Это изобретение относится к расходомеру Кориолиса с одной трубкой и, в частности, к способу и устройству для расходомера Кориолиса, имеющего коэффициент калибровки течения, который не зависит от плотности материала.
Расходомеры Кориолиса с одной трубкой необходимы потому, что они исключают затраты и снимают проблемы засорения потокораспределительных коллекторов расходомеров Кориолиса с двумя трубками. Расходомеры Кориолиса с одной трубкой имеют недостаток, заключающийся в том, что, поскольку плотность материала, на котором проводят измерения, изменяется, то калибровка или чувствительность измерительного прибора к течению тоже изменяется. Желательно, чтобы расходомер формировал точную выходную информацию, такую как удельный массовый расход, независимо от плотности материала, который через него течет. Таким образом, если расходомер точно выдает показание удельного массового расхода, составляющее 10 кг/мин для материала, имеющего удельный вес 1,0 (воды), то желательно, чтобы измерительный прибор точно выдавал показание 10 кг/мин для того же удельного массового расхода при течении материалов другой плотности.
О расходомере, который обладает этой способностью, говорят, что он имеет коэффициент калибровки, который не зависит от плотности течения материала через него, или "плоский" коэффициент калибровки. Такой расходомер также называют имеющим постоянную чувствительность к течению, потому что он точно выдает один и тот же удельный массовый расход, независимо от плотности течения материала. Чувствительность (s) определяется в микросекундах временной задержки между датчиками скорости расходомера, деленных на удельный массовый расход (s=Δt/M), где Δt равно временной разности между датчиками скорости расходомера и где М равно удельному массовому расходу. Таким образом, чтобы измерительный прибор имел "плоский" коэффициент калибровки или постоянную чувствительность к течению, это выражение должно давать постоянное значение для любого расхода и любой плотности материала. Оно должно давать, например, выходное значение, составляющее одну микросекунду временной задержки для расхода 10 кг/мин независимо от плотности материала, и должен давать 10 микросекунд временной задержки для расхода 100 кг/мин независимо от плотности материала. В обоих случаях чувствительность измерительного прибора составляет 0,1 микросекунды на килограмм в минуту (мксек/кг/мин). Расходомер, имеющий вышеупомянутые характеристики, должен обладать тем преимуществом, что может исключать или минимизировать необходимость дополнительной калибровки или компенсации.
Происходящее в расходомере изменение калибровки или чувствительности к течению традиционно минимизировали путем применения массивных элементов противовеса (известных к настоящему времени под названием балансиров). Любое сохраняющееся изменение чувствительности с плотностью компенсировали, применяя алгоритмы коррекции, основанные на резонансной частоте измерительного прибора в режиме возбуждения. Применение массивных балансиров имеет недостатки в смысле стоимости, а также в смысле препятствия применению других признаков, улучшающих работоспособность, таких как балансиры, повышающие чувствительность. Алгоритм коррекции имеет тот недостаток, что его нужно калибровать путем использования материалов различной плотности и необходимо реализовать в программном обеспечении. Настоящее изобретение исключает необходимость массивного балансира и алгоритма коррекции за счет особой конструкции балансира. Чтобы понять эту конструкцию, необходимо сначала понять, как работают обычные расходомеры Кориолиса.
В обычных расходомерах Кориолиса с двумя трубками расходомерные трубки колеблются в противофазе друг с другом. Действия двух расходомерных трубок уравновешивают друг друга для создания динамически уравновешенной структуры. В двух местах на расходомерных трубках размещены датчики скорости для измерения относительной скорости между расходомерными трубками. Датчики скорости обычно размещают на одинаковых расстояниях выше по течению и ниже по течению от средних точек трубок. Каждый датчик скорости состоит из магнита, прикрепленного к одной расходомерной трубке, и катушки, прикрепленной к другой трубке. Относительное перемещение катушки через магнитное поле создает напряжение. Синусоидальное перемещение колеблющихся расходомерных трубок создает синусоидальное напряжение в каждом датчике. Когда материал не течет, напряжения из двух датчиков скорости совпадают по фазе друг с другом. При течении материала колеблющиеся трубки деформируются силой Кориолиса перемещающегося материала, создавая разность фаз между напряжениями двух датчиков. Удельный массовый расход пропорционален этой разности фаз. Важно отметить, что обе расходомерные трубки деформируются одинаково (для одинакового разделения потока), и каждая расходомерная трубка имеет тот же фазовый сдвиг, что и другая, в соответствующих местах. Скорость, измеряемая с помощью магнита датчика, расположенного выше по течению, имеет ту же фазу, что и скорость, измеряемая с помощью катушки датчика, расположенного выше по течению, и обе они имеют ту же фазу, что и напряжение, создаваемое парой датчиков, состоящих из магнитов и катушек. Датчик, расположенный ниже по течению, имеет фазу, отличающуюся от фазы датчика, расположенного выше по течению, но и в этом случае катушка на одной трубке имеет ту же фазу, что и магнит на другой трубке. Чтобы определить временную задержку, Δt, фазовую задержку между двумя датчиками скорости делят на частоту возбуждения (в радианах в секунду, рад/сек). Деление временной задержки на чувствительность измерительного прибора дает расход.
