ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОЙ СКОРОСТИ ТЕКУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01F1/84 

Известно, что проходящая через вибрирующий циркуляционный трубопровод жидкость вызывает образование сил Кориолиса, которые стремятся скрутить трубопровод в направлении, по существу поперечном направлению потока жидкости, а также и оси, вокруг которой происходит вибрирование или колебание. Известно также, что величина таких сил Кориолиса связана как с массовой скоростью потока проходящей по трубопроводу жидкости, так и с угловой скоростью, с которой происходит колебание трубопровода.

Одной из основных технических проблем, исторически связанной с попытками сконструировать и создать приборы для измерения массовой скорости потока Кориолиса, была необходимость либо точного измерения, либо точного регулирования угловой скорости вибрируемого трубопровода с таким расчетом, чтобы массовую скорость потока проходящей через трубопроводы жидкости можно было рассчитать на основе результатов измерения эффектов, вызываемых силами Кориолиса. Даже в том случае, когда имеется возможность с высокой степенью точности измерить или регулировать угловую скорость трубопровода для потока жидкости, то и тогда все еще оставалась другая важная техническая проблема, а именно проблема точного измерения величины эффектов, вызываемых силами Кориолиса. Эта проблема возникает, в частности, из-за того, что величина генерируемых сил Кориолиса будет очень небольшой по сравнению с другими силами, например, инерцией и демпфированием, и поэтому конечные вызываемые силой Кориолиса эффекты будут очень незначительными. Более того, из-за небольшой величины сил Кориолиса образующиеся от внешних источников эффекты, например, обусловленные близким расположением какого-то машинного оборудования или гидравлическими ударами в линиях транспортировки жидких сред вибрации, могут явиться главной причиной ошибочных определений массовых скоростей потока. Такие источники ошибок, как прерывности в циркуляционных трубах, недостаточно устойчивый монтаж самих труб, использование труб с явно недостаточным воспроизводимым изгибающим поведением из-за их специфических механических свойств и т.д. довольно часто полностью маскируют эффекты, вызываемые образованными силами Кориолиса, что естественно значительно снижает эффективность и практическую ценность использования приборов для измерения массового расхода.

Механическая конструкция и способ измерения, которые среди прочих преимуществ отличаются тем, что (а) устраняют необходимость в измерении или регулировании величины угловой скорости вибрирующего циркуляционного трубопровода в случае использования прибора для измерения массовой скорости потока Кориолиса; (б) совместно обеспечивают требуемые чувствительность и степень точности измерения эффектов, вызываемых силами Кориолиса, и (в) сводят к минимуму восприимчивость к многим ошибкам, которые были типичны для уже известных приборов для измерения массовой скорости потока, раскрываются в патентах США NN Re 31450, озаглавленном "Способ и устройство для измерения скорости потока" и выданным 29 ноября 1983 г., 4422338, озаглавленным "Способ и устройство для измерения скорости потока" и выданным 27 декабря 1983 г. и 4491025, озаглавленным "Устройство для измерения массовой скорости потока с параллельным потоком сил Кориолиса" и выданным 1 января 1985 г. Раскрываемые в этих патентах механические устройства объединяют изогнутые непрерывные циркуляционные трубопроводы, в которых нет чувствительных к давлению соединений или секций, например, сильфонов, резиновых соединительных элементов или прочих деформируемых в условиях давления частей. Эти циркуляционные трубопроводы прочно закрепляются на своих впускных и выпускных концах, причем их изогнутые части заделаны одним своим концом в опоре. Например, в устройствах для измерения скорости потока по упомянутым выше патентам трубопроводы привариваются или припаиваются твердым припоем к опоре, чтобы они колебались пружинистым образом вокруг осей, которые располагаются по существу рядом с цельными монтажными точками установки трубопроводов, или, как это описано в патенте США N 4491025, по существу в точках прочно закрепленных пластин, предназначенных для жесткого крепления двух или более трубопроводов в точках, расположенных перед монтажными точками.

За счет придания подобной конфигурации циркуляционным трубопроводам и при каких-то условиях потока жидкости возникает механическая ситуация, в которой противодействующие образованным силам Кориолиса в вибрирующихся трубопроводах силы будут по существу линейными пружинящими силами. Силы Кориолиса, которым противодействуют по существу линейные пружинящие силы, отклоняют или скручивают вибрирующие трубопроводы, по которым проходит жидкость, вокруг осей, расположенных между и в основном на одинаковом расстоянии от тех частей упомянутых трубопроводов, в которых обнаруживаются силы Кориолиса. Величина подобных отклонений будет функцией величины образованных сил Кориолиса и линейных пружинящих сил, противодействующих образованным силам Кориолиса. Кроме того, эти прочно установленные непрерывные трубопроводы спроектированы таким образом, чтобы они имели резонансные частоты вокруг осей вибрации (которые располагаются по существу в точках расположения пластин жесткого крепления), причем эти частоты отличаются и предпочтительно должны быть ниже резонансных частот вокруг осей, относительно которых действуют силы Кориолиса.

