Изобретение относится к созданию расходомеров с вибрирующей (колеблющейся) трубкой, а более конкретно, имеет отношение к массовому расходомеру Кориолиса, обеспечивающему получение выходных данных плотности с повышенной точностью в расширенном рабочем диапазоне.
Известные ранее денсиметры, основанные на эффекте Кориолиса, такие как раскрытый в патенте США 4,876,879 на имя Раша (Ruesch) от 31 октября 1989 года, проектировались и работали в предположении, что точность измерения плотности не зависит от изменений массового расхода потока, температуры, вязкости или давления измеряемой жидкости. В частности, такие денсиметры проектировались в предположении, что изменения собственной частоты приводимых в колебания расходных трубок вызываются только изменениями плотности протекающего по расходной трубке материала. В таких измерительных приборах получали данные плотности непосредственно из измеренной собственной частоты.
Каждый денсиметр, использующий эффект Кориолиса, имеет свой собственный комплект рекомендованных рабочих параметров, таких как температура, массовый расход потока, плотность, вязкость, давление и т.п. Измерительные приборы на эффекте Кориолиса, которые разработаны с учетом этого, работают хорошо и дают превосходные результаты, удовлетворяющие большинство пользователей, когда соблюдаются их рекомендованные рабочие диапазоны. В таких случаях указанные измерительные приборы обеспечивают прекрасные характеристики в совокупности с высокой точностью выходных данных.
Однако случаются обстоятельства, при которых денсиметры на эффекте Кориолиса могут работать вне рекомендованных рабочих диапазонов или вблизи верхнего предела рекомендованного рабочего диапазона по скорости потока. При таких обстоятельствах точность выходных данных ухудшается относительно той точности, которая может быть получена на данном измерительном приборе при его работе в рекомендованном рабочем диапазоне.
Прежде, когда пользователю был необходим более высокий массовый расход потока, ему требовалось переходить на использование измерителей Кориолиса большей емкости, с целью обеспечения работы расходомера при допустимом падении давления. Однако успехи в проектировании массовых расходомеров Кориолиса привели к снижению падения давления, что эффективно расширяет полезный диапазон расходомера. Однако пользователи, применяющие расходомеры в пределах этого расширенного диапазона, который может превосходить ранее рекомендованный диапазон, рискуют получать выходные данные не с максимально возможной точностью.
Настоящее изобретение дает возможность разрешить указанную проблему и добиться успеха в развитии соответствующей техники, что позволяет получать выходные данные высокой точности от денсиметров на эффекте Кориолиса, работающих при условиях, когда превзойден их ранее рекомендованный рабочий диапазон массового расхода.
Исследования в данной области показали, что собственная частота вибрирующей трубки денсиметра на эффекте Кориолиса не является постоянной, а наоборот, уменьшается при возрастании массового расхода материала через вибрирующую трубку. Несмотря на то, что это явление известно, разработчики имеющихся к настоящему времени денсиметров на эффекте Кориолиса его не учитывали. Возможные отрицательные последствия этого явления исключались за счет ограничения области работы каждого измерительного прибора только нижним участком теоретического рабочего диапазона массового расхода, по причине озабоченности падением давления, при этом указанное явление оказывает пренебрежимое влияние на точность выходных данных измерительного прибора. Однако использование вне рекомендованного рабочего диапазона известных до настоящего времени измерительных приборов Кориолиса приводило к получению выходных данных плотности, которые менее точны, чем данные, полученные при соблюдении рекомендованных рабочих диапазонов. Причиной этого является то, что когда превышается рекомендованный рабочий диапазон массового расхода потока, то расходомер работает в точке, где собственная частота уменьшается значительно. Это уменьшение собственной частоты становится еще более заметным при высоких скоростях потока (при высоких расходах).
Проблема получения точных измерений плотности при высоких скоростях потока разрешена в настоящем изобретении за счет предусмотрения способа и устройства, которые принимают в расчет тот факт, что на измеренную собственную частоту приводимой в колебание расходной трубки влияет как плотность материала, протекающего через расходную трубку, так и массовый расход материала. Измеренная собственная частота в соответствии с настоящим изобретением корректируется в зависимости от этих факторов таким образом, чтобы повысить точность определения собственной частоты. Эта откорректированная собственная частота затем используется для измерения плотности материала с высокой точностью.
Известные до настоящего времени массовые расходомеры Кориолиса проектировались и функционировали в соответствии с указаниями в патенте Раша. Опыт показал, что измерительные приборы типа приборов Раша хорошо работают в ограниченном диапазоне массовых расходов и плотностей. Однако в них не учитываются некоторые характеристики вибрирующей конструкции, которые могут влиять на точность измерительного прибора, когда производится попытка расширить его рабочий диапазон.
