Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение касается кориолисового расходомера и, в частности, кориолисового расходомера с одной трубкой, который поддерживает динамическое равновесие между трубкой и балансиром под влиянием изменений плотности протекающего вещества.
Проблемой кориолисовых расходомеров с одной трубкой является поддержание динамического равновесия между колеблющейся трубкой с потоком вещества и связанным балансиром. Кориолисовые расходомеры с одной трубкой снабжены балансирами для поддержания динамического равновесия расходомера при изменяющихся рабочих условиях. Балансиры соединяют с трубкой расходомера, и они колеблются, не совпадая по фазе с трубкой, так что комбинация балансира и колеблющейся трубки образует динамически сбалансированную конструкцию.
Кориолисовые расходомеры с одной трубкой калибруют и динамически балансируют на заводах для вещества, имеющего известный удельный вес, или для веществ, имеющих известный узкий диапазон удельных весов, например, от 0,8 до 1,0; от 1,0 до 1,2 и т.д. Это раскрыто в патенте США 5398554 и европейском патенте ЕР 0759542 А1. Такие расходомеры удовлетворительно работают и поддерживают свое динамическое равновесие до тех пор, пока их использование ограничивается веществами, имеющими удельный вес, близкий к удельному весу, в отношении которого расходомер был откалиброван. Однако не всегда можно ограничивать кориолисовый расходомер использованием для веществ, имеющих удельный вес, в отношении которого расходомер был откалиброван. Использование расходомера с веществами, имеющими другие плотности, выводит расходомер из сбалансированного состояния и заставляет его встряхиваться, что приводит к снижению точности.
Кориолисовый расходомер с одной трубкой обычно содержит трубку, балансир или балансировочную трубку: (в дальнейшем называемую балансиром), колебательным образом подсоединенную к трубке и окружающему кожуху, который заключает балансир и трубку. Часто из трубки через концы кожуха проходит удлиненный выступ так, что конструкцию расходомера можно подсоединять к связанному трубопроводу, поток вещества в котором подлежит измерению. Когда достигнуто динамическое равновесие расходомера, местонахождения концевых узлов нулевого движения обычно находятся у пересечения трубок и концов кожуха. Сравнительно короткая часть трубки проходит внутрь от каждого конца кожуха к распорной пластине, которая является перпендикулярной продольной оси трубки и соединяет трубку с концами балансира. Заполненная веществом трубка и балансир колеблются, не совпадая по фазе друг с другом, таким образом, что пара из трубки и балансира образует динамически сбалансированную конструкцию с узлами, находящимися на пересечении трубки и концов кожуха. При достижении этого динамического равновесия кожух не колеблется.
Колебание кожуха, обусловленное динамическим дисбалансом, происходит в случае, когда расходомер функционирует с веществом, имеющим удельный вес, отличающийся от удельного веса, для которого расходомер был откалиброван и сбалансирован. При этих условиях расположение узлов смещается так, что они больше не находятся у конца кожуха. В зависимости от удельного веса нового вещества узлы колебаний либо смещаются внутрь (в случае более тяжелого вещества) от конца кожуха и по направлению к центру расходомера, либо узлы смещаются наружу (в случае более легкого вещества) на внешнюю сторону кожуха и в трубопровод. При любом условии кожух колеблется для удовлетворения закона сохранения количества движения, затем точность расходомера снижается.
Конструкция расходомера включает в себя размещение датчиков скорости в благоприятных местоположениях на трубке относительно концевых узлов трубки. Известно, что размещение датчиков сравнительно близко к концевым узлам увеличивает чувствительность расходомера, в то время как расположение датчиков дальше от концевых узлов снижает чувствительность расходомера. Желательно, чтобы расходомер имел фиксированную и известную чувствительность. Перемещение концевых узлов, когда расходомер функционирует с веществами различных плотностей, приводит к изменению расстояния между датчиками и узлами. Это изменяет чувствительность измерительного прибора и ухудшает точность его выходной информации. Хотя это изменение чувствительности сравнительно небольшое, оно является достаточно большим в критических применениях, так что ухудшение выходной информации приводит к проблемам для пользователя.
В общих словах, чувствительность к потоку кориолисового расходомера является функцией расстояния между его датчиками скорости и узлами, которые определяют концы активной длины трубки. В расходомерах с одной трубкой изменения в удельном весе потока веществ вызывают изменение расположения концевых узлов трубки, что в свою очередь изменяет чувствительность расходомера.
Традиционный способ решения проблемы баланса в кориолисовом расходомере с одной трубкой состоит в том, чтобы делать массу кожуха настолько большой, насколько возможно для снижения до минимума его амплитуды колебаний и вследствие этого снижения до минимума изменения в расположении узлов. Кроме того, поскольку дисбаланс (который вызывает вибрацию расходомера) является функцией плотности вещества и поскольку плотность вещества определяется на основании частоты трубки, программный алгоритм в электронном приборе расходомера используется для преобразования калибровочного коэффициента потока расходомера в соответствии с частотой колебаний трубки. Это показано в патенте ЕР 0831306 А1. Главная проблема в связи с этим подходом состоит в том, что он не учитывает влияние жесткости крепления расходомера на амплитуду колебаний расходомера. Мягкое крепление расходомера приводит к более высокой амплитуде колебаний (и большему смещению местонахождений узлов) расходомера, чем жесткое крепление. Корректирующий алгоритм, используемый в оснащении выходными средствами контроля, предполагает крепление измерителя, имеющее "среднюю жесткость", и таким образом осуществляет недокомпенсацию для мягкого крепления и перекомпенсацию для жесткого крепления. Это приводит к снижению точности выходной информации кориолисового расходомера и связанных с ним средств контроля. Патенты ЕР 0759542 А1 и США 5398554 иллюстрируют, как в известной технике стремились преодолеть проблему поддержания баланса измерителя во всем диапазоне плотностей текучих сред. Они делают это посредством регулируемых вручную противовесов. Этот способ имеет проблемы, заключающиеся в том, что он не обеспечивает возможность точного измерения текучих сред с непрерывно изменяющейся плотностью.
Настоящее изобретение решает вьшеупомянутые проблемы и достигает прогресса в технике посредством расходомера, имеющего одну трубку, балансир и связанную соединительную конструкцию, которая поддерживает динамическое равновесие расходомера в широком диапазоне плотностей веществ. Это динамическое равновесие поддерживается между трубкой и балансиром путем управления характеристиками упругости балансира, трубки и соединительной конструкции, ниже называемой распорной пластиной. Распорная пластина связывает концы балансира с трубкой и поддерживает этот баланс, динамически изменяя резонансную частоту балансира для согласования ее с трубкой, при ее заполнении веществом с различными плотностями. При выполнении этой функции балансир ведет себя подобно динамическому демпферу и автоматически поддерживает амплитуду колебаний, требуемую для уравновешивания амплитуды колебаний трубки и вещества в ней.
Два основных закона колебательных систем применены к настоящему изобретению. Первый (при отсутствии внешних сил) заключается в том, что должно сохраняться количество движения. Это означает, что масса, умноженная на скорость в одном направлении, равна массе, умноженной на скорость в противоположном направлении. В сбалансированном расходомере масса трубки и содержащееся в ней вещество, умноженное на его скорость в одном направлении, равно массе балансира, умноженной на его скорость в противоположном направлении. (При синусоидальном движении скорость пропорциональна амплитуде колебаний. Поскольку различные точки вдоль трубки и балансира имеют изменяющиеся амплитуды, это становится проблемой исчисления.) В несбалансированном расходомере этот закон все еще сохраняется, но также включаются масса кожуха расходомера и масса подсоединенного трубопровода, поскольку они колеблются либо с трубкой, либо с балансиром. Независимо от того, какая общая масса встряхивается расходомером, колеблющиеся массы можно разделить на две группы: массы, которые колеблются с трубкой, и массы, которые колеблются с балансиром. Сохранение количества движения требует, чтобы общее количество движения этих двух групп было равно и противоположно.
Второй закон, подходящий к настоящему изобретению, заключается в том, что две половины колебательной системы, состоящей из двух тел, должны иметь одну и ту же резонансную частоту. Если бы они имели не одну и ту же резонансную частоту, они составили бы отдельные виды колебаний, а не две половины одного и того же вида. Резонансная частота равна квадратному корню из жесткости, деленной на массу. Следовательно, две группы масс, имеющие одну и ту же резонансную частоту, должны иметь одно и то же отношение жесткости к массе.