В соответствующей литературе уже были описаны различные специфические формы прочно закрепленных изогнутых циркуляционных трубопроводов. В частности, в патенте США N Re 31450, колонка 5, строки 10-11 описываются в общем-то U-образные трубопроводы, "которые снабжены опорами, которые по существу сходятся, расходятся или просто скошены". Известны также прямые прочно закрепленные трубопроводы, которые работают на основе тех же общих принципов, что и изогнутые трубопроводы.

Как уже отмечали выше, силы Кориолиса образуются тогда, когда жидкость проходит через трубопроводы, которые в этот момент начинают вибрировать или колебаться. Следовательно, в условиях потока жидкости одна часть такого трубопровода, на которую воздействуют силы Кориолиса, будет отклоняться (т. е. будет скручиваться), чтобы продвинуться вперед по направлению продвижения самого напорного трубопровода и как бы выйти вперед по отношению к другой части трубопровода, на которую в данный момент воздействуют силы Кориолиса. Временная или фазовая зависимость между тем, когда первая часть вибрирующего трубопровода, отклоненная силами Кориолиса, уже прошла предварительно выбранную точку на траектории вибрирования трубопровода, и до момента, когда вторая часть этого же трубопровода проходит соответствующую предварительно выбранную точку на этой же траектории, является функцией массовой скорости потока жидкости, проходящей через трубопровод. Эту временную разность можно измерить с помощью различных датчиков, в том числе с помощью оптических датчиков, которые раскрываются в уже упоминавшемся патенте США N Re 31450, с помощью электромагнитных датчиков скорости, которые описываются в патентах США NN 4422338 и 4491025, или с помощью датчиков позиции либо ускорения, которые также раскрываются в патенте США N 4422338. В патенте США N 4491025 описывается вариант двойного циркуляционного трубопровода с параллельными маршрутами потока жидкости и с датчиками для измерения временной разности. В этом последнем варианте используется конструкция прибора для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса, которая работает по принципу камертона.

В упомянутых выше конструкциях измерительного прибора датчики обычно устанавливаются в симметрично расположенных позициях вдоль впускных и выпускных частей циркуляционного трубопровода, которые гарантируют приемлемую чувствительность, которая и дает возможность соответствующим датчикам выполнять измерения, которые выдают результаты относительно массовой скорости потока с точностью в пределах ± 0,2%.

Пользователи этих приборов вполне удовлетворены чувствительностью и степенью точности этих приборов, но хотели бы дальнейшего их совершенствования в плане их общей устойчивости, включая нулевую устойчивость, чтобы можно было свести к минимуму техобслуживание и профилактический ремонт этих приборов в заводских условиях, в частности повторную калибровку этих приборов. Как правило, неустойчивость измерительных приборов является результатом восприимчивости таких приборов к нежелательной передаче механической энергии от источников, которые будут внешними по отношению к этим приборам. Подобные воздействия могут также оказать отрицательное влияние на нулевую (т.е. измеренное значение без потока жидкой среды) устойчивость расходомеров или приборов для измерения массовой скорости потока.

Дальнейшим шагом на пути дальнейшего совершенствования таких трубопроводов является увеличение продолжительности сроков службы трубопроводов за счет еще большего сокращения возможных источников и причин усталостного разрушения. Точно также и создание герметичных воздухонепроницаемых корпусов для измерительных приборов расширит сферу их применения для работы с вредными и опасными материалами при довольно значительных давлениях, которые иногда могут достигать 1000 фунтов на кв. дюйм (70,3 кг/см²) или даже выше. Однако и в случае уравновешивания и сбалансирования достижимого номинального давления с соображениями себестоимости изготовления такого корпуса, его практическое использование в описанных выше ситуациях даст возможность поддерживать номинальное давление вокруг этого измерительного прибора по меньшей мере на уровне 300 фунтов на кв. дюйм (21,09 кг/см²) для трубопроводов с внешним диаметром примерно до 2,5 дюймов (63,5 мм), а для трубопроводов большего внешнего диаметра - на уровне до 150 фунтов на кв. дюйм (10,5 кг/см²).

Краткое изложение сущности изобретения.

Настоящее изобретение относится к улучшениям прибора для измерения массовой скорости потока, который отличается значительно более высокой общей устойчивостью, включая пониженную восприимчивость к воздействию внешних сил и повышенную нулевую устойчивость, пониженные характеристики перепада давления и повышенную стойкость к воздействию гидравлических давлений. Внесение ряда конструктивных изменений в приборы для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса, которые изготовляли по технологии одного или нескольких из упомянутых выше патентов, имело своим конечным результатом оптимизацию уже известных положительных признаков и рабочих характеристик.