Теоретическая модель, которая учитывает другие эффекты, связанные с протеканием потока материала через вибрирующую трубку, была построена Хуснером (G.W.Housner) при исследованиях трансарабского трубопровода в течение пятидесятых годов. Обсуждение этой модели проведено Хуснером в публикации "Изгибные колебания трубопровода, содержащего протекающую жидкость", ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ, Trans.ASME, vol.74,1952, рр 205-208. Эта модель соответствует выведенному Хуснером уравнению, которое представляет собой одномерное упругое уравнение жидкости, описывающее недемпфированную, поперечную, совершающую свободные колебания расходную трубку, содержащую протекающий через нее материал:
где E = модули упругости расходной трубки;
I = момент инерции расходной трубки;
ρf = плотность материала;
ρs = плотность расходной трубки;
Af = поперечное сечение области потока;
As = поперечное сечение расходной трубки;
vo = скорость потока;
u(x,t) = поперечное перемещение расходной трубки.
Приближенные решения уравнения Хуснера в некоторых специальных случаях дают следующую причинную связь между собственной частотой расходной трубки и массовым расходом протекающей через трубку жидкости:
где n = целое число,
l = длина трубки,
Высокоточные цифровые вычисления и детальные испытания современных расходомеров Кориолиса подтвердили функциональную зависимость между собственной частотой и массовым расходом, которую дает это выражение.
Этот эффект проявляется в уменьшении собственной частоты наполненной материалом расходной трубки при возрастании массового расхода. Единственное практическое применение уравнений Хуснера было направлено на установление критической скорости потока, при которой расходная трубка испытывает "дробление" или другие нестабильности при уменьшении собственной частоты до нуля. Массовые расходы, связанные с этим явлением, являются чрезвычайно высокими в сравнении с теми, которые встречаются в практической области измерения потока. До настоящего изобретения отсутствовали известные применения этого явления для измерительных приборов на эффекте Кориолиса.
Настоящее изобретение позволяет увеличить полезный рабочий диапазон денсиметров на эффекте Кориолиса за счет учета уменьшения собственной частоты приводимой в колебание расходной трубки при увеличении массового расхода. При измерениях плотности в известных ранее денсиметрах предполагалось, что собственная частота наполненной материалом расходной трубки определяется только измерениями плотности материала, протекающего через расходную трубку. Однако, в соответствии со способом и устройством по настоящему изобретению, измерения плотности определяются не только плотностью материала, протекающего через расходную трубку, но и зависят также от массового расхода. В результате настоящее изобретение позволяет осуществлять более точные измерения плотности материала при более высоких массовых расходах материала.
Способ и устройство по настоящему изобретению определяют величину, на которую собственная частота приводимой в колебание расходной трубки уменьшается в результате увеличения массового расхода материала в трубке. Эта информация об изменении частоты использована для выработки правильного значения собственной частоты, которая равна собственной частоте при нулевом состоянии потока в трубке. Основываясь на приближенном решении уравнения Хуснера, приведенном ранее, и на его экспериментальном подтверждении, частота колебаний расходомера, вызванная изменениями массового расхода, может быть выражена в следующем виде:
ω = ω
где ω = скорректированная собственная частота наполненной материалом расходной трубки, которая является расчетной собственной частотой при отсутствии потока;
ω*= измеренная собственная частота наполненной материалом расходной трубки;
MR = измеренный массовый расход материала;
VR = измеренный объемный расход материала:
VR=MR/плотность
Kρ константа (постоянная) коэффициента плотности:
Kρ = (ω*-ω/[ω*(MR)VR].
Это уравнение может быть также выражено через период собственной частоты:
Tc=Tm(1-MRVR ρ),
где Тc = период, соответствующий скорректированной собственной частоте,
Тm = период, соответствующий измеренной собственной частоте.
Константу коэффициента плотности получают калибровкой каждого расходомера с использованием двух различных веществ, таких как воздух при нулевом потоке, вода при нулевом потоке и вода при наличии потока.
Скорректированная собственная частота наполненной материалом расходной трубки преобразуется в период колебаний трубки, который затем используется для вычисления плотности материала путем решения следующего уравнения:
Dm = {(d)[(tcm)Tc 2K1]/ K2}+Da,
где d=Dw-Da,
Dw = плотность воды;
Da = плотность воздуха;
tcm= температурный коэффициент трубки для измеренной частоты;
Тc = скорректированный период колебаний трубки;
K1=(tca)Ta 2;
Ta = период колебаний трубки для воздуха при отсутствии потока;
tca = температурный коэффициент трубки при воздушной калибровке;
K2=(tcw)Tw 2-tca (Ta 2);
tcw = температурный коэффициент трубки при водяной калибровке;
Tw = период колебаний трубки для воды при отсутствии потока.
В соответствии с настоящим изобретением, выход датчиков, подключенных к вибрирующей расходной трубке (или трубкам) или связанных с ней, подключен к схемам обработки сигнала, которые вырабатывают данные, соответствующие измеренной собственной частоте вибрирующей расходной трубки с протекающим через нее материалом, а также массовому расходу протекающего материала и объемному расходу протекающего материала. Схемы обработки сигнала учитывают тот факт, что измеренная собственная частота не остается постоянной при изменениях массового расхода, а уменьшается при увеличении массовых расходов. За счет этого схемы обработки сигнала корректируют измеренную частоту и вырабатывают выходной сигнал, дающий скорректированную собственную частоту, соответствующую собственной частоте вибрирующей расходной трубки для нулевого массового расхода. Эта скорректированная собственная частота подается на схемы обработки сигнала, которые вырабатывают точные показания плотности для материала, протекающего через расходную трубку.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг. 1 показан один из возможных примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 иллюстрируются дополнительные узлы измерительного электронного блока 20 фиг. 1.