В кориолисовом расходомере жесткость и масса пространственно распределены по всему измерителю. В такой сложной конструкции некоторые области действуют главным образом как массы, в то время как другие области действуют как пружины. Для иллюстрации этой концепции используется простая консольная балка, колеблющаяся в своем первом изгибном режиме колебаний. Она имеет равномерное распределение массы и однородную жесткость по всей ее длине. Масса, которая близко к колеблющемуся концу балки имеет большее влияние на ее резонансную частоту, чем масса около неподвижного конца. Таким образом, функция массы, которая является произведением локальной массы и локальной амплитуды колебаний, сконцентрирована близко к колеблющемуся концу. Точно так же жесткость колеблющегося конца оказывает небольшое влияние на резонансную частоту, в то время как жесткость у неподвижного конца оказывает большое влияние. Таким образом, функция пружинистости (упругости), которая является произведением локальной жесткости пружины k, умноженной на локальный изгибающий момент, сконцентрирована близко к неподвижному концу.
В известных кориолисовых расходомерах (типа описанных в патенте ЕР 0759542 А1) трубка и балансир неподвижны на обоих концах, так что максимальная амплитуда колебаний находится в центре. Таким образом, масса в центре имеет наибольшее динамическое воздействие на задающей частоте. Однако изгибающий момент имеет три максимума. Моменты являются самым большим в центре и на концах трубки и балансира. Таким образом, функцию пружины совместно распределяют три области в каждом из колеблющихся элементов.
В сбалансированном расходомере трубка с содержащимся веществом и балансир имеют одно и то же отношение жесткости к массе, поскольку они имеют одну и ту же резонансную частоту. Когда обычный расходомер с одной трубкой не сбалансирован из-за вещества с отличающейся плотностью, узлы, отделяющие конструкцию трубки от конструкции балансира, перемещаются, приводя в соответствие сохранение количества движения объединенной конструкции, содержащей трубку, балансир и кожух. При более плотном веществе узлы перемещаются внутрь в трубке так, что часть массы трубки и массы кожуха колеблется с балансиром. В результате смещения массы собственная частота трубки снижается меньше, чем может показать увеличенная плотность вещества, потому что трубка отдает некоторую массу балансиру. Также собственная частота балансира снижается от добавляемой массы, содержащей часть трубки и кожуха, так что отношения массы к жесткости и резонансные частоты двух конструкций остаются равными. В случае веществ с низкой плотностью узлы смещаются в противоположном направлении и балансир отдает массу трубке, чтобы сохранить резонансные частоты равными.
В известных решениях, смещение местоположений узлов главным образом смещает массу от одного элемента и кожуха к другому элементу. Проблема заключается в вовлечении массы кожуха и в том, что его амплитуда колебания является функцией жесткости монтажа, которая не известна. Поскольку амплитуда колебания кожуха является неизвестной, смещение чувствительности измерителя также не известно. Смещение узлов при дисбалансе также изменяет жесткости пружин двух элементов, делая одну "пружину" длиннее, а другую короче. Но поскольку "функция пружины" в каждом элементе распространяется по всей конструкции, расстояние смещения узлов очень маленькое по сравнению с длиной "пружины", и смещение жесткостей пружин весьма небольшое.
В настоящем изобретении, максимальный изгибающий момент каждого элемента скорее концентрируется вблизи концевых узлов, а не распределяется по всей конструкции. Это концентрирование приводит к локализованной жесткости, очень важной в определении резонансной частоты. Таким образом, смещение в расположении узлов значительно изменяет эффективные длины пружин, делая одну короче и, следовательно, жестче, а другую длиннее и мягче (жесткость пружины обратно пропорциональна длине пружины). В настоящем изобретении смещение узлов при изменении плотности вещества изменяет жесткости пружин таким образом, чтобы сохранить резонансные частоты трубки и балансира равными. При равных резонансных частотах амплитуды колебаний трубки и балансира корректируются сами автоматически, чтобы сохранить количество движения. Этим способом баланс измерителя поддерживается без передачи значительной массы или вовлечения корпуса измерительного прибора.
В соответствии с настоящим изобретением функция пружины сконцентрирована в распорной пластине и, по существу, удалена от трубки и балансира. Значение конструкции как пружины может быть определено величиной энергии пружины, которая запасена в ее состоянии прогиба. Если область хранит очень небольшую энергию пружины, она имеет очень слабое динамическое воздействие на частоте системы. Уравнение для энергии пружины, имеющее следующий вид:
Е=1/2 kx2,
показывает, что энергию пружины можно сделать незначительной, делая жесткость, k, очень маленькой. При таком выполнении конструкция ведет себя, как если бы имелось шарнирное соединение или зазор в местоположении очень мягкой пружины. Энергию пружины также можно делать незначительной в области, делая прогиб пружины, х, очень маленьким. Это можно выполнить либо посредством локального снижения нагрузки, либо делая жесткость k пружины настолько большой, что нагрузка будет не в состоянии отклонять элемент. При таком выполнении конструкция ведет себя, как если бы имелась жесткая связь в местоположении высокой жесткости. Оба эти способа используются для удаления функции пружины расходомера из балансира и трубки. Балансир и трубка все еще остаются важными для динамики системы, но только как элементы массы.
В соответствии с одним возможным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения трубка удалена из функции пружины путем удаления средней части трубки и замены ее гибким сильфоном. Сильфон имеет такую низкую жесткость пружины, что он хранит очень небольшую энергию, несмотря на его высокое отклонение. Эта мягкая средняя секция трубки позволяет ей деформироваться подобно двум жестким консольным балкам, свободно связанным на своих концах сильфоном. Изгибающий момент в динамической части трубки эффективно заменен сильфоном таким образом, что половинки трубки на каждой стороне сильфона подвергаются очень незначительной деформации (они остаются относительно прямыми). Таким образом, большая часть деформации пружины и аккумулирования энергии пружины удалена из динамической части трубки. Поскольку трубка должна быть непрерывна и не может заканчиваться у распорных пластин, концы трубки (внешние относительно распорных пластин и внутренние относительно концов кожуха) изгибаются, когда отклоняются жесткие секции консольной балки трубки. Эти секции трубки (далее называемые выступами трубки) запасают энергию пружины, когда они сгибаются. В оптимальном варианте осуществления настоящего изобретения, по существу, вся энергия пружины содержится в распорных пластинах. Вследствие этого энергия пружины удаляется из выступов трубки благодаря использованию в выступах трубки сильфонов, которые устраняют энергию пружины таким же образом, как и центральный сильфон трубки. Полная функция пружины для трубки в настоящем изобретении посредством трех сильфонов постоянно находится в распорной пластине.
Соответствующий настоящему изобретению балансир также исключен из функции пружины, поскольку он также сделан очень гибким в своем центре. Подобно трубке, остальная часть балансира сделана жесткой. Балансир не простирается за пределы распорных пластин на его концах, следовательно, концевой сильфон там не требуется. Комбинация мягкой в центре и жестких остальных частей действительно исключает балансир из функции пружины измерителя. В результате исключения трубки и балансира из функции пружины измерителя функция пружины сконцентрирована почти исключительно в распорной пластине.
Концентрация функции пружины расходомера в распорных пластинах является благоприятной, поскольку распорные пластины имеют сравнительно небольшую длину и действительно содержат короткие пружины. Расходомер по настоящему изобретению сбалансирован так, что концевые узлы, которые динамически отделяют пружину трубки от пружины балансира, постоянно находятся в распорной пластине. Таким образом, каждый концевой узел отделяет короткую часть эффективной пружины, которая действует на трубке, от короткой части эффективной пружины, которая действует на балансире. Изменения плотности вещества вызывают небольшие смещения местоположений узлов, которые заставляют одну пружину становиться значительно более короткой и более жесткой, а другую становиться значительно длиннее и мягче (потому что пружины являются настолько короткими). Сохранение количества движения диктует, чтобы расположение узлов перемещалось к элементу с увеличиваемой массой. В случае более плотного вещества узлы перемещаются к трубке, в то время как в случае менее плотного вещества они перемещаются к балансиру. В результате этого в случае более плотного вещества пружина трубки (локализованная в распорной пластине) становится более жесткой, а пружина балансира (также локализованная в распорной пластине) становится более мягкой. Это изменение служит для поддержания двух элементов на равных резонансных частотах. И наоборот, в случае менее плотного вещества узлы перемещаются к балансиру, пружина трубки становится более мягкой, а пружина балансира становится более жесткой, и поддерживаются равные резонансные частоты.