В расходомерах с одной трубкой колеблющаяся расходомерная трубка уравновешивается балансиром, а не другой расходомерной трубкой. Магниты (или катушки) датчиков скорости устанавливают на балансир таким же образом, как на вторую расходомерную трубку, описанную выше. Однако, поскольку материал не течет по балансиру, он не испытывает воздействие какой-либо силы Кориолиса или значительный фазовый сдвиг, вызываемый течением. Датчики скорости измеряют относительную скорость между расходомерной трубкой, в которой фазовый сдвиг есть, и балансиром, в котором фазового сдвига нет. Скорости в расходомерной трубке и на балансире, измеряемые в каждом датчике скорости, могут быть представлены векторами скорости, имеющими некоторый фазовый угол и амплитуду. Относительную скорость (и напряжение, считываемое с каждого датчика скорости) можно определить путем сложения этих двух векторов скорости. Вектор скорости в расходомерной трубке имеет некоторый фазовый сдвиг из-за течения материала. Вектор скорости на балансире имеет нулевой фазовый сдвиг. Сложение этих векторов дает "чистый" фазовый сдвиг при наличии течения мимо датчика скорости. "Чистый" фазовый сдвиг выходного напряжения каждого датчика скорости уменьшается из-за балансира, в котором нет фазового сдвига. Это уменьшение "чистого" фазового сдвига равно уменьшению чувствительности расходомера к течению.
В обычных расходомерах с одной трубкой уменьшение чувствительности к течению зависит от плотности материала. Одна причина заключается в том, что, по мере изменения плотности материала, отношение амплитуд колебаний между расходомерной трубкой и балансиром изменяется для сохранения количества движения и поддержания измерительного прибора в уравновешенном состоянии. Увеличение плотности материала вызывает уменьшение амплитуды колебаний расходомерной трубки и увеличение амплитуды колебаний балансира. Таким образом, длина векторов скорости для расходомерной трубки уменьшается, а длина векторов скорости для балансира увеличивается. Поскольку вектора скорости расходомерной трубки имеют фазовый сдвиг из-за течения материала, а вектора скорости балансира - нет, эти изменения длины приводят к уменьшению фазы суммы векторов скорости и уменьшению чувствительности измерительного прибора с увеличением плотности материала. В результате, такой измерительный прибор должен был бы иметь точный выходной сигнал расхода, составляющий 10 кг/мин для воды, но для соленой воды (большей плотности) при том же расходе выходной сигнал может составлять всего 9,9 кг/мин. Для материала с низкой плотностью, такого как керосин, выходной сигнал измерительного прибора может составлять 10,1 кг/мин. Все эти три разных показания расхода получаются при фактическом расходе 10 кг/мин, но из-за того, что чувствительность расходомера изменяется с плотностью материала, изменяется и считываемый расход. Такой расходомер не обладает "плоским" коэффициентом калибровки или постоянной чувствительностью к течению для материалов разной плотности. Причина этого заключается в том, что расходомер имеет разную временную задержку между своими датчиками для материалов разной плотности при одном и том же фактическом расходе.
Существуют и другие причины изменения чувствительности к течению с плотностью материала у измерительных приборов с одной трубкой. Одна такая причина заключается в исключительной трудности поддержания равновесия расходомера с одной трубкой в условиях различающейся плотности материала. Вышеупомянутое обсуждение изменения отношения амплитуд между расходомером и балансиром проведены в предположении, что между ними обоими поддерживается полное равновесие за счет смещения отношения амплитуд с изменением плотности материала. Если правильное отношение амплитуд для полного равновесия не достигается, то количество движения сохраняется за счет смещения места нахождения узлов у концов колеблющейся части расходомерной трубки. Это смещение мест нахождения имеет эффект передачи массы от расходомерной трубки к балансиру (для большей плотности материала), но оно также изменяет чувствительность к течению. Чувствительность увеличивается по мере перемещения узлов в направлении к точке снятия показаний и уменьшается по мере перемещения узлов от точки снятия показаний.
Существуют и другие, менее ясные случаи ухода чувствительности расходомера с плотностью материала. Однако их причина - другой вопрос. Настоящее изменение может нивелировать изменение чувствительности путем создания дополнительного, равного и противоположного по знаку изменения чувствительности, так что "чистое" изменение чувствительности исключается.
В документе ЕРО 831306 А1 описан обычный расходомер Кориолиса, имеющий одну расходомерную трубку, окруженную концентрическим балансиром. Балансир представляет собой цилиндрический элемент, имеющий равномерное распределение массы и жесткости, за исключением груза в осевом центре балансира.
Единственное назначение груза состоит в том, чтобы снизить резонансную частоту балансира в режиме возбуждения. Груз не оказывает влияния на Кориолисов режим изгибных колебаний второго порядка, поскольку находится в нулевом узле любой возможной реакции Кориолиса, испытываемой балансиром. Вместе с тем, балансир не проявляет колебательной активности на его частоте режима изгибных колебаний второго порядка, которая значительно выше, чем его частота возбуждения режима изгибных колебаний первого порядка.
Вышеуказанная и другие задачи решаются и преимущество над известными техническими решениями достигается с помощью настоящего изобретения, в соответствии с которым предложены способ и устройство для расходомера Кориолиса с одной трубкой, имеющего балансир и имеющего в своих датчиках скорости фазовый сдвиг, пропорциональный расходу материала. Кроме того, чувствительность балансира к течению материала изменяется с плотностью материала таким образом, что изменение чувствительности расходомера исключается. Например, поскольку известный расходомер становится менее чувствительным к течению из-за изменения отношения амплитуд по мере увеличения плотности материала, балансир становится более чувствительным к Кориолисовым колебаниям расходомерной трубки при точно подобранной скорости смещения, так что "чистый" результат заключается в нечувствительности расходомера к плотности материала.