На фиг. 3 приведена кривая, показывающая соотношение: уменьшение собственной частоты/массовый расход измерительного прибора Кориолиса.
На фиг. 4 и 5 показаны схемы последовательностей операций, отображающие последовательность работы измерительного электронного блока 20 и его микропроцессора 236 при осуществлении корректировки измеренной собственной частоты, при вычислении плотности и получении другой информации, связанной с настоящим изобретением.
На фиг. 6 приведен упрощенный вариант устройства фиг.2.
Один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения иллюстрируется фиг. 1-6. Специально следует указать, что настоящее изобретение не ограничивается этим приведенным примером его осуществления. За рамки изобретения, определяемые его формулой, в которой отражена концепция изобретения, не выходят другие варианты и модификации изобретения. Осуществление настоящего изобретения может быть произведено с другими типами измерительных устройств, отличающихся от описанного измерительного устройства. Успешное осуществление настоящего изобретения не зависит от конкретного построения (геометрии) какого-либо измерительного устройства. Кроме того, могут быть использованы другие линейные аппроксимации для получения скорректированной собственной частоты.
На фиг. 1 изображен денсиметр Кориолиса 5, содержащий измерительную систему Кориолиса 10 и измерительный электронный блок 20. Измерительная система 10 определяет массовый расход материала. Измерительный электронный блок 20 подключен к измерительной системе 10 посредством проводов 100 и служит для получения информации, касающейся плотности, массового расхода, объемного расхода и полного (суммарного) массового расхода на выходе 26.
Измерительная система 10 содержит два патрубка 110 и 110', трубчатые органы 150 и 150', две параллельные расходные трубки 130 и 130', механизм возбуждения колебаний 180, датчик температуры 190, а также два датчика скорости 170L и 170R. Расходные трубки 130 и 130' имеют две главным образом параллельные впускные ветви 131 и 131' и выходные ветви 134, 134', которые соединяются друг с другом в элементах патрубков 120 и 120'. Расходная трубка изогнута в двух симметричных местах по ее длине, которые разделены ее главным образом прямой верхней центральной частью. Стойки крепления 140 и 140' служат для определения осей W и W', относительно которых колеблется каждая расходная трубка.
Боковые ветви 131 и 134 расходных трубок 130 и 130' жестко закреплены на установочных блоках расходной трубки 120 и 120', которые, в свою очередь, жестко закреплены на элементах 150 и 150'. Это обеспечивает непрерывный замкнутый путь прохождения обрабатываемого материала через измерительную систему Кориолиса 10.
При подсоединении измерительной системы 10, имеющей фланец 103 с крепежными отверстиями 102, при помощи входного конца 104' и выходного конца 101' к трубопроводу (не показан), по которому протекает обрабатываемый материал, измерение плотности которого предполагается производить, этот материал входит через отверстие 101 во фланце 103 входного конца 104 во входной патрубок 110 и направляется по проходу с постепенно изменяющимся сечением к установочному блоку 120 расходной трубки, имеющему поверхность 121. Здесь материал разделяется и направляется через расходные трубки 130 и 130'. При выходе из расходных трубок 130 и 130' обрабатываемый материал объединяется в единый поток в установочном блоке 120' расходной трубки, имеющем поверхность 121', а затем направляется к выпускному патрубку 110'. Внутри выпускного патрубка 110' материал протекает по проходу, который имеет изменяющееся поперечное сечение, аналогичное имеющемуся во входном патрубке 110, и вытекает через отверстие 101' выпускного конца 104'. Выходной конец 104' подключен к трубопроводу (не показан) при помощи фланца 103' с крепежными отверстиями для болтов 102'.
Выбор и соответствующая установка (крепление) расходных трубок 130 и 130' на установочных блоках 120 расходной трубки произведены таким образом, чтобы иметь в основном одинаковые распределения массы, моменты инерции и модули упругости относительно соответствующих осей изгиба W-W и W'-W'. Эти оси изгиба расположены вблизи соответствующих фланцев 140 и 140' расходной трубки и установочных блоков 120 и 120'. Расходные трубки выходят наружу из установочных блоков главным образом параллельно и обеспечивают в основном одинаковые распределения массы, моментов инерции и модулей упругости относительно их соответствующих осей изгиба. Так как модули упругости расходных трубок изменяются при изменении температуры, то на расходной трубке 130' предусмотрен резистивный температурный датчик (РТД) 190 (обычно используется РТД из платины), осуществляющий непрерывное измерение температуры расходной трубки. Температура расходной трубки и, следовательно, приложенное к РТД напряжение для заданного тока, протекающего через него, зависят от температуры обрабатываемого материала, протекающего через расходную трубку. Зависящее от температуры напряжение, приложенное к РТД, используется в соответствии с хорошо известной методикой в измерительном электронном блоке 20 для компенсации величины жесткости пружины при любых изменениях температуры расходной трубки. РТД подключен к измерительному электронному блоку 20 проводником 195.