Когда трубка и балансир имеют равные резонансные частоты, они действуют в отношении друг друга подобно настроенным динамическим демпферам. По существу, они регулируют свои относительные амплитуды колебаний так, чтобы количество движения сохранялось без вовлечения существенной вибрации кожуха или трубопровода. Баланс поддерживается путем изменения жесткости пружины колеблющегося элемента, а не масс. Это имеет большое преимущество над известной техникой, состоящее в том, что пониженная вибрация кожуха и трубопровода уменьшает изменение чувствительности измерителя при жесткости монтажа.
Ранее было установлено, что в известных в технике измерителях смещение узлов с изменением плотности вещества производило небольшое (незначительное) изменение жесткости пружины наряду с основным изменением в распределении массы. Причина заключается в том, что балансиры известных в технике измерителей являются трубками, имеющими или не имеющими отверстия (патент США 5365794), либо имеющими очень маленькие отверстия (патент ЕР 0831306 А1), через которые выступают магниты датчиков и привода. Эта конфигурация балансира имеет почти постоянную жесткость на изгиб по всей его длине. Кроме того, изгибающий момент в режиме привода имеет три максимума: по одному на каждом конце и один в центре. Сочетание равномерной жесткости и максимума изгибающего момента в центре балансира означает, что в этой области запасено большое количество энергии пружины балансира. Центральное расположение балансира находится достаточно далеко от концевых узлов, так что перемещение узлов из-за изменения плотности текучей среды не влияет на энергию пружины в центре балансира. Перемещение узлов влияет на функцию пружины вблизи распорной пластины и делает один элемент немного более мягким, а другой немного более жестким, но изменение не достаточно, чтобы имелось значительное влияние на жесткость пружины балансира. Без значительного изменения жесткости пружины известные в технике измерители имеют существенное перемещение узлов, так что узлы выходят из распорной пластины и перемещаются либо в балансир (в случае текучей среды с низкой плотностью), либо в трубку (в случае текучей среды с высокой плотностью). В любом случае для сохранения количества движения кожух колеблется в фазе либо с трубкой, либо с балансиром.
Наоборот, настоящее изобретение создает небольшое смещение в распределении массы наряду с основным смещением жесткостей пружин. Для сохранения минимального участия массы измерителя необходимы две особенности конструкции. Первая состоит в концентрации пружины расходомера вблизи концевых узлов. Другая состоит в том, что связь динамической системы трубки - балансира с кожухом (или внешним пространством, если кожух не используется) должна быть в точках с нулевой амплитудой колебаний. Единственными областями в динамической системе, которые не имеют никакой амплитуды колебаний, конечно, являются концевые узлы. Концевые узлы находятся внутри распорной пластины, и они изменяют положение при изменении плотности вещества. Следовательно, устройство конструкции, соединяющей динамическую систему с кожухом (ниже называемое соединительным звеном кожуха), является критическим в отношении сохранения амплитуды колебаний кожуха близкой к нулю.
Конкретная конструкция соединительных звеньев кожуха по настоящему изобретению зависит от конструкции балансира. Один предпочтительный вариант осуществления балансира имеет балансир, концентрический с трубкой, так что трубка проходит через полый центр балансира. В этом случае распорные пластины имеют форму круговых колец, которые проходят от внешнего диаметра трубки до внутреннего диаметра балансира. Распорная пластина (кольца) имеет ограниченную в осевом направлении длину с целью создания соответствующей жесткости для сообщения желательной резонансной частоты динамической конструкции расходомера. Распорные пластины размещены на концах балансира.
При наличии этой оптимальной конфигурации определяется характер деформации каждой распорной пластины. Измеритель сбалансирован так, чтобы расположение узлов на каждом конце измерителя было в пределах распорной пластины. Внутренняя поверхность распорной пластины (кольца) перемещается с трубкой, а наружная поверхность перемещается с балансиром. Следовательно, каждый узел состоит из цилиндрической поверхности между наружной поверхностью и внутренней поверхностью распорной пластины. Снаружи от узловой поверхности вещество распорной пластины колеблется синфазно с балансиром и увеличивает его амплитуду колебания с расстоянием от узловой поверхности. Внутри от узловой поверхности вещество распорной пластины колеблется синфазно с трубкой, и это также увеличивает амплитуду с расстоянием от узловой поверхности. Таким образом видно, что вещество распорной пластины отклоняется в сдвиге, как будто это была пружина, работающая на кручение. Узловая поверхность отделяет эффективную пружину балансира от эффективной пружины трубки. Когда отношение амплитуд между трубкой и балансиром изменяется из-за изменения плотности вещества, цилиндрическая поверхность узлов перемещается внутрь или наружу, изменяя свой диаметр. Это изменяет относительные длины "пружин" и поддерживает равенство собственных частот двух активных элементов несмотря на изменения массы трубки. Передача массы между трубкой и балансиром, которая происходит с этим сдвигом узлов, незначительная, и масса кожуха не должна вовлекаться.
Соединительные звенья кожуха должны поддерживать динамическую конструкцию измерителя внутри кожуха, не вызывая вибрацию кожуха. Концы балансира и трубки ведут себя жестко при большей части отклонения, происходящего в распорных пластинах. Они поворачиваются у каждого конца относительно общей оси вращения. У оси вращения отсутствует внешнее перемещение балансира, а имеется вращательное колебание. В предпочтительном варианте осуществления соединительные звенья кожуха прикрепляют к внешней части концов балансира у оси вращения. Благодаря тому что они сделаны жесткими относительно перемещения в направлении вибрации, они могут поддерживать динамическую конструкцию, не сообщая вибрацию кожуху. Делая соединительные звенья кожуха мягкими при кручении, можно исключить энергию пружины вне распорной пластины. В предпочтительном варианте осуществления соединительные звенья кожуха представляют собой конструкции, имеющие форму плоской бабочки, которые проходят вдоль оси качания между внешней частью балансира и внутренней частью кожуха. Имеются четыре из них, по одной на каждой стороне каждого конца балансира. Плоская поверхность звеньев ориентирована перпендикулярно оси трубки. Эта конфигурация осуществляет жесткую связь между динамической конструкцией и кожухом в направлении вибрации балансира - трубки. "Сужение" формы бабочки, которое происходит приблизительно на середине между балансиром и кожухом, выполняет мягкую при кручении связь между балансиром и кожухом и снижает в звеньях энергию пружин, работающих на кручение. В патенте ЕР 0759542 А1 раскрыт кориолисовый расходомер, содержащий:
трубку (104) балансир (1101), ориентированные, по существу, параллельно друг другу;
распорную пластину (1001), подсоединяющую концевые участки балансира к трубке;
при этом трубка (104) имеет функцию пружины и функцию массы;
при этом балансир (1101) имеет функцию пружины и функцию массы;
эталонную массу (1401);
средство (1701) для подсоединения эталонной массы к распорной пластине;
средство (СВ) возбуждения для возбуждения колебаний балансира и трубки в поперечном направлении, которые не совпадают по фазе относительно друг друга;
при этом средство возбуждения колебаний будет эффективным для создания узла колебаний в одном из упомянутых распорной пластины (1001), балансира (1101) или трубки (104), и при этом узел колебаний обеспечивает разделение функции пружины трубки от функции пружины балансира.
В общих словах, настоящее изобретение поддерживает динамическое равновесие несмотря на изменения плотности вещества посредством изменения относительной жесткости пружин, а не распределения массы. Это осуществляется путем концентрирования структурной пружины вблизи концевых узлов. Динамическая конструкция поддерживается в кожухе звеньями вдоль оси качания балансира трубки. Эти звенья являются жесткими при перемещении в направлении вибрации, но мягкими при кручении.
Можно отметить, что аспект изобретения включает в себя кориолисовый расходомер, имеющий улучшенное динамическое равновесие; причем упомянутый кориолисовый расходомер содержит:
трубку (104) и балансир (1101), ориентированные, по существу, параллельно друг другу;
распорную пластину (1001), подсоединяющую концевые участки балансира к трубке;
при этом трубка (104) имеет функцию пружины и функцию массы;
при этом балансир (1101) имеет функцию пружины и функцию массы;
кожух (1401);
соединительное средство (1701) кожуха для подсоединения кожуха к распорной пластине;
средство (СВ) возбуждения для возбуждения колебаний балансира и трубки в поперечном направлении, которые не совпадают по фазе относительно друг друга;
при этом средство возбуждения колебаний будет эффективным для создания узла колебаний в одном из упомянутых распорной пластины (1001), балансира (1101) или трубки (104); при этом узел колебаний обеспечивает разделение функции пружины трубки от функции пружины балансира;
отличающийся тем, что:
продольный гибкий средний участок (1002) балансира имеет повышенную гибкость по сравнению с остальной частью балансира;
при этом гибкий средний участок балансира концентрирует функцию пружины балансира близко к узлу колебаний;
концентрация функции пружины балансира, которая близко к узлу колебаний, изменяет функцию пружины балансира под действием наличия веществ различных плотностей в трубке в разные моменты времени;
изменения в функции пружины балансира поддерживают улучшенное динамическое равновесие кориолисового расходомера, когда вещества различных плотностей проходят через трубку в разные моменты времени.