Настоящее изобретение относится к приборам для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса, которые включают в себя один или более трубопроводов, которые приводятся в колебательное движение или просто вибрируют на резонансной частоте трубопровода, содержащего протекающую по нему жидкость. Частота возбуждения поддерживается на этом резонансе с помощью системы обратной связи, которая более детально будет описана ниже и которая обнаруживает любое изменение в резонансном поведении заполненного жидкостью трубопровода в виде результата изменения массы жидкости, обусловленного изменениями в плотности жидкости. Трубопроводы этих приборов для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса (или просто потока Кориолиса) устанавливаются с таким расчетом, чтобы они колебались вокруг оси колебания, расположенной по существу в точках крепления трубопровода или в точке расположения пластин жесткого крепления. Резонансная частота колебания является частотой, прямо связанной с осью колебания. Циркуляционный трубопровод также деформируется (скручивается) вокруг второй оси, которая является той осью, вокруг которой отклоняется или скручивается трубопровод в ответ на силы Кориолиса, образуемые в результате прохождения потока жидкости через вибрирующий или колеблющийся трубопровод. Эта последняя ось, которая связана с вызываемыми силой Кориолиса отклонениями, будет по существу поперечна оси колебания.

Настоящее изобретение предусматривает создание улучшенного прибора для измерения скорости потока с повышенной устойчивостью и пониженной восприимчивостью к влиянию внешних сил главным образом благодаря оптимальному расположению датчика, о чем подробнее будет сказано ниже. Другие улучшения, которые внесли свой вклад в повышение общей устойчивости улучшенного измерительного прибора, включают в себя как минимум четырехкратное уменьшение массы датчиков и задающего устройства.

В предпочтительном варианте изобретения используется модифицированная U-образная конструкция циркуляционного трубопровода, снабженная двумя по существу прямыми впускными и выпускными ветвями, которые сходятся по направлению друг к другу в коллекторе технологической линии, и изгибами в двух симметричных точках вдоль длины трубопровода, разделенных по существу прямой средней частью. Следует также иметь в виду, что некоторые модифицированные U-образные циркуляционные трубопроводы будут иметь сходящиеся впускные и выпускные ветви, которые разделяются непрерывно искривленной средней частью, а не прямой средней частью, и что некоторые эти трубопроводы будут иметь по существу параллельные впускные и выпускные ветви, что будет соответствовать современным промышленным вариантам. К каждому циркуляционному трубопроводу в симметричных точках крепятся два датчика движения, которые располагаются с таким расчетом, чтобы можно было намного уменьшить их восприимчивость к внешним силам сигналов, которые эти датчики обнаруживают и передают в электронные схемы измерительного прибора, по сравнению с восприимчивостью уже известных промышленных приборов для измерения массовой скорости потока. По одному из предпочтительных вариантов изобретения это достигается за счет установки датчиков движения между, но насколько это возможно максимально близко к узловым точкам на каждой стороне трубопровода второго вида колебания, не совпадающего по фазе кручения, и третьего вида, не совпадающего по фазе изгибания циркуляционной трубки, и за счет расположения задающего устройства на одинаковом расстоянии от упомянутых датчиков. Масса датчиков движения плюс их монтажных средств и масса задающего устройства плюс его монтажных средств значительно уменьшаются по отношению к соответствующим частям приборов для измерения массовых скоростей потока, которые использовались до сих пор для промышленных целей. Восприимчивость трубопровода к усталостному разрушению можно уменьшить за счет создания и использования новых пластин жесткого крепления, снабженных новой ниппелеобразной монтажной втулкой, которая будет определять контур оси, вокруг которой будет колебаться каждый трубопровод, однако можно будет использовать и обычные пластины крепления, а в некоторых вариантах изобретения можно будет обойтись и вообще без использования пластин крепления. По одному из вариантов настоящего изобретения предпочтительной может оказаться сходящаяся U-образная форма, которая дает возможность образовать конструкцию коллектора слоистой конфигурации без фланцев и предназначенную для подсоединения к технологической линии, на которой хотят наладить постоянный контроль и наблюдение.

Настоящее изобретение предусматривает образование специального герметически заделанного и воздухонепроницаемого корпуса, который будет заключать в себя трубопровод, датчики движения, задающее устройство и связанные с ними электрические соединения.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1 - показан оптимизированный прибор для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса по настоящему изобретению.

Фиг. 1А - показана точка расположения датчиков движения, найденная на основе модального анализа, показанного на фиг. 1 варианта.

Фиг. 2 - показана новая факультативная конфигурация пластин жесткого крепления.

Фиг. 3 - показан оптимизированный прибор для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса по настоящему изобретению со слоистой конфигурацией коллектора частично внутри корпуса, показанного на фиг. 4.

Фиг. 4 - показана факультативная конструкция корпуса высокого давления.

Фиг. 5 - показана еще одна факультативная конструкция корпуса высокого давления, которая является предпочтительнее по соображению себестоимости и легкости изготовления.

Фиг. 6 - деталь показанного на фиг. 5 корпуса.

Подробное описание изобретения с ссылками на сопровождающие описание чертежи.