Обе расходные трубки 130 и 130' при помощи устройства возбуждения 180 приводятся в колебания в противоположных направлениях относительно их соответствующих осей изгиба W и W', что определено как первый сдвиг по фазе собственной частоты расходомера. Обе расходные трубки 130 и 130' вибрируют как острие (вилка) камертона. Механизм возбуждения 180 может содержать любой из хорошо известных элементов, такой как магнит, закрепленный на расходной трубке 130' и расположенную напротив него катушку, закрепленную на расходной трубке 130, через которую пропускают переменный ток для создания вибраций обеих трубок. Соответствующий сигнал возбуждения выдается измерительным электронным блоком 20 по проводам 185 на механизм возбуждения колебаний 180.
При колебаниях расходных трубок 130 и 130' от элемента возбуждения 180, смежные боковые ветви 131 и 131', которые прижимаются друг к другу ближе, чем их дополняющие боковые ветви 134 и 134', достигают конечной точки их перемещения, когда скорость проходит через ноль, ранее, чем это происходит с дополняющими ветвями. Временной интервал (который также именуется здесь как разность фаз на определенной частоте или как временной сдвиг или просто как величина Δt), который протекает от момента достижения парой смежных боковых ветвей их конечной точки перемещения до момента, когда противоположная (дополняющая) пара боковых ветвей достигнет своей конечной точки перемещения, главным образом пропорционален массовому расходу материала, протекающего через измерительную систему 10.
Для измерения временного интервала Δt предусмотрены датчики 170L и 170R, которые закреплены на расходных трубках 130 и 130' вблизи их свободных концов. Могут использоваться датчики любого известного типа. Сигналы, вырабатываемые датчиками 170L и 170R, обеспечивают информацией о профиле скорости при полном перемещении расходных трубок, причем эта информация может быть обработана любым из известных способов для вычисления временного интервала и, в свою очередь, массового расхода материала, протекающего через измерительное устройство.
Датчики 170L и 170R вырабатывают левый и правый сигналы скорости, которые передаются по соответствующим проводам 165L и 165R. За счет измерения временного сдвига профилей можно точно измерить разность фаз между сигналами датчиков левой и правой скоростей.
На измерительный электронный блок 20 поступает сигнал температуры от РТД по проводам 195 и сигналы левой и правой скорости по соответствующим проводам 165L и 165R. Измерительный электронный блок 20 вырабатывает сигнал возбуждения колебаний, который передается по проводам 185 на элемент возбуждения 180 и сообщает вибрацию трубками 130 и 130'. В измерительном электронном блоке 20 производится обработка сигналов левой и правой скорости и сигнала РТД для вычисления массового расхода, объемного расхода и плотности материала, текущего через измерительную систему 10. Эта информация передается измерительным электронным блоком 20 по проводам 26 на средства использования 29. При определении плотности электронный блок 20 производит корректировку измеренной собственной частоты трубок 130 и 130' в соответствии с указаниями настоящего изобретения, а затем использует эту скорректированную частоту для вычисления плотности.
Структурная схема измерительного электронного блока 20 приведена на фиг. 2. Она включает в себя контур измерения потока 23, контур возбуждения колебаний расходной трубки 27 и схемы обработки 235. Контур возбуждения колебаний расходной трубки 27 вырабатывает чередующиеся переменные или импульсные сигналы, которые поступают на механизм возбуждения 180 по проводам 165. Контур возбуждения 27 синхронизирует сигнал возбуждения сигналом левой скорости по проводам 165L и поддерживает противоположное синусоидальное вибрационное движение обеих расходных трубок 130 на их основной собственной частоте. Эта частота зависит от ряда факторов, включая физические характеристики трубок, а также плотность и массовый расход материала, протекающего через них. Так как контур 27 известен сам по себе и его конкретное построение не составляет никакой отличительной части настоящего изобретения, то его более подробное обсуждение в описании изобретения не производится. Для сведения читатель отсылается к патентам США 5,009,109 (с датой приоритета 23 апреля 1991 года на имя P.Kalotay); 4,934,196 (с датой приоритета 19 июня 1990 года на имя P.Romano) и 4,876,879 (с датой приоритета 31 октября 1989 года на имя J.Ruesch), где приведено более подробное описание различных вариантов построения контура возбуждения колебаний расходной трубки.
Контур измерения потока 23 содержит схемы обработки 235, которые производят обработку сигналов левой и правой скоростей, поступающих по соответствующим проводам 165L и 165R, также как и обработку сигнала РТД, поступающего по проводам 195, что само по себе известно, для вычисления массового расхода и объемного расхода материала, протекающего через измерительную систему 10. Выходная информация поступает с выхода 26 на средства использования, в качестве которых может быть применен дисплей или система управления технологическим процессом. Схемы обработки 235 функционируют также в соответствии с настоящим изобретением для измерения собственной частоты трубок 130, для корректировки этой частоты и для использования скорректированной частоты для выработки высокоточной информации плотности.