И в настоящем изобретении, и в известных расходомерах Кориолиса с одной трубкой балансир возбуждается в противофазе относительно расходомерной трубки в режиме изгибных колебаний первого порядка. Частота возбуждения обычно является резонансной частотой как балансира, так и расходомерной трубки, наполненной материалом, в режиме изгибных колебаний первого порядка каждого из этих конструктивных элементов. В известных расходомерах Кориолиса с одной трубкой балансир не имеет значительной реакции на силы Кориолиса и Кориолисовы отклонения расходомерной трубки. В настоящем изобретении повышение чувствительности достигается за счет конструирования балансира таким образом, что он реагирует на силы Кориолиса, воздействующие на расходомерную трубку, путем изгиба в своем режиме изгибных колебаний второго порядка.
При течении материала колеблющаяся расходомерная трубка отклоняется в ответ на приложенные силы Кориолиса. Колебания возбуждения расходомерной трубки существенно больше по амплитуде, чем Кориолисовы отклонения, так как колебания возбуждения происходят на резонансной частоте расходомерной трубки, наполненной материалом, тогда как Кориолисовы отклонения возбуждаются на частоте, значительно отличающейся от резонансной частоты расходомерной трубки для формы колебаний в виде Кориолисовых отклонений. Силы Кориолиса прикладываются текущим материалом к расходомерной трубке на той же частоте, что и колебания возбуждения. Однако отклонения расходомерной трубки, индуцируемые силой Кориолиса, имеют ту же форму, что и изгибные колебания второго порядка. Резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка расходомерной трубки значительно выше, чем частота приложения силы Кориолиса (частота возбуждения). Таким образом, поскольку сила Кориолиса прикладывается на частоте, весьма отличающейся от резонансной частоты ее формы колебаний (изгибных колебаний второго порядка), отклонения, индуцируемые силами Кориолиса, в расходомерной трубке намного меньше, чем индуцируемые возбудителем отклонения (в режиме изгибных колебаний первого порядка). Малые Кориолисовы отклонения в режиме изгибных колебаний второго порядка расходомерной трубки являются причиной, по которой создается фазовая задержка между сигналами двух датчиков скорости в ответ на течение материала.
Балансир, соответствующий настоящему изобретению, соединен своими концами с расходомерной трубкой посредством стяжек, которые передают колебательные силы расходомерной трубки на балансир. В известных измерительных приборах балансир, как и расходомерная трубка, имеет свою резонансную частоту режима изгибных колебаний второго порядка значительно выше, чем у режима изгибных колебаний первого порядка или возбуждения. Поскольку Кориолисовы отклонения расходомерной трубки очень малы и возникают на частоте, весьма далекой от резонансной частоты изгибных колебаний второго порядка балансира, силы, передаваемые на балансир с помощью стяжек, приводят к незначительному возбуждению режима изгибных колебаний второго порядка балансира. Таким образом, если в известных измерительных приборах расходомерная трубка обладает малой реакцией на силы Кориолиса, то балансир не имеет ее вообще.
Настоящее изобретение предусматривает сдвиг порядка частот различных форм колебаний балансира. Это может вызвать путаницу. Режимы колебаний определяются их формами, а не порядком частот. Одно полезное правило заключается в том, что номер режима равен числу узлов минус единица. Режим первого порядка имеет два узла (на концах). Режим второго порядка имеет три узла (на концах и в центре). Режим изгибных колебаний третьего порядка имеет четыре узла и т.д.
В соответствии со способом и устройством, предложенными в настоящем изобретении, частота изгибных колебаний в режиме второго порядка балансира понижается таким образом, что она становится близкой к частоте режима изгибных колебаний первого порядка (частоте возбуждения) как расходомерной трубки, так и балансира. Режим (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка, который имеет большое значение амплитуды колебаний как расходомерной трубки, так и балансира, не возбуждает балансир в режиме изгибных колебаний второго порядка ввиду разницы в формах колебаний. В режиме изгибных колебаний первого порядка отклоненная форма балансира (и расходомерной трубки) такова, что концы не имеют смещения, тогда как отрезок между концами имеет увеличенное смещение, при этом максимальное смещение возникает в центре. В режиме изгибных колебаний второго порядка концы и центр не имеют смещения, при этом максимальные смещения возникают в точках примерно на одной четверти и трех четвертях длины. Однако знак смещения изменяется в центральной точке, так что одна половина балансира (или расходомерной трубки) имеет положительное смещение, тогда как другая половина имеет отрицательное смещение. Результат разницы в формах колебаний заключается в том, что, хотя колебания, соответствующие режиму изгибных колебаний первого порядка, вносят энергию в одну половину балансира в режиме изгибных колебаний второго порядка, они отбирают такое же количество энергии у другой половины балансира. Следовательно, "чистый" эффект заключается в том, что режим изгибных колебаний второго порядка не возбуждается колебаниями, соответствующими режиму изгибных колебаний первого порядка, даже несмотря на то, что резонансные частоты могут быть близки.
Кориолисово отклонение расходомерной трубки имеет ту же форму, что и изгибные колебания второго порядка, при которой смещение расходомерной трубки имеет противоположный знак на любой стороне от центральной точки расходомерной трубки. Таким образом, Кориолисово отклонение расходомерной трубки способно возбуждать режим изгибных колебаний второго порядка балансира посредством сил, передаваемых через стяжки. В настоящем изобретении резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира сделана близкой к частоте возбуждения. Возбуждение режима изгибных колебаний второго порядка балансира с помощью Кориолисова отклонения расходомерной трубки становится достаточным, чтобы вызвать значительную фазовую задержку в балансире в местах нахождения датчиков скорости. Эта фазовая задержка между такими местами балансира складывается с фазовой задержкой между соответствующими местами расходомерной трубки и изменяет чувствительность к течению. Это изменение чувствительности используется для уменьшения влияния изменений плотности материала на чувствительность измерительного прибора к течению.