Основной признак настоящего изобретения - минимизация влияния внешних сил на устойчивость или стабильность измерительного прибора достигается за счет оптимального расположения датчиков и в ограниченной степени расположения пластин крепления. Уже было установлено, что в пределах диапазона частоты от 0 до 2000 Гц существуют в основном шесть видов колебания (вибрации), возбуждение которых вероятно сказывается на потери устойчивости измерительного прибора. Эти виды колебаний можно идентифицировать следующим образом: (1) первый вид совпадающего по фазе изгибания (более низкая частота по сравнению с частотой возбуждения), (2) первый вид не совпадающего по фазе изгибания, который соответствует основной частоте возбуждения, за исключением того, что частота возбуждения является собственной частотой жидкости, которая заполняет собой трубопровод (тогда как модальный анализ проводится на пустых трубопроводах), (3) первый вид не совпадающего по фазе кручения (также называется видом колебания кручения или отклонения), (4) второй вид не совпадающего по фазе кручения, (5) второй вид не совпадающего по фазе изгибания и (6) третий вид не совпадающего по фазе изгибания. Оптимальное размещение датчиков достигается на основе предварительного проведения модального анализа циркуляционного трубопровода с целью определения расположения двух узловых точек для каждого из шести видов колебания в данном трубопроводе и с целью установления на основе геометрии трубопровода его размера и материала изготовления тех узловых точек, от которых необходимо будет установить датчики на максимально возможном близком расстоянии. Например, для показанной на фиг. 1 геометрической конфигурации трубы результаты модального анализа ясно указывают на то, что датчики лучше всего расположить в интервале между вторым видом не совпадающего по фазе кручения и третьим видом не совпадающего по фазе изгибания на любой стороне циркуляционной трубы и как можно ближе к каждой из упомянутых узловых точек. Специалистам в данной области совершенно ясно, что в зависимости от геометрии и прочих характеристик трубы узловые точки для шести пронумерованных выше видов колебания можно располагать и иным образом относительно друг друга. В некоторых конфигурациях трубы могут фактически совпадать две или более узловые точки различных видов колебания, что дает возможность располагать датчики в точке совпадения и тем самым усиливать чувствительность циркуляционной трубы. Настоящее изобретение исходит из того факта (на основе практического метода), что устойчивость измерительного прибора повышается за счет расположения датчиков на каждой стороне трубы на возможно близком расстоянии от по меньшей мере двух узловых точек, каждая из которых является узловой точкой для одного из шести различных видов колебания и особенно для видов колебания, обозначенных цифрами (3) и (6). Настоящее изобретение исходит также из признания того факта, что влияние вида колебания 1 (первый вид совпадающего по фазе изгибания) можно свести к минимуму или вообще устранить за счет такого размещения пластин жесткого крепления, которое гарантирует отделение гармоник вида 1 от гармоник вида 2.

На фиг. 1 показан предпочтительный вариант прибора для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса в оптимально модифицированной U-образной форме, а также точки расположения и крепления датчика движения. Как и в современных промышленных измерительных приборах подобного типа, циркуляционные трубопроводы 112 надежно крепятся к коллектору 130 в точках 131. Пластины жесткого крепления 122 неподвижно и прочно установлены на трубопроводах 112 и тем самым определяют контуры осей колебания B', когда с помощью задающего устройства 114 трубопроводы 112 начинают колебаться камертонным образом. Если через трубопроводы 112 проходит текучий материал, то силы Кориолиса заставляют эти трубопроводы отклоняться вокруг осей отклонения A'. Электрические соединительные элементы 125 от задающего устройства, 126 от датчиков движения 118 и 127 от датчиков движения 116 можно соединять и удерживать на кронштейне 128 устойчивым минимизирующим напряжением (см. фиг. 1); с другой стороны, упомянутый кронштейн можно расположить с таким расчетом, чтобы он защищал прикрепленные к корпусу платы печатных схем, о чем подробнее будет сказано ниже. Показанные на фиг. 1 соединительные элементы представлены индивидуальными проводами или ленточными гибкими соединительными элементами с заделанными в них проводами, которые располагаются здесь в форме полупетли, которая отличается повышенной устойчивостью и минимизирует напряжение (механическое).

На фиг. 1 экспериментальные датчики движения 116 располагаются на концах впускной или выпускной ветви 117 как раз перед изгибом Датчики движения 118 располагаются в позиции, которая определяется на основе модального анализа по настоящему изобретению и которая минимизирует влияние внешних сил. В промышленном варианте измерительного прибора будут использоваться только датчики движения 118, но не будут использоваться датчики движения 116, которые обычно используются для целей сравнения в различных экспериментах. Показанный на фиг. 1 измерительный прибор содержит корпус 140, в котором размещаются трубопровод и связанные с ним элементы крепления и который неподвижно закреплен с коллектором 130, но следует иметь в виду, что более предпочтительным может оказаться показанный на фиг. 4 или 5 корпус измерительного прибора, который более детально будет описан ниже.