В связи с тем, что способ, в соответствии с которым контур измерения потока 23 вырабатывает массовый расход и объемный расход, хорошо известен специалистам в данной области, далее будет обсуждена только та часть электронного блока 20, которая соответствует отличительным характеристикам настоящего изобретения. Контур измерения 23 содержит два раздельных входных канала: левый канал 202 и правый канал 212. Каждый из каналов содержит интегратор и два детектора пересечения нуля. По обоим каналам сигналы левой и правой скоростей подаются на соответствующие интеграторы 206 и 216, каждый из которых в действительности представляет собой фильтр нижних частот. Выходные сигналы с этих интеграторов подаются на детекторы пересечения нуля
(которые являются в действительности компараторами) 208 и 218, на выходе которых получают сигналы изменения уровня в момент превышения соответствующим проинтегрированным сигналом скорости заранее определенного небольшого положительного или отрицательного уровня напряжения, например, ±2,5% В. Выходные сигналы обоих детекторов пересечения нуля 208 и 218 используются в качестве сигналов управления для счетчика 220, с целью измерения временного интервала. Временной интервал определяют подсчетом импульсов задающего генератора за время между соответствующими изменениями на выходах детекторов. Этот интервал представляет собой величину Δt и изменяется при изменении массового расхода обрабатываемого материала. Эта величина Δt в виде числа импульсов поступает параллельно в качестве входных данных на обрабатывающие схемы 235.
Датчик температуры РТД 190 связан проводами 195 со входом входной схемы 224 РТД, которая подает постоянный ток смещения на элемент РТД 190, линеаризует напряжение на элементе РТД и преобразует это напряжение с использованием преобразователя 226 напряжение/частота в последовательность импульсов, частота которых изменяется пропорционально любому изменению напряжения на РТД. Результирующая последовательность импульсов со схемы 224 поступает на вход счетчика 228, который периодически подсчитывает импульсы и вырабатывает сигнал в виде числа импульсов, который пропорционален измеренной температуре. Выход счетчика 228 подключен ко входу обрабатывающих схем 235. Схемы обработки 235, которые преимущественно представляют собой систему на базе микропроцессора, производят определение массового расхода при поступлении на них дискретизированных Δt и значений температуры. Дискретизированные значения температуры использованы для изменения значения коэффициента преобразования измерительного блока в соответствии с температурой расходных трубок. Это компенсирует изменения упругости расходной трубки при изменении температуры. Коэффициент преобразования измерительного блока после изменения (то есть в виде температурно-скомпенсированного коэффициента преобразования - RF) затем используется для вычисления массового расхода и объемного расхода на основании измеренной величины Δt и вычисленного значения плотности. После определения массового расхода и объемного расхода схемы обработки 235 обновляют выходные сигналы на выходе 26 для средств использования 29.
Схемы обработки 235 фиг.2 содержат микропроцессор 236 и элементы памяти, которые включают в себя ПЗУ 237 и ЗУПВ 238. ПЗУ 237 хранит постоянную информацию, которая используется микропроцессором 236 при осуществлении его функций, в то время как ЗУПВ 238 хранит временную информацию, которая используется микропроцессором 236. Микропроцессор совместно со своими ПЗУ и ЗУПВ, а также с системой передачи (шиной) 239 осуществляет управление всеми функциями схем обработки 235, при этом на него поступают сигналы от счетчиков 220 и 228, которые проходят в нем требуемую обработку для того, чтобы выдать с выхода 26 на средства использования 29 различные элементы данных денсиметра на эффекте Кориолиса в соответствии с настоящим изобретением.
Некоторой частью такой информации является информация о массовом расходе и информация об объемном расходе. Схемы обработки 235, которые включают в себя микропроцессор 236 вместе с элементами памяти 237 и 238, функционируют в соответствии с настоящим изобретением для выработки высокоточной информации плотности во всем широком диапазоне изменения массового расхода материала, протекающего через вибрирующие трубки 130 и 130', как далее описано более подробно со ссылкой на схемы последовательности операций фиг. 4 и 5, высокоточную информацию плотности получают путем измерения собственной частоты вибрирующих трубок при помощи сигналов, получаемых с датчиков скорости 170, корректировки этой измеренной собственной частоты для компенсации того факта, что измеренная собственная частота трубок 130, 130' уменьшается при возрастании массового расхода материала через трубку, и использования этой скорректированной частоты при вычислении плотности для получения высокоточных выходных данных плотности. Эти выходные данные плотности имеют значительно большую точность в сравнении со случаем использования для вычисления плотности измеренной собственной частоты вместо скорректированной собственной частоты.