В соответствии с первым конкретным вариантом осуществления изобретения резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира ниже частоты возбуждения расходомерной трубки. Хорошо известно, что если резонансная частота генератора механических колебаний ниже частоты возбуждения, то генератор совершает колебания в противофазе с возбуждающим смещением. В результате, балансир допускает отклонение, которое находится в противофазе с индуцируемым Кориолисовым отклонением на расходомерной трубке. Поскольку источником возбуждения балансира для режима изгибных колебаний второго порядка являются Кориолисовы отклонения расходомерной трубки, амплитуда колебаний отклонений в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира увеличивается с увеличением силы Кориолиса на расходомерной трубке. Эти отклонения в противофазе в режиме изгибных колебаний второго порядка расходомерной трубки и балансира складываются и позволяют датчику скорости, подсоединенному к расходомерной трубке и балансиру, генерировать выходные сигналы с увеличенной фазовой задержкой (чувствительностью) по сравнению с выходными сигналами известных расходомеров Кориолиса с одной трубкой.
Возбуждение режима изгибных колебаний второго порядка балансира Кориолисовым отклонением расходомерной трубки зависит от разделения между частотой электрического возбуждения (частотой механического возбуждения) и резонансной частотой балансира в его режиме изгибных колебаний второго порядка. Малое разделение частот приводит к большей амплитуде изгибных колебаний второго порядка балансира для заданного расхода, чем при большем разделении частот. Частота возбуждения изменяется с изменениями плотности материала, потому что расходомерная трубка содержит текущий материал, а резонансная частота изгибных колебаний второго порядка балансира остается относительно неизменной. Таким образом, разделение между частотой возбуждения и резонансной частотой второго порядка балансира изменяется с плотностью материала и вызывает изменение чувствительности балансира к Кориолисовым колебаниям с изменением плотности материала. Когда резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира ниже частоты возбуждения, увеличения плотности материала вызывают уменьшение частоты возбуждения и уменьшение разделения частот с возникающим вследствие этого увеличением чувствительности балансира к течению материала. За счет надлежащего выбора величины разделения частот увеличение чувствительности балансира с плотностью материала может точно учитывать уменьшение чувствительности измерительного прибора из-за изменения отношения амплитуд колебаний в режиме возбуждения.
Уменьшение частоты режима изгибных колебаний второго порядка балансира до значения ниже частоты возбуждения достигается за счет физической реконструкции балансира, которая включает в себя перераспределение его массы и жесткости. Из центральной части балансира удаляется масса, что создает тенденцию к увеличению частоты возбуждения, одновременно оказывая малое влияние на частоту режима изгибных колебаний второго порядка. Это удаление массы оказывает малое влияние на частоту режима изгибных колебаний второго порядка потому, что режим изгибных колебаний второго порядка имеет малую амплитуду около центра. Затем в балансир добавляется масса около мест нахождения датчиков скорости. Это снижает частоту режима изгибных колебаний второго порядка больше, чем частоту возбуждения, поскольку имеются места, где амплитуда режима изгибных колебаний второго порядка имеет наибольшее значение.
Жесткость балансира изменяют за счет его значительного смягчения в областях большого изгиба в режиме изгибных колебаний второго порядка. Эти места несколько отстоят к центру от мест нахождения датчиков скорости. Снятие жесткости в этих зонах значительно снижает частоту режима изгибных колебаний второго порядка, оказывая при этом малое влияние на частоту возбуждения, поскольку в режиме возбуждения изгиб в этих областях невелик. И наконец, увеличивают жесткость на центральном участке балансира, между "мягкими" зонами, для дальнейшего повышения частоты возбуждения, оказывая при этом малое влияние на частоту изгибных колебаний второго порядка.
Эти физические модификации балансира могут снизить его частоту режима изгибных колебаний второго порядка таким образом, что она окажется ниже, чем его частота (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка. Когда это достигается, Кориолисовы колебания расходомерной трубки передаются от расходомерной трубки через стяжки к концам балансира. Это индуцирует в балансире отклонения, подобные Кориолисовым, которые находятся в противофазе с Кориолисовыми отклонениями расходомерной трубки. Эти отклонения называют "подобными Кориолисовым" потому, что они допускают форму колебаний, которая аналогична форме колебаний расходомерной трубки, отклоняемой силой Кориолиса. Таким образом, расходомерная трубка и балансир, соответствующие настоящему изобретению, работают подобно расходомеру Кориолиса с двумя трубками, в котором каждая из расходомерных трубок допускает колебательную реакцию Кориолиса, которая находится в противофазе относительно другой расходомерной трубки. Результат заключается в том, что измерительный прибор с одной трубкой, соответствующий настоящему изобретению, может иметь чувствительность к течению как у измерительного прибора с двумя трубками. Кроме того, поскольку изменение чувствительности из-за изменения плотности материала учитывается изменением чувствительности балансира, измерительный прибор с одной трубкой, соответствующий настоящему изобретению, имеет чувствительность к течению, которая постоянна и не зависит от плотности материала.