Другим признаком конструкции прибора для измерения массовой скорости потока, показанного на фиг. 1 варианта, который минимизирует влияние внешних сил, является уравновешивание трубопроводов и их средств крепления и использование компонентов датчика и задающего устройства уменьшенной массы.

В приборах для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса циркуляционные трубопроводы выступают в качестве пружин, причем воздействие пружинящих усилий сказывается в основном на впускной и выпускной ветвях. В показанном на фиг. 1 варианте изобретения циркуляционные трубопроводы имеют модифицированную U-образную форму, которая не испытывает на себе постоянное деформирование от изгибания в впускной и выпускной ветвях. Отсутствие в процессе изготовления этапа изгибания является основной причиной отсутствия постоянной деформации в тех четырех зонах, в которых пружинящие силы воздействуют на измерительные приборы сдвоенного трубопровода. В результате этого все эти четыре зоны воспроизводят по существу одну и ту же реакцию на пружинящие силы, т.е. ведут себя так, как если бы были использованы материалы по существу одинаковых размеров. Все это дает возможность изготовителям приборов для измерения скорости потока лучше сбалансировать циркуляционные трубопроводы. Баланс трубопроводов еще больше усиливается в результате уменьшения масс датчиков движения и задающего устройства за счет использования более легких по весу магнитов и катушек и уменьшения размера средств их крепления.

Как и уже известные промышленные измерительные приборы, задающие движение устройства и датчики движения содержат магнит и катушку. В данном случае используются датчики типа, который подробно описан в патенте США N 4422338 и который обеспечивает линейное слежение всего движения трубопровода по всей его траектории колебания. В показанном на фиг. 1 варианте и в других вариантах изобретения общая масса датчиков и задающего устройства уменьшена по сравнению с общей массой используемых в настоящее время вариантов промышленного измерительного прибора как минимум в 4 раза, а предпочтительным уменьшением является пяти- и шестикратное или даже еще большее. Подобное уменьшение массы достигается за счет использования более легкого по весу остова катушки, снабженной отформованными на ней штырьковыми соединениями, и за счет образования намотки катушки из провода 50 калибра, но при условии использования магнитов той же массы, Легкие по весу датчики и задающее устройство устанавливаются непосредственно на трубопроводах, т.е. обходятся без использования специальных монтажных кронштейнов. Например, используемая в показанном на фиг. 1 варианте измерительного прибора катушка, которая в данном случае используется с циркуляционной трубкой внешнего диаметра приблизительно 0,25 дюйма, имеет массу всего лишь в 300 миллиграмм. Уже известные катушки, которые используются в сопоставимых по размеру приборах для измерения массовой скорости потока, изготовленных в соответствии с патентами США N Re 31450, 4422338 и 4491025 и которые имеют примерно одинаковый размер внешнего диаметра циркуляционной трубы, имели массу примерно в 963 миллиграмма. В показанном на фиг. 1 варианте измерительного прибора того же размера новые блоки добавляют в итоге около 3,9 грамма к весу прибора для измерения массовой скорости потока (катушка одного задающего устройства и катушки двух датчиков по 300 грамм каждая и три магнита по 1 грамму каждый). В противоположность этому в сопоставимых уже известных промышленных вариантах измерительного прибора соответствующие блоки добавляют 22,2 грамма (катушка одного задающего устройства, катушки двух датчиков, один кронштейн для катушки, один кронштейн для магнита и три магнита) к общей массе прибора для измерения массовой скорости потока.

Для показанного на фиг. 1 варианта изобретения был выполнен репрезентативный модальный анализ. Одним из результатов этого анализа было определение расположения узловой точки второго вида не совпадающего по фазе кручения и узловой точки третьего вида не совпадающего по фазе изгибания на циркуляционном трубопроводе, размеры которого приводятся на фиг. 1А.

Конечная точка расположения датчика, которая находится на полпути между упомянутыми выше узловыми точками вида колебания, располагалась под углом в 22,5^o, измеренным от горизонтальной оси, простирающейся от центральной точки радиуса изгиба.

Эта конечная точка расположения датчика находится не только между, но в самой возможной близости от каждой из двух узловых точек на каждой стороне трубопровода. Для специалистов в данной области совершенно ясно, что на основе результатов модальных анализов трубопроводов других конфигураций, размеров и исходных материалов можно будет определить месторасположение каждой из узловых точек для всех видов колебания, которые были идентифицированы выше, и можно будет довольно легко и просто оптимизировать конечные точки расположения датчика.