На фиг. 6 показано в упрощенной форме устройство фиг.2, соответствующее изобретению. Соответствующие элементы фиг. 2 и 6 имеют одинаковые позиционные обозначения для облегчения понимания показанной на фиг. 6 системы. На фиг. 6 показан денсиметр, включающий в себя измерительное устройство 10, слева от которого имеется расходная трубка 130, причем устройство 10 содержит датчик левой скорости 170L и датчик правой скорости 170R, возбудитель 180 и РТД датчик температуры 190. Эти элементы соединены проводами 165L, 185, 165R и 195 с измерительным электронным блоком 20. Указанные элементы осуществляют функции, аналогичные описанным в связи с фиг. 2. Измерительный электронный блок 20 содержит контур возбуждения колебаний расходной трубки 27 и контур измерения потока 23, которые функционируют в соответствии с описанием фиг. 2, получая сигналы с измерительного устройства 10 и посылая на него сигналы. Измерительный электронный блок 20 при поступлении на него сигналов вырабатывает высокоточную информацию плотности для материала, протекающего по вибрирующей трубке 130.
Контур измерения потока 23 на фиг. 6 показан в упрощенном виде и содержит цепь измерения разности фаз 601 и цепь измерения частоты 602. На цепь измерения разности фаз по проводам 165L и 165R подаются выходные сигналы левого и правого датчиков и, при поступлении указанных сигналов, цепь 601 вырабатывает разнообразную информацию, в том числе массовый расход MR и объемный расход VR для материала, протекающего в данный момент по трубке 130. Эта MR и VR информация по проводам 603 подается на элемент 606 корректировки частоты. На цепь измерения частоты 602 поступает информация о температуре по проводам 195 и выходной сигнал правого датчика скорости 170R по проводам 165R. При поступлении этой информации цепь измерения частоты вырабатывает выходной сигнал Fm, соответствующий измеренной резонансной частоте вибрирующей трубки 130 при протекании через нее материала. Этот выходной сигнал Fm подается с выхода 604 на цепь корректировки частоты 606. При поступлении сигналов массового расхода MR, объемного расхода VR и измеренной частоты Fm цепь корректировки частоты 606 вырабатывает скорректированный выходной сигнал частоты Fc, который корректирует измеренную частоту Fm для компенсации того факта, что измеренная частота Fm отличается от собственной частоты при отсутствии потока расходной трубки 130 за счет массового расхода материала, протекающего в данный момент по трубке 130.
Скорректированная частота Fc поступает вместе с другой, не показанной на фиг. 6 информацией на элемент измерения плотности 608, который вырабатывает информацию точного значения плотности для материала, протекающего в данный момент по трубке 130. Информация плотности, вырабатываемая элементом измерения плотности 608, имеет значительно большую точность в условиях широкого изменения массового расхода, так как при вычислениях плотности использована скорректированная частота Fc вместо измеренной частоты Fm.
Выходной сигнал элемента измерения плотности 608 по проводам 26 подается на средства использования 29, которые могут содержать либо измерительный прибор для визуальной индикации выработанной информации плотности, либо, в альтернативном варианте, могут содержать систему управления технологическим процессом, управление которой производится при помощи сигнала плотности по проводам 26.
Как показано на фиг. 3, собственная частота колеблющейся расходной трубки уменьшается при увеличении массового расхода материала, протекающего через трубку. Данные фиг.3 являются репрезентативными для этого явления при заданной геометрии расходной трубки и для протекающего материала, имеющего постоянную плотность. Действительный наклон кривой будет изменяться для различных геометрий расходной трубки и плотностей жидкостей, что легко может быть определено с использованием постоянной К3, которая обсуждалась ранее. Вертикальная ось фиг. 3 соответствует первому сдвигу по фазе собственной частоты расходомера. Горизонтальная ось отградуирована в фунтах в минуту массового расхода. Проценты использованы для указания коммерчески рекомендуемых и используемых диапазонов потока для предпочтительного варианта осуществления изобретения. Точка 100% соответствует рекомендованному рабочему диапазону, однако расходомер может работать и в точке 200%, если пользователь не озабочен результирующим падением давления на измерительной системе. На начальном участке кривой при малых массовых расходах собственная частота остается относительно постоянной. Однако при увеличении массового расхода свыше 100% собственная частота уменьшается. Это именно то явление, которое корректируется в соответствии с настоящим изобретением таким образом, чтобы можно было получить точное измерение плотности протекающего материала. Операции в соответствии с настоящим изобретением для корректировки собственной частоты в связи с указанным явлением иллюстрируются фиг. 4 и 5.