Фаза колебаний в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира по отношению к фазе Кориолисова отклонения расходомерной трубки зависит от взаимосвязи резонансной частоты режима изгибных колебаний второго порядка балансира с частотой (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка в настоящем изобретении. Частота режима изгибных колебаний второго порядка может быть либо меньше, чем частота режима (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка, либо равна ей, либо больше нее. Если частота режима изгибных колебаний второго порядка выше, чем частота возбуждения, изгибные колебания второго порядка балансира совпадают по фазе с колебаниями, индуцируемыми силой Кориолиса, расходомерной трубки. Это создает тенденцию к уменьшению фазового сдвига датчиков и чувствительности расходомера, но по-прежнему может быть использовано для того, чтобы сделать измерительный прибор нечувствительным к изменениям плотности материала.
Чувствительность расходомера снижается, когда частота режима изгибных колебаний второго порядка выше частоты возбуждения, т.е. режима изгибных колебаний первого порядка. Причина этого заключается в том, что Кориолисовы колебания и колебания режима изгибных колебаний второго порядка совпадают по фазе. Датчики скорости измеряют относительную скорость между расходомерной трубкой и балансиром, и это означает, что совпадающие по фазе перемещения склонны исключать друг друга. Однако это может быть полезным для того, чтобы создать измерительный прибор с чувствительностью к течению, которая не зависит от изменения плотности материала. Если частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира выше частоты возбуждения, то увеличивающаяся плотность материала снижает частоту возбуждения и увеличивает промежуток между этими двумя частотами. Но поскольку совпадающая по фазе реакция балансира уменьшает Кориолисову реакцию расходомерной трубки (вычитается из нее), уменьшенная реакция балансира проявляется в увеличении чувствительности расходомера к течению. Эта увеличенная чувствительность к течению с увеличением плотности материала и в этом случае оказывается способной исключать уменьшение чувствительности к течению, вызываемое изменением отношений амплитуд колебаний между расходомерной трубкой и балансиром. Как и в другом конкретном варианте осуществления, чтобы изменение чувствительности балансира к течению точно исключало изменение чувствительности, вызываемое отношением амплитуд колебаний в режиме возбуждения, необходимо иметь надлежащее разделение частот между двумя режимами. То, как это разделение частот устанавливается, определено в нижеследующих рассуждениях.
В документе ЕРО 831306 А1 описан расходомер Кориолиса, в некоторых аспектах похожий на расходомер Кориолиса, соответствующий настоящей заявке. Фиг.1 отображает компоновку с концентрическим балансиром, а фиг.6 - с параллельно установленным балансиром. В обоих случаях балансир имеет центрально установленный груз для уравнивания собственных частот расходомерной трубки и балансира. Нет конкретного указания, что такая конструкция реализует какую-либо существенную передачу колебаний от расходомерной трубки расходомера Кориолиса к балансиру через стяжки, чтобы индуцировать колебания в балансире. Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованный измерительный прибор с повышенной чувствительностью. Это достигается в двух основных конкретных вариантах осуществления, которые оба предусматривают использование балансира, имеющего неравномерное распределение массы и жесткости вдоль длины. В конкретном варианте осуществления, изображенном на фиг.7, компоновка такова, что резонансная частота балансира ниже, чем резонансная частота Кориолисовых отклонений расходомерной трубки, тогда как в конкретном варианте осуществления, изображенном на фиг.8, резонансная частота балансира выше, чем резонансная частота Кориолисовых отклонений расходомерной трубки. Это сказывается на Кориолисовых колебаниях расходомерной трубки.
Суммируя сказанное, отметим, что способ и устройство для расходомера Кориолиса, соответствующие настоящему изобретению, включают в себя балансир, физические характеристики которого позволяют ему иметь резонансную частоту режима изгибных колебаний второго порядка, которая ниже, чем его частота режима (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка, и близка к ней. Это позволяет балансиру реагировать на Кориолисовы отклонения расходомерной трубки, создавая свои собственные отклонения, подобные Кориолисовым. Если резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира ниже частоты возбуждения, то колебания, индуцируемые силами Кориолиса, находятся в противофазе с Кориолисовыми отклонениями расходомерной трубки. Это увеличивает чувствительность измерительного прибора и обуславливает получение расходомера с чувствительностью к течению, которая не зависит от изменений плотности материала. Если резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира выше частоты возбуждения, то колебания, индуцируемые силами Кориолиса, совпадают по фазе с Кориолисовыми отклонениями расходомерной трубки. Это уменьшает чувствительность измерительного прибора, но также обуславливает получение расходомера с чувствительностью к течению, которая не зависит от плотности материала.