В некоторых вариантах улучшенных измерительных приборов по настоящему изобретению основная частота возбуждения (первый вид не совпадающего по фазе изгибания) повышается по сравнению с современными выпускаемыми в промышленности масштабе приборами для измерения массовой скорости потока, которые изготавливаются по технологии правопреемника заявителей настоящего изобретения, благодаря чему увеличиваются значения их гармоник. Это, в свою очередь, обеспечивает более эффективное отделение индивидуальных гармоник для моды колебаний задающего устройства от гармоник других видов колебания. Например, в показанном на фиг. 1 варианте изобретения каждая из гармоник других представляющих интерес пяти видов колебания разделяется от гармоник задающей частоты (или частоты возбуждения) интервалом как минимум в 20 Гц (для всех остальных частот ниже 2000 Гц).

В показанном на фиг. 1 варианте изобретения установление пластин жесткого крепления имеет эффект разделения первой совпадающей по фазе частоты изгибания от основной частоты возбуждения, благодаря чему устраняются возможные влияния возбуждения первой совпадающей по фазе частоты изгибания. Влияния внешних сил, которые действуют на частотах, соответствующих остальным представляющим интерес четырем видам колебаний, частично минимизируются за счет использования сбалансированной конструкции трубопровода. Кроме того, в этом варианте изобретения влияние второго вида колебаний, не совпадающего по фазе кручения, и третьего вида колебаний, не совпадающего по фазе изгибания, также сводятся к минимуму за счет расположения датчиков движения между, но в непосредственной близости от узловых точек обоих этих видов колебания, а сами эти узловые точки иногда могут располагаться близко друг от друга. Следует также иметь в виду, что можно использовать и другие точки расположения для минимизации влияния тех видов колебания, которые оказывают наибольшее воздействие на устойчивость любого специфического трубопровода, при этом необходимо принимать во внимание результаты модального анализа размера, конфигурации и исходного материала изготовления этого трубопровода.

Результаты испытания показанного на фиг. 1 варианта современных промышленных измерительных приборов модели D, изготовленных по технологии правопреемника заявителей, и используемых в настоящее время промышленных образцов приборов для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса, изготовленных по другим технологиям, которое проводили при различных гидравлических давлениях в диапазоне от менее 10 фунтов на кв. дюйм (0,703 кг/см²) до примерно 1000 фунтов на кв. дюйм (703,1 кг/см²), дают основание утверждать, что при гидростатических давлениях около 1000 фунтов на кв. дюйм возникают вариации в частоте возбуждения и в частоте кручения, которые оказывают отрицательное влияние на точность измерения массовой скорости потока. К настоящему моменту уже установлено, что эти влияния высокого гидростатического давления можно свести к минимуму за счет увеличения толщины стенки циркуляционной трубы примерно на 20% и за счет заключения этого блока циркуляционной трубы в специально сконструированный и не чувствительный к гидростатическому давлению корпус, детали которого будут описаны ниже.

Применительно к показанному на фиг. 1 варианту измерительного прибора увеличение толщины стенки трубы с внешним диаметром, например, 0,230 дюйма с примерно 0,010 дюйма (0,30 мм) до примерно 0,012 дюйма (примерно 0,35 мм) даст возможность минимизировать нестабильность, которые обуславливаются наличием высокого гидростатического давления.

На фиг. 2 показана факультативная конструкция пластины жесткого крепления по настоящему изобретению. Каждая пластина жесткого крепления 122 образуется, например, путем перфорирования кусочка металла (например из нержавеющей стали марки 316L или 304L) или какого-либо другого подходящего материала с конечным образованием двух гильз с ниппелеобразными переходами 121 от отверстий, диаметр которых равен внешнему диаметру циркуляционного трубопровода (отверстие 124), до отверстия с большим диаметром 120. Следует иметь в виду, что упомянутые пластины жесткого крепления должны привариваться или припаиваться твердым припоем к циркуляционному трубопроводу, чтобы уменьшить концентрации напряжения в точке крепления 123, т.е. главной геометрической точки, вокруг которой будет колебаться трубопровод. Однако объем настоящего изобретения предусматривает также возможность использования обычных пластин жесткого крепления, которые хорошо известны специалистам в данной области.

На фиг. 3 показан оптимизированный вариант ранее показанного на фиг. 1 прибора для измерения сил Кориолиса, причем место крепления технологической линии показано в разобранном виде. Вместо обычного и уже известного снабженного фланцами коллектора в данном случае используется новая бесфланцевая слоистая конструкция 230, причем торцевые элементы 232 можно закреплять болтами между существующими фланцами производственной или какой-либо иной промышленной технологической линии, используя для этого снабженные резьбой соединительные элементы 234, проходящие через фланцевые отверстия 238 и удерживаемые на своих рабочих местах гайками 235.