Другой аспект заключается в том, что гибкий средний участок балансира содержит вырезанный участок (2402).
Еще один аспект заключается в том, что кориолисовый расходомер дополнительно содержит:
продольный гибкий средний участок (1003) трубки, имеющий повышенную гибкость по сравнению с остальной частью трубки;
при этом гибкий средний участок трубки концентрирует функцию пружины трубки близко к узлу колебаний; причем концентрация функции пружины трубки изменяет функцию пружины трубки под действием наличия веществ различных плотностей в трубке в разные моменты времени;
при этом изменения в функции пружины трубки дополнительно поддерживают улучшенное динамическое равновесие кориолисового расходомера, когда вещества различных плотностей проходят через трубку в разные моменты времени.
Еще один аспект заключается в том, что гибкий средний участок трубки включает в себя сильфон (1003).
Еще один аспект заключается в том, что кожух (1401) окружает упомянутые балансир (1101), трубку (104) и распорную пластину (1001);
при этом кожух имеет продольную ось, по существу, параллельную балансиру и трубке; и
соединительное средство кожуха подсоединяет распорную пластину к кожуху для предотвращения перемещения распорной пластины относительно кожуха.
Еще один аспект заключается в том, что соединительное средство (1701) кожуха содержит первое и второе соединительные звенья, каждое из которых имеет, по существу, плоскую поверхность, ориентированную, по существу, перпендикулярно продольной оси балансира, и имеет форму, обеспечивающую возможность вращения распорной пластины относительно кожуха, в то же время предотвращая перемещение распорной пластины относительно кожуха;
при этом вращение распорной пластины осуществляется относительно оси, перпендикулярной продольной оси балансира и трубки и проходящей от распорной пластины к кожуху.
Еще один аспект заключается в том, что, по существу, плоская поверхность каждого из упомянутых первого и второго соединительных звеньев кожуха, по существу, имеет форму песочных часов, чтобы определить первый конец (1704), и узкий средний участок (1702) и второй конец (1703).
Еще один аспект заключается в том, что первый конец (1704) каждого из упомянутых первого и второго соединительных звеньев кожуха подсоединен к распорной пластине, а второй конец подсоединен к внутреннему участку стенки кожуха;
при этом средний участок каждого соединительного звена кожуха имеет низкую жесткость пружины, работающей на кручение, для обеспечения возможности поворота распорной пластины относительно кожуха;
при этом средний участок является достаточно прочным для предотвращения перемещения распорной пластины относительно кожуха.
Еще один аспект заключается в том, что каждый из упомянутых первого и второго соединительных звеньев кожуха дополнительно включает в себя элемент (2901) углового соединения, определяющий плоскую поверхность, подсоединенную между балансиром и упомянутыми соединительными звеньями кожуха, причем элемент углового соединения имеет первую сторону, прикрепленную к наружной поверхности балансира, где первая сторона выровнена, по существу, параллельно продольной оси балансира;
при этом элемент углового соединения имеет вторую сторону, по существу, перпендикулярную первой стороне и прикрепленную к, по существу, плоской поверхности каждого соединительного звена кожуха;
при этом элемент углового соединения является эффективным для повышения частоты поперечных колебаний балансира, оставляя, по существу, незатронутой частоту возбуждаемых колебаний, сообщаемых балансиру в направлении, перпендикулярном частоте поперечных колебаний.
Еще один аспект заключается в том, что кориолисовый расходомер дополнительно включает в себя выступы (1404) трубки для подсоединения концевого участка трубки около распорной пластины к концам кожуха.
Еще один аспект заключается в том, что выступы трубки включают в себя сильфоны (2201) рядом с распорной пластиной;
при этом сильфоны являются эффективными для снижения функции пружины выступов трубки для динамического изолирования распорной пластины от концов кожуха.
Еще один аспект заключается в том, что кориолисовый расходомер дополнительно содержит:
датчики (ДП, ДЛ), расположенные близко к трубке для обнаружения кориолисовых возмущений трубки, образуемых протеканием вещества по трубке, в то время как трубка колеблется посредством средства возбуждения;
причем упомянутые датчики являются эффективными при обнаружении упомянутых возмущений и вырабатывают выходные сигналы, представляющие по меньшей мере одну характеристику протекающего вещества.
Еще один аспект заключается в том, что кожух окружает балансир, трубку и распорную пластину;
при этом кожух имеет продольную ось, по существу, параллельную балансиру и трубке;
соединительное средство (1701) кожуха соединяет распорную пластину с внутренним участком стенки кожуха для предотвращения перемещения распорной пластины относительно кожуха во время не совпадающей по фазе вибрации балансира и трубки относительно друг друга;
соединительное средство кожуха имеет форму песочных часов для обеспечения возможности поворота распорной пластины относительно кожуха, в то же время предотвращая перемещение распорной пластины относительно кожуха;
при этом поворот распорной пластины осуществляется относительно оси, перпендикулярной продольной оси балансира и кожуха;
гибкий средний участок балансира включает в себя вырез (2402) для концентрации функции пружины балансира близко к узлу колебаний;
гибкий средний участок трубки включает в себя сильфон (1003) для концентрации функции пружины трубки близко к узлу колебаний;
при этом концентрация функции пружины изменяет жесткость пружины балансира и трубки под действием наличия веществ различных плотностей в трубке в разные моменты времени;
выступы (1404) трубки подсоединяют концевые участки трубки рядом с распорной пластиной к концам кожуха;
при этом выступы трубки включают в себя сильфон около распорной пластины для уменьшения жесткости выступов трубки для динамического изолирования распорной пластины от концов кожуха;
при этом распорная пластина обеспечивает, по существу, полную функцию пружины кориолисового расходомера для сохранения динамического равновесия кориолисового расходомера путем изменения отношения жесткости сегментов распорной пластины, в то время как в трубке находятся вещества различных плотностей; и
датчики (ДЛ, ДП) расположены близко к трубке для обнаружения кориолисовых колебаний трубки, создаваемых потоком вещества при прохождении через трубку, в то время как трубка колеблется посредством средства возбуждения;
причем упомянутые датчики являются эффективными при обнаружении упомянутых колебаний и вырабатывают выходные сигналы, представляющих, по меньшей мере, одну характеристику протекающего вещества.
Еще один аспект заключается в том, что звенья соединительного средства имеют, по существу, плоскую поверхность, ориентированную, по существу, перпендикулярно продольной оси балансира, и имеют форму, обеспечивающую возможность вращения распорной пластины относительно кожуха, в то же время предотвращая перемещение распорной пластины относительно кожуха;
при этом вращение распорной пластины происходит относительно оси, перпендикулярной продольной оси трубки и проходящей от распорной пластины к кожуху;
первый конец соединительного звена кожуха подсоединен к распорной пластине, а второй конец подсоединен к внутреннему участку стенки кожуха;
средний участок соединительного средства кожуха имеет низкую жесткость пружины, работающей на кручение, для обеспечения возможности поворота распорной пластины относительно кожуха;
упомянутый средний участок является достаточно прочным для предотвращения перемещения распорной пластины относительно кожуха;
соединительное средство кожуха дополнительно включает в себя элемент (2901) углового соединения, определяющий плоскую поверхность, подсоединенную между балансиром и соединительным средством кожуха;
при этом элемент углового соединения имеет первую сторону, прикрепленную к наружной поверхности балансира, причем первая сторона выровнена, по существу, параллельно продольной оси балансира;
также элемент углового соединения имеет вторую сторону, по существу, перпендикулярную первой стороне и прикрепленную к, по существу, плоской поверхности соединительного средства кожуха;
при этом элемент углового соединения является эффективным для повышения частоты поперечных колебаний балансира при оставлении, по существу, незатронутой частоты возбуждаемых колебаний, сообщаемых балансиру в направлении, перпендикулярном частоте поперечных колебаний.