Одним аспектом изобретения является способ эксплуатации расходомера Кориолиса, имеющего расходомерную трубку, балансир, ориентированный, по существу, параллельно упомянутой расходомерной трубке, причем способ включает в себя этапы, на которых:
обеспечивают течение материала через упомянутую расходомерную трубку;
обеспечивают колебания упомянутой расходомерной трубки и упомянутого балансира на частоте режима возбуждения, по существу, равной резонансной частоте упомянутого балансира и упомянутой расходомерной трубки при течении материала, при этом периодические Кориолисовы отклонения индуцируются на упомянутой частоте режима возбуждения в упомянутой колеблющейся расходомерной трубке в результате течения материала через колеблющуюся расходомерную трубку, причем упомянутые периодические Кориолисовы отклонения характеризуются областями отклонения, а также узлами, не имеющими отклонения;
при этом упомянутая частота режима возбуждения зависит от плотности упомянутого течения материала и изменяется обратно пропорционально изменению плотности упомянутого течения материала;
определяют относительную скорость упомянутой расходомерной трубки относительно упомянутого балансира для генерирования сигналов, отображающих упомянутые периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, и получают информацию, касающуюся упомянутого текущего материала, в ответ на генерирование упомянутых сигналов, причем упомянутые сигналы имеют амплитуду, которая изменяется с плотностью;
отличающийся тем, что упомянутый балансир имеет неравномерное распределение массы и жесткости вдоль его длины, так что резонансная частота упомянутого балансира в режиме колебаний, имеющем то же число узлов, что и периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, близка к частоте периодических Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки;
индуцируют отклонения, подобные Кориолисовым, в упомянутом балансире на частоте режима возбуждения в ответ на упомянутые Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, причем упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, упомянутого балансира имеют то же число узлов, что и периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, и отображают упомянутый режим колебаний, подобный Кориолисову, для которого резонансная частота упомянутого балансира близка к частоте упомянутых периодических Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки, а упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, упомянутого балансира имеют амплитуду, пропорциональную величине периодических сил Кориолиса на упомянутой колеблющейся расходомерной трубке при течении материала, и осуществляют генерирование упомянутых сигналов, отображающих упомянутые периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, в связи с упомянутыми отклонениями, подобными Кориолисовым, упомянутого балансира, изменяя таким образом амплитуду упомянутых сигналов;
при этом упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, балансира имеют амплитуду колебаний, которая зависит от Кориолисовых отклонений расходомерной трубки, а также от разности между упомянутой частотой режима возбуждения и упомянутой резонансной частотой упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира;
изменение частоты режима возбуждения вызывает изменение разделения частот между упомянутой частотой режима возбуждения и резонансной частотой упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову;
изменение упомянутого разделения частот изменяет амплитуду отклонений, подобных Кориолисовым, а
изменение амплитуды упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, с плотностью уменьшает изменение амплитуды упомянутых Кориолисовых отклонений с плотностью и приводит к величине чувствительности к течению, которая не зависит от изменений плотности упомянутого текущего материала.
Еще одним аспектом является приведение упомянутого расходомера в действие в ответ на изменение плотности упомянутого течения материала для изменения отношения между амплитудой колебаний в режиме возбуждения упомянутой расходомерной трубки и упомянутого балансира для изменения величины чувствительности к течению упомянутого расходомера в первом направлении, а также для изменения отношения между амплитудой Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки и отклонений, подобных Кориолисовым, упомянутого балансира для изменения величины чувствительности к течению упомянутого расходомера во втором направлении, противоположном упомянутому первому направлению;
при этом упомянутые изменения упомянутой величины чувствительности к течению в упомянутом первом направлении и в упомянутом втором направлении осуществляются для достижения величины чувствительности расходомера к течению, которая, по существу, не зависит от изменений плотности течения материала.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, упомянутого балансира имеют амплитуду колебаний, которая изменяется обратно пропорционально величине разделения упомянутой частоты режима возбуждения от резонансной частоты упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира, причем способ заключается в том, что дополнительно:
изменяют величину чувствительности к течению упомянутого расходомера в первом направлении в ответ на изменение отношения амплитуды колебаний в режиме возбуждения упомянутых расходомерной трубки и балансира в результате упомянутого изменения плотности упомянутого течения материала;
изменяют отношение между упомянутой амплитудой Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки и амплитудой упомянутого отклонения, подобного Кориолисову, упомянутого балансира в ответ на упомянутое изменение частоты режима возбуждения, происходящее из-за изменения плотности упомянутого течения материала, для изменения величины чувствительности к течению упомянутого расходомера во втором направлении, противоположном упомянутому первому направлению;
при этом упомянутые изменения упомянутой величины чувствительности к течению в упомянутом первом направлении и в упомянутом втором направлении осуществляются для достижения, по существу, постоянной величины чувствительности упомянутого расходомера к течению в некотором диапазоне плотностей течения материала.
Еще один аспект включает этап индуцирования упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, в упомянутом балансире посредством режима колебаний, подобного Кориолисову, имеющего резонансную частоту меньше, чем упомянутая частота режима возбуждения, причем упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, в упомянутом балансире находятся в противофазе с упомянутыми Кориолисовыми отклонениями упомянутой расходомерной трубки.
Еще один аспект включает этап индуцирования упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, в упомянутом балансире посредством режима колебаний, подобного Кориолисову, имеющего резонансную частоту больше, чем упомянутая частота режима возбуждения, причем упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, в упомянутом балансире совпадают по фазе с упомянутыми Кориолисовыми отклонениями упомянутой расходомерной трубки.
Еще один аспект заключается в том, что индуцируют упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, в упомянутом балансире посредством:
изгиба концов упомянутой расходомерной трубки в ответ на упомянутые периодические Кориолисовы отклонения для изгиба первого конца средства стяжек, и
изгиба второго конца упомянутого средства стяжек в ответ на упомянутый изгиб упомянутого первого конца для индуцирования упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, в упомянутом балансире.
Еще один аспект включает этап, на котором переносят эффективную пружину упомянутого балансира с упомянутого балансира на упомянутое средство стяжек для понижения резонансной частоты режима изгибных колебаний второго порядка балансира.
Еще один аспект заключается в том, что этап, на котором понижают резонансную частоту упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира, путем понижения эффективной пружины упомянутого балансира.
Еще один аспект заключается в том, что этап, на котором понижают резонансную частоту упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира осуществляют путем обеспечения, по меньшей мере, одной гибкой части упомянутого балансира наряду с обеспечением увеличенной массы, по меньшей мере, на одной другой части упомянутого балансиpa, а также обеспечением полости, по меньшей мере, в одной части упомянутого балансира.