На фиг. 4 показана одна из форм корпуса, которая минимизирует влияния давления. Эту форму корпуса можно использовать для заключения в корпус всего циркуляционного трубопровода и блока крепления датчика. Этот корпус содержит трубку 350 достаточного диаметра, чтобы установить в ней циркуляционные трубопроводы 312, задающее устройство, датчики движения и все связанные с ними элементы крепления (не показаны). Трубка изгибается с целью придания ей формы циркуляционного трубопровода. Затем она разрезается в продольном направлении на две по существу равные половинки. Циркуляционные трубопроводы 312 плотно устанавливаются в трубке вместе с соответствующим задающим устройством, датчиками движения и монтажной схемой. Другая половинка устанавливается поверх первой (в которой уже установлены перечисленные выше средства) и сваривается вдоль двух продольных швов и в точках соединения с коллектором. Таким образом, образуем воздухонепроницаемый корпус, который можно будет использовать в ситуациях, которые связаны с обработкой вредных жидких загрязнений, и который будет способен выдерживать довольно высокие давления порядка как минимум 300 фунтов на кв. дюйм. (21,09 кг/см²) и максимально 500 фунтов на кв. дюйм (35,15 кг/см²) или даже выше. В некоторых вариантах настоящего изобретения плату печатных схем можно прикреплять к внутренней стороне корпуса, при этом гибкие соединения будут проходить от задающего устройства и датчиков движения до самой платы печатной схемы. Затем к этому корпусу можно будет прикрепить распределительную коробку и соединить ее с платой печатной схемы с помощью проводов, которые могут проходить через воздухонепроницаемые фитинги, расположенные в верхней части корпуса. После этого распределительную коробку можно подсоединить к средствам для электронной обработки сигналов от датчиков, чтобы выдать значения относительно массовой скорости потока и факультативно значения относительно плотности жидкости.

Альтернативный вариант корпуса, отличающийся легкостью его изготовления, показан на фиг. 5, а часть этого корпуса показана на фиг. 6. Эта форма корпуса изготовлена из штампованных стальных полос полукруглого поперечного сечения (см. фиг. 6, где показана полоска 2 или 4 фиг. 5), которые свариваются вместе с конечным образованием корпуса. Применительно к показанному на фиг. 1 варианту изобретения этот корпус изготавливается из десяти полос, помеченных на фиг. 5 цифрами 1-10 и которые агрегируются следующим образом.

Пять полос (1, 2, 3, 4 и 5, см. фиг. 5), составляющие одну половину корпуса, т. е. после их агрегирования или сборки они покрывают одну половину внешней окружности циркуляционной трубки, привариваются к опоре, в которой находится впускной-выпускной коллектор циркуляционой трубы. Плата печатных схем (не показаны ни на одном из чертежей) крепятся к корпусу в точках, которые находятся на максимально возможном близком расстоянии к точкам установки частей катушки первичного измерительного преобразования датчиков на циркуляционном трубопроводе, а клеммы этой катушки датчиков соединяются с платами печатных схем с помощью содержащих соответствующие провода изогнутых элементов, которые уже были кратко описаны выше, или с помощью индивидуальных проводов в форме полупетли. Затем эти провода проходят вдоль корпуса до центральной прямой его части (т.е. до секции 3, которая заключает в себя прямую часть циркуляционного трубопровода 112, показанную на фиг. 1), где располагается электронный блок измерительного прибора и монтажное межслойное соединение. Это межслойное соединение, которое не показано на фиг. 5 и 6, может содержать зажимы, к которым непосредственно подсоединяются провода, или могет содержать третью плату печатной схемы, к которой подсоединяются провода и которая, в свою очередь, соединяется с зажимами межслойного соединения, а затем и с распределительной коробкой (не показана), которая установлена в секции 3 корпуса в его средней части. После завершения монтажной проводки оставшиеся пять полосок (которые на фиг. 5 не показаны, так как здесь показан вид корпуса в плане) корпуса также свариваются на месте, а затем привариваются к опоре и к предварительно собранной и уже сваренной части корпуса (предпочтительно методом автоматической сварки). Это последние пять полосок образуют другую половину корпуса. На фиг. 5 сварные швы между полосками показаны линиями. Кроме того, сварные швы образуются также вдоль внутренней и внешней периферии корпуса на линиях швов, которые на чертежах не показаны, но которые обеспечивают соединение верхней и нижней половинок корпуса как внутри оболочки корпуса, образованной трубкой измерительного прибора и опорой, так и снаружи этой же оболочки корпуса.

Показанные на фиг. 4 и 5 варианты корпуса преследуют лишь иллюстративную цель. Всем специалистам в данной области совершенно ясно, что подобным корпусам можно легко и просто придать другую форму и любой размер, причем форма корпуса может быть либо изогнутой, либо прямолинейной, что в конечном итоге определяется формой прибора для измерения массовой скорости потока Кориолиса. Кроме того, в зависимости от выбранной формы корпуса показанный на фиг. 5 и 6 вариант корпуса можно успешно изготавливать и из иного количества заранее отштампованных стальных элементов полукруглой формы. Также совершенно очевидно, что можно использовать и другие варианты монтажной проводки, но без отхода от основных принципов настоящего изобретения.

