管102和出口集合管102』之間保持一個恆定距離。不同於科裡奧利流量計中的常規間隔確定裝置，間隔確定裝置200是由最少量的材料製成的。間隔確定裝置200在相對兩端具有方形端部190-191。在優選示範實施方案中，方形端部190-191被鑄造為在集合管102-102』中的方形板。由分隔層201-202代表的四個分隔層連接該方形板190-191的各邊緣，形成一個封閉件。開口210使得流量管103A-103B的大體半圓的弧150-150'從間隔確定裝置200中伸出。流量管103A-103B的外殼—圖3圖3示出用於包圍流量管103A-103B(如圖1所示)的外殼300。外殼300結構的內部是中空的，與流量管103A-103B相吻合，並且以焊接或螺母與螺栓的方式安裝於間隔確定裝置200。外殼300阻止空氣進入封閉件。
外殼300共振的頻率可以基本上與流量管103A-103B所希望振動模式的頻率相同。如果這樣，我們希望可以改變外殼300的共振頻率，以防止錯讀流量管103A-103B的振動。一個技術方案是將材料體301安裝於外殼300的基本上平坦的部分302上。本領域的技術人員會辨別出此材料體是附加在外殼300上的一部分。
上述是關於具有最小標記尺寸的科裡奧利流量計的描述。本領域的技術人員可以設計其它的科裡奧利流量計，其從字面上而言或通過等同原理侵犯了下述權利要求中的本發明。
權利要求
1.一種具有小標記尺寸的科裡奧利流量計(5)，包括第一個流量管(103A)；第二個流量管(103B)；一個大體半圓的弧(150-150』)，它處於各第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)的入口端和出口端之間；一個驅動器(104)，它安裝於第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)上，其位置處在基本垂直於第一個和第二個流量管的彎曲軸線的大體半圓的弧上，在此，驅動器驅動第一個流量管和第二個流量管朝相反的方向振動；安裝於第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)上靠近入口端處的第一個支撐板(120)；安裝於第一個流量管和第二個流量管上靠近出口端處的第二個支撐板(121)；以及安裝在第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)上的傳感檢測器(105-105』)，其位置使傳感檢測器能夠檢測到最低幅度振動下的最大科氏力。
2.權利要求1的科裡奧利流量計，其特徵在於，還包括一個入口集合管(102)，它安裝於第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)的入口端，以將第一個流量管(103A)和第二個流量管連接到管道。
3.權利要求2的科裡奧利流量計，其特徵在於，還包括一個處在通過入口集合管的流動路徑中的基本成90度的彎頭。
4.權利要求1的互補流量管，其特徵在於，還包括一個出口集合管(102』)，它安裝於第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)的出口端，以將第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)連接到管道。
5.權利要求4的科裡奧利流量計，其特徵在於，還包括一個處在通過出口集合管的流動路徑中的基本成90度的彎頭。
6.權利要求1的科裡奧利流量計，其特徵在於，還包括一個入口集合管(102)，它安裝於第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)的入口端，以將第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)連接到管道；一個出口集合管(102』)，它安裝於第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)的出口端，以將第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)連接到管道；以及一個間隔確定裝置(200)，它安裝於入口集合管和出口集合管，以在入口集合管和出口集合管之間保持恆定的距離。
7.權利要求6的科裡奧利流量計，其特徵在於，所述的間隔確定裝置包括一個入口端(190)，它安裝於入口集合管(102)；一個出口端(191)，它安裝於出口集合管(102』)；在入口端和出口端之間的一個頂面(202)，一個底面(204)，一個前面(201)，和一個後面(203)；以及貫穿間隔確定裝置(200)的頂面(202)的開口(210)，第一個流量管(103A)和第二個流量管(103B)通過間隔確定裝置(200)安裝於所述入口和出口集合管。
8.權利要求7的科裡奧利流量計，其特徵在於，還包括一個外殼(300)，它包圍著安裝於間隔確定裝置頂面上的所述第一個流量管和第二個流量管。
9.權利要求8的科裡奧利流量計的外殼，其特徵在於，包括一個前側壁；一個後側壁；以及一個安裝於所述前側壁和後側壁上的材料體，以改變外殼的振動模式。
10.權利要求1的科裡奧利流量計，其特徵在於，所述傳感檢測器的位置與所述第一個和第二個流量管的彎曲軸線基本上成25-30度角。
11.權利要求10的科裡奧利流量計，其特徵在於，所述傳感檢測器的位置與所述第一個和第二個流量管的彎曲軸線成30度角。
全文摘要
一個科裡奧利流量計檢測器(5),它能夠處理大的質量流速,並有小標記尺寸。為了減少標記尺寸,流量管(103A－103B)在入口和出口之間形成一個大體半圓的弧(150)。支撐板(120－121)安裝於流量管上靠近入口和出口處,以分開流量管的振動頻率。傳感檢測器(105－105』)安裝於流量管的大體半圓弧(150)上,其位置使得檢測器對要求具有小標記尺寸的流量管(103A－103B)的低幅度和高頻率振動的檢測能力達到最大化。
文檔編號G01F1/84GK1335934SQ00802473
公開日2002年2月13日 申請日期2000年10月17日 優先權日1999年10月29日
發明者M·T·克裡斯菲爾德, J·R·麥卡斯 申請人:微動公司