Еще один аспект изобретения включает в себя способ динамического балансирования кориолисового расходомера, содержащего балансир (1101) и трубку (104), ориентированные, по существу, параллельно друг другу;
распорные пластины (1001), подсоединенные к кожуху (1401) расходомера и концевым участкам балансира и к трубке, при этом способ включает этапы:
колебания балансира и трубки в поперечном направлении не синфазно относительно друг друга, чтобы создать узел колебаний в одном из элементов балансира, распорной пластины или трубки;
при этом узел колебаний обеспечивает разделение функции пружины трубки от функции пружины балансира;
отличающийся тем, что
обеспечивают средний участок (2402) балансира, который имеет большую гибкость, чем остальная часть балансира;
концентрируют функции пружины балансира близко к упомянутому узлу;
причем упомянутый этап концентрирования изменяет функцию пружины балансира под действием наличия веществ различных плотностей в трубке в разные моменты времени;
упомянутый этап изменения функции пружины обеспечивает улучшенное динамическое равновесие кориолисового расходомера под действием наличия веществ с различными плотностями в трубке в разные моменты времени. Описание чертежей
Изобретение можно лучше понять при последующем изучении его подробного описания, приведенного совместно с чертежами, на которых:
фиг. 1, 2 и 3 раскрывают характеристики колебаний известного в технике кориолисового расходомера с прямой трубкой;
фиг. 4, 5, 6, 7 и 8 раскрывают характеристики колебаний сосредоточенных структур пружин/массы;
фиг.9 раскрывает" известный кориолисовый расходомер;
фиг.10 раскрывает структуру пружины балансира и трубки по настоящему изобретению;
фиг.11, 12, 13, 14, 15 и 16 раскрывают дополнительные детали конструкции распорной пластины, балансира и трубки по настоящему изобретению;
фиг.17, 18, 19, 20 и 21 раскрывают дополнительные детали соединительного средства кожуха по настоящему изобретению;
фиг. 22 раскрывает удлиняющий выступ трубки по настоящему изобретению;
фиг. 23, 24, 25, 26, 27 и 28 раскрывают детали первого и второго возможных примерных вариантов осуществления настоящего изобретения;
фиг. 29 и 30 раскрывают альтернативный вариант осуществления показанных на фиг.18-21 соединительных звеньев распорной пластины.
Фиг. 1 изображает кориолисовый расходомер с трубкой 104, которая колеблется средством возбуждения СВ колебаний, размещенным в центре 101 трубки 104, и действует при условиях отсутствия потока, чтобы создать положения 102 и 103 узлов. Трубка 104 связана с левым датчиком ДЛ и правым датчиком ДП. Пунктирная линия 106 является осью нулевого смещения трубки 104. Пунктирная линия 107 является противоположным крайним отклонением трубки 104. Фиг.2 изображает тот же самый расходомер, действующий при условии наличия потока.
В кориолисовых расходомерах с колеблющейся трубкой сила Кориолиса протекающего вещества деформирует форму колеблющейся трубки 104. Эта деформация, которая представлена в значительно увеличенном масштабе в виде элемента 108 на фиг. 2, вызывает колебание различных местоположений вдоль трубки 104 с немного отличающимися фазами. Каждая точка вдоль колеблющейся трубки подвергается синусоидальному движению; но во время протекания вещества точки не достигают одновременно своих максимальных смещений или нулевых смещений. Центр колеблющейся трубки не испытывает изменения фазы с изменением потока, в то время как местоположения по направлению к впускному концу испытывают увеличивающиеся отставания по фазе, а местоположения по направлению к выходному концу трубки испытывают увеличивающиеся опережения по фазе. Таким образом, точки, имеющие максимальное отставание и опережение по фазе, находятся на впускном и выпускном концах колеблющегося участка трубки. Эти концы определены узлами или местоположениями нулевой амплитуды колебаний.
Полагают, что концевой узел 102 находится на входе трубки 104, в то время как концевой узел 103 расположен на выходе трубки 104. Часть трубки слева от ее середины 101 имеет отставание по фазе, поскольку каждая точка на этой части трубки 104 проходит через ее ось 106 нулевого смещения после того, как соответствующая точка правой стороны трубки 104 проходит через ось 106 нулевого смещения.
Разность фаз между двумя местоположениями на трубке 104 является средством, с помощью которого определяют расход. Датчики скорости (или смещения, или ускорения) ДЛ и ДП размещены в двух местоположениях вдоль трубки 104. Временная задержка (разность фаз, разделенная на частоту трубки) между выходными синусоидальными волнами датчиков прямо пропорциональна массовому расходу через трубку 104. Разность фаз и временная задержка между выходными сигналами датчиков будут наибольшими в концевых узлах 102 и 103. Расположение датчиков скорости ДЛ и ДП в узлах 102 и 103 теоретически обеспечивает наиболее чувствительный измеритель. Однако в узлах 102 и 103 отсутствует амплитуда
колебаний, которую можно измерять, поскольку они не двигаются. Таким образом, компромиссное местоположение для датчиков скорости ДЛ и ДП выбирают так, чтобы они имели достаточное разнесение от узлов 102 и 103 для приемлемой чувствительности (разности фаз), и достаточной амплитуды сигнала, чтобы обеспечить легко обнаруживаемую синусоидальную волну. Эти компромиссные местоположения обычно находятся приблизительно на полпути между концевыми узлами 102 и 103 и размещенным по центру средством возбуждения СВ.
Изменение в местоположениях концевых узлов 102 и 103 относительно местоположения неподвижных датчиков скорости ДЛ и ДП изменяет чувствительность измерителя к потоку. Поскольку узлы перемещаются в направлении к датчикам скорости или от датчиков скорости, изменяется задержка фазы и, таким образом, чувствительность измерителя. Местоположения концевых узлов 102 и 103 трубки определяются структурной конструкцией измерителя, но при разбалансе измерителя положения узлов могут изменяться.
На фиг.3 показана трубка 104, подсоединенная концевыми пластинами 301 к окружающему кожуху 304А. Трубка 104 колеблется и имеет определенную амплитуду. Если кожух 304А неподвижен, узлы постоянно находятся в требуемых местоположениях 102 и 103 узлов. Как полагают, конструкция в этом случае динамически сбалансирована. Однако на фиг.3 кожух 304А также колеблется с той же самой частотой, но с фазой, отличающейся на 180 градусов, относительно трубки 104 (обычная ситуация для несбалансированной трубки. Пунктирные линии 106 и 304А представляют неотклоненное положение трубки и кожуха. Однако из-за вибрации кожуха требуемые расположения 102 и 103 узлов на пластинах 301 не являются истинными узлами. Истинные узлы теперь находятся в местоположениях 302 и 303 на трубке 104, где амплитуда колебаний трубки 104 относительно кожуха 304 равна и противоположна амплитуде колебаний кожуха. Таким образом, общая амплитуда колебаний в узлах 302 и 303 нулевая. Можно заметить, что расположения 302 и 303 узлов на фиг.3 переместились внутрь по трубке 104 от пластин 301 из-за того, что кожух колеблется не синфазно с трубкой 104. Смещения в расположении узлов относительно неподвижных положений датчиков ДЛ и ДП изменяют чувствительность расходомера к потоку и являются нежелательными.
Для сохранения узлов 102 и 103 в их расчетных точках в пределах концевых пластин 301 необходимо предотвратить колебание кожуха 304А. Это легко выполняется для (протекающего) вещества одной плотности посредством уравновешивания системы пружины - массы трубки 104 с помощью другой системы пружины - массы с такой же резонансной частотой.
Упрощенная система пружины - массы на фиг.4 иллюстрирует, как работает уравновешивание. Две эквивалентные массы m1 и m2 соединены идеальной невесомой пружиной с жесткостью пружины k. Когда массы m1 и m2 разорваны и освобождены, они колеблются с фазой, отличающейся на 180 градусов друг от друга, с одной и той же резонансной частотой.
Закон сохранения количества движения требует, чтобы масса, умноженная на скорость в одном направлении, была равна массе, умноженной на скорость в противоположном направлении, или m1V1= m2V2. Поскольку скорость колебания пропорциональна амплитуде колебания, m1A1=m2A2, где a1 и A2 являются амплитудами колебаний. В простых случаях, большая масса m2 должна иметь маленькую амплитуду колебаний по сравнению с m1. Из этого также следует, что имеется узел N, имеющий нулевое перемещение по пружине. Местоположение узла в точке N делит пружину на два отрезка, имеющие длины l1/l2=A1/A2. Поскольку положение узла N неподвижное, каждая часть пружины ведет себя, как если бы она была прикреплена к стене, а не к другой части пружины.