Еще один аспект включает этап, на котором понижают резонансную частоту упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира путем обеспечения гибких частей упомянутого балансира в местах большого изгибающего момента упомянутого балансира для упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым.
Еще один аспект включает этап, на котором поддерживают концевые узлы упомянутой колеблющейся расходомерной трубки и упомянутого балансира в средстве стяжек, соединяющем упомянутую расходомерную трубку и упомянутый балансир.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутый этап поддержания включает обеспечение жестких участков упомянутого балансира и гибких участков упомянутого балансира, не содержащих жесткий участок.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутый режим возбуждения включает режим изгибных колебаний первого порядка, и при этом упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, включают режим изгибных колебаний второго порядка упомянутого балансира.
Еще один аспект включает этап, на котором понижают частоту упомянутого режима колебаний второго порядка упомянутого балансира путем обеспечения центральной части упомянутого балансира и гибкой части на каждой стороне упомянутой центральной части упомянутого балансира наряду с обеспечением увеличенной массы на каждой стороне упомянутой центральной части.
Еще один аспект включает этап, на котором понижают резонансную частоту упомянутого режима изгибных колебаний второго порядка упомянутого балансира путем обеспечения гибких частей упомянутого балансира в местах большого изгибающего момента упомянутого балансира, а также увеличенной массы в местах большой амплитуды колебаний в упомянутом режиме изгибных колебаний второго порядка.
Еще один аспект включает расходомер Кориолиса, имеющий расходомерную трубку, предназначенную для приема потока материала, балансир, ориентированный, по существу, параллельно упомянутой расходомерной трубке, и средство стяжек, соединяющее упомянутую расходомерную трубку с упомянутым балансиром, при этом упомянутый балансир также содержит:
средство возбуждения, предназначенное для обеспечения колебаний упомянутой расходомерной трубки и упомянутого балансира в противофазе в режиме возбуждения, имеющем частоту, по существу равную резонансной частоте расходомерной трубки, наполненной материалом, и упомянутого балансира, так что периодические Кориолисовы отклонения будут индуцироваться на упомянутой частоте возбуждения в упомянутой колеблющейся расходомерной трубке, когда упомянутый материал течет через нее, причем упомянутые периодические Кориолисовы отклонения характеризуются областями отклонений, а также узлами, не имеющими отклонения;
причем упомянутая частота режима возбуждения зависит от плотности упомянутого течения материала и изменяется обратно пропорционально изменению плотности упомянутого течения материала;
средство для определения скорости упомянутой расходомерной трубки относительно балансира для генерирования сигналов, отображающих упомянутые периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, причем упомянутые сигналы имеют амплитуду, которая изменяется с плотностью;
средство для получения информации, касающейся течения материала, в ответ на генерирование упомянутых сигналов;
отличающийся тем, что упомянутый балансир имеет конструкцию, обеспечивающую неравномерное распределение массы и жесткости вдоль длины упомянутого балансира, так что резонансная частота упомянутого балансира в режиме колебаний, имеющем то же число узлов, что и периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, близка к частоте периодических Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки, при этом отклонения, подобные Кориолисовым, будут подобными Кориолисовым в упомянутом балансире на частоте режима возбуждения в ответ на упомянутые Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, причем упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, упомянутого балансира имеют то же число узлов, что и периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, и отображают режим колебаний, подобный Кориолисову, для которого резонансная частота упомянутого балансира близка к частоте упомянутых периодических Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки, упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, упомянутого балансира имеют амплитуду, пропорциональную величине периодических сил Кориолиса упомянутой колеблющейся расходомерной трубки при течении материала;
при этом упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, определяют режим колебаний, подобный Кориолисову, упомянутого балансира, имеющего резонансную частоту, достаточно близкую к, но не равную, упомянутой частоте режима возбуждения, для изменения упомянутой амплитуды упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, в ответ на изменение частоты режима возбуждения, вследствие чего упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, изменяют амплитуду упомянутых генерируемых сигналов,
упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, упомянутого балансира имеют амплитуду колебаний, которая зависит от Кориолисова отклонения расходомерной трубки, а также от разности между частотой режима возбуждения и резонансной частотой упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира,
при этом упомянутое средство для генерирования сигналов генерирует упомянутые сигналы, отображающие упомянутые периодические Кориолисовы отклонения упомянутой расходомерной трубки, в связи с упомянутыми отклонениями, подобными Кориолисовым, упомянутого балансира, вследствие чего увеличивается амплитуда упомянутых генерируемых сигналов,
изменение частоты режима возбуждения вызывает изменение разделения частот между упомянутой частотой режима возбуждения и резонансной частотой упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову;
изменение упомянутого разделения частот изменяет амплитуду отклонений, подобных Кориолисовым, а
изменение амплитуды упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, с плотностью уменьшает изменение амплитуды упомянутых Кориолисовых отклонений с плотностью и приводит к величине чувствительности к течению, которая не зависит от изменений плотности упомянутого текущего материала.