На фиг. 4 и 5 показано в виде схемы последовательности операций, каким образом функционируют микропроцессор 236 и элементы памяти 237 и 238 при вычислении скорректированной собственной частоты вибрирующих трубок 130, 130', также как и плотности материала, протекающего через трубки. Это вычисление производится в течение ряда последовательных временных интервалов t1-t8, показанных справа на фиг. 4 и 5. Процесс начинается с элемента 404, на котором для микропроцессора 236 получают входную и установочную информацию по линиям 401, 402, 403 и 405. Это производится в течение временного интервала t1. Сигнал тензодатчика RPO с правого датчика скорости 170R поступает на микропроцессор по линии 401. Сигнал тензодатчика LPO с левого датчика скорости 170L поступает по линии 402. Сигнал температуры РТД поступает по линии 403, а информация, соответствующая постоянным K1, K2, К3, поступает от элементов памяти 237 и 238 по линии 405. Подученная элементом 404 информация поступает в течение временного интервала t2 по линии 406 на элемент 407, который определяет Δt или Δ фазы для данной информации частоты, которая, как упоминалось ранее, представляет собой первичное влияние сил Кориолиса при протекании материала по вибрирующим трубкам. Сигнал 406 также подается на элемент 408, который измеряет частоту выходных сигналов сенсорных элементов (датчиков) 170. Выходным сигналом элемента 408 является сигнал, отображающий измеренную собственную частоту трубок 130, 130' при протекании материала. Этот сигнал по линии 410 поступает на элемент 419. Функция этого элемента будет описана ниже.
Временной сдвиг и разность фаз (Δt или Δ фазы) для данной частоты информации, вырабатываемые элементом 407, подаются в течение временного интервала t3 по линии 415 на элемент 409, который фильтрует эту информацию для устранения шумов и нежелательных частотных компонентов. Выходной сигнал элемента 409 в течение интервала t3 подается по линии 411 на элемент 412, который вычитает механический уход нуля конструкции, связанной с трубками 130, 130' из сигнала Δt, поступающего по линии 411. Выходным сигналом элемента 412 является скорректированный сигнал Δt, который подается по линии 413 в течение интервала t4 на элемент 414, который преобразует сигнал Δt в массовый расход, представительный для протекающего материала. Этот массовый расход может быть выражен в граммах в секунду. Выходной сигнал элемента 414, отображающий массовый расход, поступает в течение временного интервала t5 по линии 416 на элемент 417, который производит определение объемного расхода протекающего материала путем деления массового расхода на плотность материала, полученную в цикле предыдущего измерения в виде обратной связи по линии 418 от элемента 524. Функционирование элемента 524 описано ниже. На выходе элемента 417 получают информацию массового расхода и объемного расхода, которая по линии 420 поступает на элемент 419.
Элемент 419 получает информацию массового расхода и объемного расхода по линии 420 в течение интервала t6 и дополнительно получает сигнал измеренной собственной частоты по линии 410 от элемента 408. При поступлении указанной информации элемент 419 производит вычисление дифференциальной частоты Fc и дифференциального периода Tdiff, соответствующего дифференциальной частоте Fc. Указанная дифференциальная частота Fc представляет собой величину (поправку), на которую измеренная собственная частота по линии 410 должна быть скорректирована для получения скорректированной собственной частоты вибрирующей трубки 130. Эта скорректированная собственная частота равняется собственной частоте трубки при нулевом массовом расходе. Как указывалось ранее, эта коррекция необходима по причине связи между собственной частотой и массовым расходом, отображенной на фиг. 3, на которой показано, что измеренная собственная частота падает при увеличении массового расхода. Этот частотный дифференциал или поправка вычисляются в элементе 419 умножением периода Тм измеренной частоты на объемную скорость потока (VR), массовую скорость потока (MR) и на постоянную К3. Это соотношение показано на фиг.4 внутри прямоугольника 419 в виде периода колебаний трубки, а не в виде частоты трубки. Однако, что хорошо известно, период трубки и собственная частота взаимозависимы, причем период равен постоянной величине, деленной на частоту. Постоянная К3 равна периоду трубки для состояния наличия потока материала (Т потока) минус период трубки для состояния отсутствия потока (Т без потока), поделенному на период трубки при наличии потока (Т потока), умноженному на (MR)(VR), а именно:
К3=(Т потока- Т без потока)/(Т потока) (MR) (VR).
На выходе элемента 419 получают поправку периода вычисленной частоты, которая по линии 421 поступает в течение периода t7, на элемент 522, который производит вычисление скорректированной частоты трубки Fc и скорректированного периода трубки Тc. Этот скорректированный период трубки Тc соответствует скорректированной собственной частоте Fc и определяется комбинированием периода Тм измеренной частоты с поправкой периода Тdiff, соответствующей частотной поправке, вычисленной элементом 419. Соотношение, в котором поправка периода Тdiff комбинируется с измеренным периодом Тм, выглядит так:
Тc=Тм(1-(VR)(MK))К3.
Элемент 522 выдает сигнал, отображающий скорректированную собственную частоту трубок 130, по линии 523 на элемент 524, который в течение интервала t8 вычисляет плотность протекающего материала с использованием скорректированной частоты (периода) информации, выданной элементом 522. Выражение, использованное в элементе 524 для осуществления такого вычисления, выглядит следующим образом:
Dm={(d)[(tcm)Tc 2- K1]/K2}+Da
где d=Dw-Da;
Dw = плотность воды;
Da = плотность воздуха,
tcm = температурный коэффициент трубки для измеренной частоты;
Тc = скорректированный период колебаний трубки;
K1 = (tca)Ta 2;
Тa = период колебаний трубки для воздуха при отсутствии потока;
tca = температурный коэффициент трубки при воздушной калибровке;
K2=(tcw)Tw 2-tca (Ta 2);
tcw = температурный коэффициент трубки при водяной калибровке;
Тw = период колебаний трубки для воды при отсутствии потока.