Две половины колебательной системы из двух тел (с обеих сторон от узла N пружины) должны иметь одну и ту же резонансную частоту. Резонансная частота равна квадратному корню из отношения (жесткости/массы) или:
Две половины показанной на фиг.4 системы должны иметь одинаковое отношение жесткости к массе, поскольку
Также можно определить, что отношение жесткости к массе должно быть постоянным на основании соотношений между жесткостью, длиной и амплитудой колебаний пружины. Показанная на фиг.4 пружина разделена на две пружины k1 и k2 узлом N. Жесткость k пружины обратно пропорциональна ее длине, или k1/k2= l2/l1. Поскольку l1/l2=A1/A2 и m1A1=m2А2, с помощью подстановки мы находим, что k1/m1=k2/m2.
Если показанная на фиг.4 система пружины - массы представляет традиционно сбалансированный кориолисов расходомер с одной трубкой, то mi представляет массу трубки 104, а m2 - массу балансира. Кожух 304 соединен с ними в узле N, как показано на фиг.5. Поскольку узел N неподвижен, кожух 304 не колеблется. На фиг. 6 к mi добавлена дополнительная масса Δm, чтобы представлять вещество более высокой плотности mi в трубке. Все еще следует применять закон сохранения количества движения, так что расположение узла N переместится по направлению к m1 в положение Nd, содержащее новое расположение узла. Это вызывает колебание кожуха 304, который присоединен в точке N (которая больше не является узлом), с m2 с такой амплитудой колебаний, что сумма количеств движения на каждой стороне от нового узла Nd будет равна нулю. Поскольку кожух обычно имеет значительно большую массу, чем либо m1, либо m2, узел не должен сдвигаться очень далеко от N к Nd на фиг.6, чтобы кожух 304 колебался с достаточной амплитудой для сохранения количества движения.
Если массу удалить из mi, а не добавлять к ней, то узел переместится из точки N вправо, и кожух 304 будет колебаться с массой m1, а не с m2.
В общем, в известных в технике расходомерах с одной трубкой изменение массы (m1) трубки 104 приводит к достаточному изменению в расположении узлов, чтобы для сохранения количества движения заставить массу кожуха колебаться синфазно либо с m1, либо с m2 с достаточной амплитудой колебаний. Поскольку масса кожуха большая, изменение положения узлов небольшое, амплитуда колебаний кожуха маленькая, и изменение чувствительности измерителя при изменении плотности вещества мало. Однако изменение чувствительности с плотностью вещества является достаточно большим, чтобы ухудшить точность, требуемую для кориолисового расходомера в некоторых применениях. Кожух можно рассматривать как эталонную массу, которая связана с балансиром, трубкой и распорной пластиной.
Настоящее изобретение значительно улучшает традиционный способ балансировки трубки посредством изменения жесткости k1 и k2, а не вовлечения в балансирование массы кожуха. В традиционном подходе пружина конструкции расходомера распределена по всей трубке, балансировочной трубке и соединительной конструкции, типа распорных пластин 301. Перемещение местоположения концевых 102 и 103 узлов с изменением плотности вещества в трубке 104 очень мало по сравнению с эффективной длиной "пружины"; таким образом, перемещения узлов имеют очень небольшое динамическое воздействие на изменение эффективных жесткостей пружины kx и k2 и не способны достигать динамического равновесия в конструкции без вовлечения массы кожуха.
Напоминаем, что:
В известной технике основной способ сохранения количества движения заключается в перемещении массы 304 кожуха для движения с легким элементом. Таким образом, равенство достигается, когда
Как показано на фиг.7 и 8, настоящее изобретение использует чрезвычайно короткую пружину 701 в области узлов, так что любое перемещение положения узлов из-за динамического дисбаланса вызывает сравнительно большое изменение индивидуальных жесткостей пружин k1 и k2. Путем изменения жесткостей пружин поддерживается динамическое равновесие и уменьшается требуемый перенос массы и длина смещения положения узлов. Это снижает вибрацию кожуха и изменение чувствительности измерителя с изменением плотности вещества.
На фиг.8 представлено увеличение изображенного на фиг.7 участка пружины. Здесь показано, каким образом узел смещается на короткое расстояние из местоположения 801 в 802, чтобы восстановить динамическое равновесие после добавления к mi массы Дт. Также показано, насколько это короткое расстояние значительно по сравнено с короткой длиной пружины. Пружина ki укорачивается и становится жестче, в то время как пружина k2 удлиняется и становится мягче, давая возможность балансировать измеритель со значительно меньшими смещением узлов и колебанием кожуха, чем если бы пружина распространялась по всей конструкции, как в известной технике. Отличие между обычным способом балансирования и способом по настоящему изобретению иллюстрируется с помощью равенства резонансной частоты между элементами расходомера, которое поддерживается, несмотря на изменение одной из масс.
Напомним из уравнения 2, что:
Когда масса Am добавляется к массе трубки m1, например, при изменении плотности вещества, известный в технике способ балансирования поддерживает равенство посредством добавления массы кожуха к массе балансира. При этом условии кожух колеблется:
Это уравнение требует, чтобы масса кожуха непосредственно включалась в балансирование.
Настоящее изобретение поддерживает равенство отношения жесткости к массе посредством изменения жесткости пружин k1 и k2 конструкции расходомера в ответ на добавление массы Δm:
Это уравнение для достижения балансирования не включает в себя массу кожуха, а вместо этого изменяет жесткость ki и k2. Этот кожух не осуществляет значительного колебания, поскольку он не вовлекается в достижение динамического равновесия.
На фиг.9 показана известная в технике типичная трубка расходомера и балансир в его деформированном состоянии. В известной технике трубка 104 и балансир 901 имеют, по существу, равномерную жесткость вдоль их длин и деформируются по всей своей длине. Пружина системы распространена по всей конструкции. Термин "пружина" в этом контексте относится к объему металла, который упруго деформируется в ответ на приложенную силу. Она запасает энергию, когда деформируется, и возвращает энергию обратно в систему, когда ослабляется. Таким образом, вся показанная на фиг.9 конструкция действует как большая пружина. Смещение местоположения узлов, поскольку оно очень мало относительно большой длины пружины, очень слабо влияет на изменение эффективной длины и, таким образом, эффективной жесткости пружины, или трубки, или балансира.
Один из элементов конструкции по настоящему изобретению, который обеспечивает возможность балансирования жесткости пружины расходомера, а не балансирования массы, представляет собой локализацию пружины близко к концевым узлам трубки. Фиг.10 раскрывает концептуальный вариант осуществления конструкции, содержащей настоящее изобретение. Эта конструкция локализует функцию пружины расходомера, изображенного на фиг.10, вблизи узлов 102 и 103 трубки 104 и балансира 1004, путем создания средних участков 1002 и 1003 трубки 104 и балансира 1004, которые очень легко сгибать.
Это выполняют посредством использования менее жесткого материала в центрах трубки 104 и балансира 1004, например каучука, или менее жесткой конфигурации. Этот средний участок содержит сильфон 1003 в трубке 104 и суженную область 1002 в балансире 1004. Эти "мягкие" центральные области концентрируют изгиб элементов 104 и 1004 в этой центральной области. Поскольку жесткость пружины такая низкая в этих центральных областях, энергия пружины концентрируется в областях, где трубка 104 подсоединена к балансиру 1004. Эта область является распорной пластиной 1001 на фиг.10. Прямые участки трубки 104 и балансира 1004 жесткие и свободно перемещаются, однако они не образуют эффективные пружины, поскольку их мягкие центральные участки исключают изгибающие моменты из этих жестких элементов. Если центральные области 1002 и 1003 балансира и трубки являются достаточно гибкими, то их жесткость настолько низка, что становится незначительной в динамике системы пружины - массы. В этом случае общая пружина k сконцентрирована и становится равной пружине распорной пластины 1001.