Хотя предпочтительный вариант изобретения описан и проиллюстрирован применительно к прибору для измерения массовой скорости потока в двойном трубопроводе, однако совершенно очевидно, что описанное здесь изобретение можно с равным успехом использовать с приборами для измерения массовой скорости потока с силами Кориолиса и в одиночных трубопроводах, либо совместно с таким элементом, как листовая пружина, либо с глухим трубопроводом, который образует с циркуляционным трубопроводом какой-то тип камертона, или в условиях, когда одиночный циркуляционный трубопровод образует очень небольшую массу и крепится к основанию какой-то относительно очень большой массы.

Хотя приведенное выше описание изобретения сконцентрировано в целях лучшей иллюстрации на одном размере и одной конфигурации циркуляционного трубопровода, однако всем специалистам в данной области совершенно ясно, что при фактической реализации настоящего изобретения возможны многочисленные изменения и модификации.

Прибор предназначен для измерения массовой скорости потока и основан на эффекте Кориолиса. Прибор содержите по крайней мере один трубопровод. Трубопровод жестко прикреплен к опорному средству на впускном и выпускном концах. К опорному средству в плоскости, параллельной трубопроводу, жестко прикреплен элемент, который вместе с трубопроводом колеблется подобно камертону. Пара датчиковых средств установлена напротив друг друга на сторонах трубопровода. Каждое датчиковое средство установлено максимально близко к двум узлам, выбранным из пары типов колебаний для трубопровода. Пара типов колебаний выбрана на основе проведения анализа типа колебаний для локализации узлов для каждого типа колебаний и последующего выбора двух типов колебаний, чтобы максимизировать чувствительность и минимизировать влияния внешних сил и шума. 9 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Прибор для измерения массовой скорости текучих материалов, основанный на измерении по крайней мере одного эффекта, вызванного силами Кориолиса, содержащий опорное средство, по меньшей мере один непрерывный трубопровод, не имеющий чувствительных к давлению соединений и секций, трубопровод жестко прикреплен к опорному средству на впускном и выпускном концах для трубопровода, элемент, жестко прикрепленный к опорному средству в плоскости, параллельной трубопроводу, в результате чего элемент и трубопровод колеблются подобно камертону, задающее устройство для возбуждения колебаний трубопровода и элемента вокруг осей смежно каждому из жестких креплений, пару датчиковых средств, каждое из которых установлено напротив друг друга на сторонах трубопровода для отслеживания полного колебательного движения трубопровода, включая движение, вызванное силами Кориолиса, отличающийся тем, что каждая пара датчиковых средств зафиксирована на трубопроводе, и каждое датчиковое средство установлено максимально близко к двум ближайшим узлам, выбранным из пары типов колебаний для трубопровода, при этом пара типов колебаний выбрана из колебаний первого изгибного типа в фазе, первого изгибного типа не в фазе, первого крутящего типа не в фазе, второго крутящего типа не в фазе, второго изгибного типа не в фазе или третьего изгибного типа не в фазе на основе проведения анализа типа колебания для локализации узлов для каждого типа колебания и последующего выбора двух типов колебаний, имеющих соответствующие узлы, близкие друг к другу так, чтобы максимизировать чувствительность и минимизировать влияния внешних колебательных сил и шума. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что элементом является второй непрерывный трубопровод. 3. Прибор по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый из непрерывных трубопроводов имеет прямую впускную и прямую выпускную ветви, которые сближаются друг с другом на опоре и соединены между собой напротив опорного средства остальной частью трубопровода. 4. Прибор по п.2, отличающийся тем, что впуская и выпускная ветви соединены между собой напротив опорного средства прямым участком трубопровода, который изогнут на каждом конце для соответствия каждой из прямых ветвей. 5. Прибор по п.1 или 2, отличающийся тем, что чувствительные элементы пар датчиковых средств расположены максимально близко к двум ближайшим узлам колебаний второго крутящего типа не в фазе и колебаний третьего изгибного типа не в фазе на соответствующих впускной и выпускной ветвях каждого трубопровода. 6. Прибор по п.2, отличающийся тем, что два трубопровода скреплены между собой пластинами жесткого крепления в точках вдоль впускной и выпускной ветвей, расположенных на расстоянии от опорного средства, точки, определенные анализом типа колебаний, являются точками, обеспечивающими разделение между частотами и гармониками колебаний первого изгибного типа в фазе и первого изгибного типа не в фазе. 7. Прибор по п.6, отличающийся тем, что непрерывные трубопроводы имеют прямую впускную ветвь и прямую выпускную ветвь, которые сближаются друг с другом на опорном средстве и соединены между собой напротив опорного средства остальной частью трубопровода. 8. Прибор по п. 6, отличающийся тем, что пластины жесткого крепления содержат ниппелеобразные монтажные втулки. 9. Прибор по п.1 или 2, отличающийся тем, что впускная и выпускная ветви - бесфланцевые. 10. Прибор по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит воздухонепроницаемый корпус такой же геометрической конфигурации, как и трубопроводы, который заключает в себе трубопроводы, датчиковые средства и задающее устройство и приварен к опорному средству.