Информация плотности, вырабатываемая элементом 524, поступает в виде информации обратной связи по линии 525 и по линии 418 на элемент 417, который вычисляет объемный расход материала с повышенной точностью, используя на входах как информацию плотности, так и информацию массового расхода. Информация плотности по линии 525 поступает также на средства использования 29.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вид осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается только этим видом его реализации и что в него могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки приведенной далее формулы изобретения и соответствующие духу и концепции настоящего изобретения.
Например, конструктивное исполнение вибрирующей трубки с использованием эффекта Кориолиса не обязательно должно соответствовать показанному на фиг. 1, где изображена пара в основном U-образных трубок. В случае необходимости может быть использована единственная U-образная трубка. В случае необходимости также может быть использован денсиметр с прямой вибрирующей трубкой Кориолиса. Кроме того, в описании была описана конструкция с парой датчиков, выходные сигналы которых использованы для получения информации Δt, которая затем использовалась в схемах обработки для выработки массового расхода, объемного расхода и другой информации, которую должен выдавать измерительный прибор Кориолиса. Использование такой техники с определением Δt является совершенно не обязательным, так как, что известно само по себе, может быть использован датчик амплитуды, выходной сигнал которого пропорционален амплитуде сигнала эффекта Кориолиса. Эта амплитуда совместно с другой необходимой информацией может быть затем использована для вычисления массового расхода, объемного расхода и другой информации, которую должен выдавать измерительный прибор.
В общем, можно сказать, что принципы настоящего изобретения не ограничиваются использованием сдвоенной U-образной конструкции, показанной на чертежах. В изобретении может быть использована единственная U-образная трубка, также как и главным образом прямая вибрирующая трубка или любая другая подходящая конструкция трубки, известная в данной области. Более того, изобретение не ограничено использованием обработки сигнала типа Δt, но, вместо этого, может быть применено в системах, в которых сила Кориолиса выражена в виде амплитудного сигнала.
Далее следует указать, что материал, плотность которого определена в соответствии со способом и устройством, соответствующими настоящему изобретению, может представлять собой жидкость, газ, их смесь, также как и любое другое вещество, которое протекает через трубку, такое как сточные воды различных типов. Массовый расход (MR) и объемный расход (VR) могут вырабатываться аппаратурой, содержащей денсиметр, или, в альтернативном варианте, могут вырабатываться отдельным устройством и поступать на денсиметр, соответствующий настоящему изобретению.
Изобретение относится к измерительному прибору, основанному на эффекте Кориолиса, и может быть использовано для измерения плотности материала, протекающего через расходную трубку прибора. Работа денсиметра основана на измерении собственной частоты вибрирующей трубки, коррекции измеренной частоты для компенсации ее уменьшения при увеличении массового расхода материала и использовании скорректированной собственной частоты (или периода колебаний) трубки для определения плотности. Коэффициент коррекции определяют по значениям массового MR и объемного VR расхода протекающего материала. Величину MR измеряют с помощью датчиков скорости, закрепленных на расходной трубке. Для определения VR используют выходной сигнал прибора, полученный в предыдущем цикле измерения. Изобретение обеспечивает повышение точности в области высоких массовых расходов. 2 с. и 24 з.п.ф-лы, 6 ил.
Dm = {(d)[tcm)Tc 2 - K1]/K2} + Da,
где Dm - плотность материала;
d = Dw-Da;
Dw - плотность воды;
Da - плотность воздуха;
tcm - температурный коэффициент трубки для измеренной частоты;
K1 = (tca)Ta 2;
Ta - период колебаний трубки для воздуха при отсутствии потока;
tca - температурный коэффициент трубки при воздушной калибровке;
K2 = (tcw)Tw 2 - tca(Ta 2);
tcw - температурный коэффициент трубки при водяной калибровке;
Tw - период колебаний трубки для воды при отсутствии потока.
ωn= ω
где ωn - скорректированная частота;
ω
Dm = {(d) [tcm) Tc 2 - K1]/K2} + Da,
где Dm - плотность материала;
d = Dw - Da;
Dw - плотность воды;
Da - плотность воздуха;
tcm - температурный коэффициент трубки для измеренной частоты;
Tc - скорректированный период колебаний трубки;
K1 = (tca)Ta 2;
Ta - период колебаний трубки для воздуха при отсутствии потока;
tca - температурный коэффициент трубки при воздушной калибровке;
K2 = (tcw)Tw 2 - tca(Ta 2);
tcw - температурный коэффициент трубки при водяной калибровке;
Tw - период колебаний трубки для воды при отсутствии потока.
| US 4876879 A, 31.10.89 | |||
| Устройство для подачи и уплотнения строительных смесей | 1987 |
|
SU1597269A1 |
| Вибрационный расходомер | 1979 |
|
SU832346A1 |