На фиг.11 изображен вид в разрезе распорной пластины 1001 на одном конце расходомера, имеющего трубку 104 и балансир 1101 (соизмеримый с 1004). Фиг. 12 изображает (значительно увеличенную) деформацию распорной пластины 1001, которая происходит, когда трубка 104 и балансир 1101 имеют приблизительно равные амплитуды колебаний. Узел (область, не испытывающая никакого движения) в этом случае представляет собой цилиндрическую поверхность 1104 (пунктирные линии) приблизительно на середине между стенкой трубки 104 и стенкой балансира 1101. Фиг.13 изображает деформацию, которая происходит, когда балансир 1101 имеет намного большую амплитуду колебаний, чем трубка 104. Эта ситуация происходит от присутствия в трубке 104 вещества с очень высокой плотностью. Плотное вещество имеет тенденцию понижать частоту и амплитуду колебаний трубки 104 (помните закон сохранения количества движения). Можно заметить, что цилиндр 1104 узлов переместился очень близко к трубке 104 благодаря уменьшенной амплитуде трубки. Это приводит к тому, что эффективная пружина трубки становится короткой и жесткой и уменьшает снижение резонансной частоты трубки. Одновременно эффективная пружина балансира удлиняется и становится мягче. Это вызывает также понижение резонансной частоты балансира. При надлежащей конструкции смещение жесткости пружины Δk в пределах распорной пластины 1001 является как раз достаточным для балансирования дополнительной массы вещества с высокой плотностью в трубке. При этом резонансные частоты снижаются на равные величины и остаются равными без вовлечения массы кожуха. Все это является желательным, поскольку амплитуда колебаний кожуха изменяет чувствительность измерителя.
До сих пор предполагали, что относительная амплитуда колебаний трубки 104 по сравнению с амплитудой колебаний балансира 1101 уменьшается при плотном веществе и увеличивается при легком веществе. В случае балансира и трубки, имеющих равные резонансные частоты благодаря смещению жесткости пружины, это предположение подтверждается. Если балансир представлен как динамический демпфер, прикрепленный к трубке в требуемых концевых узлах, легко видеть, что любое перемещение в желательных положениях узлов в пределах распорной пластины 1001 нагнетает энергию в динамический демпфер, образованный балансиром 1101, и увеличивает его амплитуду до тех пор, пока реактивная сила от динамического демпфера не остановит перемещение узлов. Если к трубке 104 приложена масса, динамический демпфер (балансир) понижает свою резонансную частоту, чтобы сохранить равенство частот, и повышает свою амплитуду, пока положение цилиндра 1104 узлов не станет неподвижным. Если масса удалена из трубки 104, динамический демпфер (балансир) повышает свою резонансную частоту и понижает свою амплитуду как раз до правильной величины.
Настоящее изобретение поддерживает динамическое равновесие, изменяя относительную жесткость пружины, а не перемещая массы между колеблющимися трубкой, балансиром и элементами кожуха. Это можно выполнить посредством локального концентрирования функции пружины вокруг неподвижной области узлов 1104 в пределах распорной пластины 1001. Фиг.11, 12 и 13 показывают, каким образом можно это выполнить так, чтобы не воздействовать на чувствительность расходомера. Однако здесь игнорируется, с целью простоты, фактор усложнения, иллюстрируемый на фиг. 14 и 15. Фиг.14 и 15 раскрывают кожух 1401 расходомера, имеющий концевой участок 1405 кожуха 1401, который содержит балансир 1101, трубку 104 и распорную пластину 1001. Трубка 104 и балансир 1101 взаимосвязаны на конце балансира 1101 распорной пластиной 1001. На фиг.14 амплитуда колебаний трубки 104 намного больше, чем амплитуда балансира 1101. На фиг.15 амплитуда балансира 1101 намного больше, чем амплитуда трубки 104. Эти ситуации могут балансировать измеритель, имеющий легкое вещество (фиг. 14) и плотное вещество (фиг.15) соответственно. Фиг.14 и 15 отличаются от фиг. 11, 12 и 13 тем, что трубка 104 изгибается на участке 1404 трубки между распорной пластиной 1001 и концом 1405 кожуха под действием вращающего момента, прикладываемого к трубке 104 в области распорной пластины 1001. Вращающий момент является результатом относительных амплитуд колебаний трубки 104 и балансира 1101. Расходомер можно конструировать так, чтобы для данной плотности вещества вращающий момент, прикладываемый балансом 1101 к распорной пластине, оказался равным и противоположным вращающему моменту, прикладываемому трубкой 104 (фиг.16). Однако при изменении плотности вещества отношение амплитуд между трубкой 104 и балансиром 1101 меняется и вращающий момент становится несбалансированным. Этому вращающему моменту противодействуют соединительные звенья 1701 кожуха (фиг.17) и конец 1405 кожуха, где участок 1404 трубки проникает через него, делая силы F1 и F2 равными и противоположно направленными. Теперь можно оценить, почему звенья 1701 соединительного средства кожуха должны быть жесткими при перемещении в направлении колебания. Соединительные звенья 1701 должны противодействовать силе F1, чтобы желательные расположения узлов не перемещались силой F2 и вся конструкция не становилась несбалансированной. Конец 1405 кожуха и соединительные звенья 1701 переносят силы на кожух 1401, который является чрезвычайно жестким, и где силы нейтрализуют друг друга, приводя к отсутствию каких-либо колеблющих сил на кожухе. Если учесть оба конца кожуха 1401 (фиг.19), то моменты на кожухе 1401 также нейтрализуются.
На соединительные звенья 1701 накладывают определенные конструктивные критерии. Они должны быть достаточно жесткими для предотвращения значительного относительного перемещения между областью узлов распорной пластины 1001 и кожуха 1401. Одновременно они должны быть достаточно гибкими при кручении, так что концы балансира 1101 являются свободными для вращения, не запасая при этом значительную энергию пружины в соединительных звеньях 1701. Если бы в соединительных звеньях 1701 накапливалась энергия пружины, она была бы внешней по отношению к области узлов и ухудшала бы характеристики самоуравновешивания измерителя. Одной возможной предпочтительной конструкцией соединительных звеньев является форма бабочки или песочных часов, как на фиг. 17 и 20. Узкая центральная секция 1702 обеспечивает гибкость при кручении, но не при перемещении. Широкие концы 1703 и 1704 обеспечивают достаточную жесткость, чтобы противодействовать поступательным силам. Центральная секция 1702 не должна быть широкой, чтобы противодействовать поступательным силам, потому что изгибающие моменты, которые сопровождают поступательные силы на звене, сводятся к нулю в центре звена, как показано на диаграмме изгибающих моментов на фиг.21.
Соединительные звенья 1701 также можно использовать для решения другой конструктивной проблемы. Трубка 104 и балансир 1101 приводят в колебательное движение на резонансной частоте, противоположной друг другу. Их приводят в колебательное движение в направлении, которое, наряду с осью трубки, определяет плоскость, называемую плоскостью возбуждения. Трубка и балансир также имеют режим колебаний, в котором они колеблются в направлении, перпендикулярном плоскости возбуждения. Благодаря осевой симметрии трубки, распорной пластины и балансира, вероятно, частота перпендикулярного режима колебаний является очень близкой к частоте возбуждения. Это узкое разделение по частоте может вызывать проблемы измерений, и их нужно избежать. Способ увеличения разделения по частоте между режимом возбуждения и перпендикулярным режимом состоит в том, чтобы поместить тонкие металлические угловые соединения между соединительными звеньями кожуха и балансиром, как показано на фиг.29 и фиг.30. Угловые соединения 2901 прикреплены к соединительным звеньям 1701 и балансиру 1101. Эта ориентация придает жесткость соединительным звеньям кожуха относительно изгибного отклонения, требуемую в перпендикулярном режиме. Вследствие этого придается жесткость креплению балансира и повышается частота в перпендикулярном режиме. Поскольку угловые соединения тонкие, они не осуществляют значительного увеличения жесткости соединительных звеньев кожуха при кручении и не повышают частоту режима возбуждения. Кроме того, они не оказывают динамического воздействия на жесткость соединительных звеньев кожуха при перемещении в направлении возбуждения.
Вращающий момент, прикладываемый к выступу 1404 трубки силами F1 и F2, вызывает другую проблему, заключающуюся в том, что каждый выступ трубки изгибается под действием вращающего момента. Это изгибание выступа 1404 трубки наружу к распорной пластине 1103 является значительным расширением функции пружины трубки далеко за область узлов. Как обсуждалось выше, желательно концентрировать функцию пружины измерителя вблизи узла. Это расширение структуры пружины ухудшает балансирование пружины измерителя.
Энергия пружины, запасенная в выступе 1404 трубки, снижается с уменьшением жесткости пружины выступа 1404 трубки благодаря обеспечению более мягкого материала или более мягкой конфигурации, типа сильфона 2201 на фиг.22. Сильфон 2201 уменьшает энергию пружины в выступе 1404 трубки так, чтобы дополнительно концентрировать ее в областях распорной пластины 1001. Сильфон 2201 также значительно уменьшает скручивающие усилия, прикладываемые к кожуху 1401 выступами 1404 трубки. Они уменьшают эти силы посредством обеспечения возможности свободно поворачиваться области 1001 распорной пластины. Исходя из перспективы самоуравновешивания, показанная на фиг.22 и с удаленным кожухом на фиг.23 конструкция является предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 23 изображен расходомер, подобный показанному на фиг.22, но без кожуха 1401. В частности, показанная на фиг.23 конструкция расходомера содержит трубку 104, имеющую сильфон 1003 в ее средней секции, и сильфоны 2201 в ее секциях выступов 1404 трубки. Трубка 104 окружена балансиром 1101, имеющим гибкий вырезанный центральный участок 2402, определяемый уменьшенной секцией 1002, взаимосоединяющей левую и правую части балансира 1101. Показанная на фиг. 23 конструкция дополнительно включает в себя соединительные звенья 1701 кожуха. Таким образом, конструкция на фиг.23 является предпочтительной в применениях, в которых основным критерием является динамическое равновесие. Благодаря конструкции фиг.23 достигается динамическое равновесие, поскольку она концентрирует структуру пружины трубки 104 и балансира 1101 в распорных пластинах 1001 близко к концевым узлам.
В некоторых применениях сильфон может сводить на нет некоторые из особенностей, которые дает расходомер с одной прямой трубкой желательным. Сильфон внутри трудно чистить. Это делает сильфон неприемлемым в применениях с пищевыми продуктами, например, там, где необходимо, чтобы очищалась и подвергалась осмотру вся внутренняя поверхность трубки.
В случаях, где желательно иметь трубку 104 с непрерывным постоянным диаметром и материалом, центральная область трубки 104 и области выступов 1404 трубки сделаны не мягкими при изгибе. Центральную область 1002 балансира 1101 все еще благоприятно делать мягкой при изгибе и использовать соединительные звенья 1701 кожуха у распорных пластин 1001. Фиг.24 аналогична фиг. 23 за исключением того, что трубка 104 не имеет показанных на фиг.23 сильфонов 2201 и 1003. Изображенный на фиг.24 вариант осуществления является наиболее предпочтительным в применениях, где внутренняя область трубки 104 должна быть гладкой и непрерывной. Таким образом, трубка 104 на фиг.24 не имеет гибкости, предоставляемой сильфонами 2201 и 1003 на фиг.23.
Расходомер на фиг. 24 сбалансирован так, что узел находится все еще в области распорной пластины 1001. Кроме того, пружина 1101 балансира все еще сконцентрирована в распорной пластине 1001 близко к узлу, как на фиг.23. На стороне узла трубки 104 участок распорной пластины пружины трубки 104 теперь является последовательным со сравнительно мягкой и распределенной пружиной (изогнутая трубка). Когда на трубке размещают дополнительную массу, местоположения узлов перемещаются к трубке и значительно смягчают пружину балансира 1101, как описано выше относительно фиг.13.
Однако суммарная пружина трубки состоит из последовательно соединенных мягкой пружины трубки и участка жесткой пружины распорной пластины 1001. Соединенные последовательно пружины складывают жесткости подобно соединенным параллельно резисторам; мягкая пружина (или маленький резистор) преобладает:
kсумм=k1k2/(k1+k2).
Таким образом, пружина с жесткостью 100 фунтов на дюйм (17,835 кг/см), соединенная последовательно с пружиной 10 фунтов на дюйм (1,783 кг/см), приводит к суммарной жесткости пружины 9,1 фунта на дюйм (1,623 кг/см). Если бы более жесткая пружина изменилась до 130 фунтов на дюйм (23,179 кг/см), как может происходить при перемещении узлов, суммарное последовательное соединение дало бы жесткость пружины 9,3 фунтов на дюйм (1,658 кг/см). Таким образом, изменение на 30% жесткости жесткой пружины, как видно, производит изменение только на 2% жесткости объединенных пружин. В суммарной жесткости пружины трубки 104, таким образом, доминирует мягкая пружина трубки, и изменение положения узлов в пружине распорной пластины 1001 имеет небольшое влияние на жесткость суммарной функции пружины трубки 104.
Функция пружины показанной на фиг.24 трубки 104 концептуально иллюстрируется на фиг.25 и 26. На фиг.25 масса трубки 104 представлена величиной m1. Суммарная пружина трубки представлена величиной k1, которая является последовательным добавлением мягкой распределенной пружины трубки 104 и жесткого участка распорной пластины 1001 слева от узла N. Большая масса балансира 1101 представлена массой m2, пружина k2 которой сконцентрирована в распорной пластине 1001. Узел этой конструкции в сбалансированном состоянии представлен узлом N в местоположении 2501. На фиг.26 к трубке 104 добавляется масса Δm, например, когда тяжелое вещество вводят в трубку, которое вызывает смещение узла N влево в местоположение 2601. Это смещение узлов вызывает значительное смещение длины пружины и жесткости пружины сегмента k2 пружины, пружины балансира 1101. Однако пружина трубки 104 состоит из мягкой распределенной пружины в трубке, которая не изменяет длину в последовательном соединении с короткой жесткой пружиной распорной пластины на стороне трубки нового положения узла. Даже если компонент распорной пластины 1001 значительно укорачивается перемещением узла, распределенная пружина трубки преобладает в жесткости пружины, и смещение узлов делает небольшое отличие в полной жесткости пружины трубки 104. Таким образом, эта конфигурация фиг.24 представляет собой компромисс относительно сохранения равновесия с изменением плотности вещества. Балансир 1101 может изменять свою жесткость пружины, но трубка 104' должна изменить свою массу посредством перемещения кожуха 1401. В результате этого кожух колеблется. Однако перемещение кожуха намного меньше, чем в известных в технике измерителях, потому что изменение жесткости балансира 1101 уменьшает необходимый перенос массы. Это снижение вибрации кожуха приводит к меньшему изменению положения узлов и улучшению точности расходомера по сравнению с известной техникой. Уравнение резонансных частот иллюстрирует, как этот вариант осуществления (без сильфонов в трубке настоящего изобретения) все же приводит к меньшему колебанию кожуха, чем в известных в технике измерителях:
Это уравнение отличается от традиционного подхода (уравнение 4) членом Δk. Наличие этого члена означает, что масса кожуха должна меньше вовлекаться (амплитуда колебаний) для обеспечения баланса уравнения и измерителя.
Фиг. 27 и 28 раскрывают конструкцию полного кориолисового расходомера, воплощающего настоящее изобретение. Фиг. 27 содержит вариант осуществления, в котором трубка 104 Вентури не включает в себя сильфон. Вариант осуществления фиг. 28 аналогичен варианту фиг.27, за исключением того, что центральный участок трубки 104 и области выступов 1404 трубки включают в себя сильфоны 2201 и 1003. В обоих вариантах осуществления показан конец 1405 кожуха, подсоединенный элементом 2702 к фланцу 2701, посредством которого расходомеры фиг.27 и 28 можно подсоединять к источнику вещества, типа трубопровода на его входе, и к приемнику вещества на его выпускном конце.
Оба варианта осуществления фиг.27 и 28 включают в себя устройство возбуждения УВ в среднем участке трубки 104 и левый ДЛ и правый ДП датчики для обнаружения перемещений, представляющих колебания Кориолиса конструкции трубки балансира, которые в свою очередь отображают расход веществ через расходомер.
Должно быть ясно понятно, что заявляемое изобретение не должно ограничиваться описанием предпочтительного варианта осуществления, но затрагивает другие модификации и видоизменения, не выходящие за рамки сущности и объема притязаний концепции изобретения. Таким образом, используемый здесь термин "вещество" применим к любому веществу, которое течет, типа суспензий, жидкостей и газов, включая любую их комбинацию.
Расходомер содержит одну прямую трубку, параллельный ей балансир, распорные пластины, подсоединяющие концы балансира к трубке и к окружающему их кожуху, и средство возбуждения колебаний балансира и трубки. Балансир и (или) трубка имеют средний участок повышенной гибкости (вырезанный - у балансира, в виде сильфона - у трубки) для концентрации функции пружины расходомера в распорных пластинах. При протекании по трубке веществ с различными плотностями узел колебаний перемещается в пределах распорной пластины. Перемещение узлов изменяет отношение функции эффективной пружины балансира к функции эффективной пружины трубки для поддержания улучшенного динамического равновесия расходомера без вовлечения массы кожуха. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода сред в широком диапазоне плотностей. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 30 ил.
| ЕР 0759542 А1, 26.02.1997 | |||
| Штамп для отрезки | 1977 |
|
SU733886A1 |
| Кориолисовый расходомер | 1991 |
|
SU1793234A1 |
| DE 4121732 A1, 07.01.1993. | |||