Еще один аспект включает средство для приведения упомянутого расходомера в действие в ответ на изменение плотности упомянутого течения материала для изменения отношения между амплитудой колебаний в режиме возбуждения упомянутой расходомерной трубки и упомянутого балансира для изменения величины чувствительности к течению упомянутого расходомера в первом направлении;
средство, реагирующее на изменение упомянутой частоты режима возбуждения, происходящее из-за упомянутого изменения плотности упомянутого течения материала, для изменения отношения между амплитудой Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки и амплитуды отклонений, подобных Кориолисовым, упомянутого балансира для изменения величины чувствительности к течению упомянутого расходомера во втором направлении, противоположном упомянутому первому направлению;
при этом упомянутые изменения упомянутой величины чувствительности к течению в упомянутом первом направлении и в упомянутом втором направлении осуществляются для достижения, по существу, постоянной величины чувствительности расходомеpa к течению материала, которая, по существу, не зависит от изменений плотности течения материала.
Еще один аспект включает средство, реагирующее на изменение плотности упомянутого течения материала, для изменения величины чувствительности к течению упомянутого расходомера в первом направлении в ответ на изменение отношения амплитуд колебаний в режиме возбуждения упомянутых расходомерной трубки и балансира;
средство, реагирующее на изменение упомянутой плотности, для изменения упомянутой частоты режима возбуждения;
средство для изменения упомянутой величины чувствительности к течению расходомера во втором направлении, противоположном упомянутому первому направлению, в ответ на изменение отношения упомянутой амплитуды Кориолисовых отклонений упомянутой расходомерной трубки к амплитуде упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, упомянутого балансира, возникающее из-за изменения частоты режима возбуждения;
при этом упомянутые изменения упомянутой величины чувствительности к течению в упомянутом первом направлении и в упомянутом втором направлении осуществляются для достижения, по существу, постоянной величины чувствительности упомянутого расходомера к течению.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутое средство для обеспечения колебаний балансира включает в себя средство для индуцирования упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, в упомянутом балансире на упомянутой частоте возбуждения, причем резонансная частота режима колебаний, подобного Кориолисову, больше, чем упомянутая частота режима возбуждения, а упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, совпадают по фазе с упомянутыми периодическими отклонениями упомянутой расходомерной трубки.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутое средство для индуцирования упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, в упомянутом балансире передает силы, являющиеся показателями упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, от упомянутой, по меньшей мере, одной расходомерной трубки через упомянутую стяжку к упомянутому балансиру для индуцирования упомянутых отклонений, подобных Кориолисовым, в упомянутом балансире.
Еще один аспект включает в себя средство для понижения резонансной частоты упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира до величины, меньшей, чем величина упомянутой частоты режима возбуждения, а упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, упомянутого балансира находятся в противофазе с упомянутыми периодическими Кориолисовыми отклонениями упомянутой расходомерной трубки.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутое средство для понижения содержит дополнительную массу в упомянутом балансире в областях большой амплитуды колебаний в упомянутом режиме колебаний, подобном Кориолисову, и содержит гибкие части упомянутого балансира в местах большого изгибающего момента в упомянутом режиме колебаний, подобном Кориолисову.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутый режим возбуждения включает режим изгибных колебаний первого порядка, и при этом упомянутый режим колебаний, подобный Кориолисову, включает режим изгибных колебаний второго порядка.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутое средство для понижения дополнительно содержит жесткую центральную часть упомянутого балансира и дополнительную массу на каждой стороне упомянутой жесткой центральной части, и при этом упомянутое средство для понижения дополнительно содержит гибкие части упомянутого балансира в местах на любой стороне упомянутой жесткой центральной части.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутое средство для понижения дополнительно содержит полость в упомянутой центральной части для повышения упомянутой частоты возбуждения.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутая гибкая часть содержит сильфон.
Еще один аспект включает средство для понижения эффективной пружины упомянутого балансира для понижения резонансной частоты упомянутого режима колебаний, подобного Кориолисову, упомянутого балансира.
Еще один аспект включает средство для сосредоточения эффективной пружины упомянутой, по меньшей мере, одной расходомерной трубки и упомянутого балансира в упомянутой стяжке.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутое средство для сосредоточения содержит жесткие элементы на упомянутом балансире и гибкие элементы, содержащие каждую часть упомянутого балансира, не содержащую жесткий элемент.
Еще один аспект заключается в том, что концевой узел упомянутой расходомерной трубки и упомянутого балансира поддерживается в упомянутой стяжке.
Еще один аспект включает, по существу, прямолинейную расходомерную трубку и, по существу, прямолинейный балансир.
Еще один аспект включает расходомерную трубку, имеющую криволинейную часть, и балансир, имеющий криволинейную часть.
Еще один аспект заключается в том, что упомянутые отклонения, подобные Кориолисовым, включают режим изгибных колебаний второго порядка упомянутого балансира.
Вышеуказанные и другие преимущества признаков изобретения можно лучше понять по прочтении нижеследующего подробного описания изобретения, приводимого со ссылками на чертежи, где:
фиг.1 представляет векторную диаграмму известного расходомера Кориолиса с одной трубкой,
фиг.2 раскрывает сущность вращающейся расходомерной трубки,
фиг.3 раскрывает сущность колеблющейся расходомерной трубки,
фиг.4 раскрывает сущность сил Кориолиса, прикладываемых к расходомерной трубке, показанной на фиг.3,
фиг.5 раскрывает сущность реакции Кориолиса расходомерной трубки, показанной на фиг.3,
фиг.6 раскрывает сущность расходомера Кориолиса с прямолинейной трубкой,
фиг.7 и 8 раскрывают сущность характеристик Кориолисовых колебаний расходомера Кориолиса с одной трубкой, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.9 и 10 раскрывают сущность кривых частотной характеристики расходомера, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.11 и 12 представляют векторные диаграммы расходомера Кориолиса с одной трубкой, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.13 раскрывает сущность формы колебаний и изгибающих моментов режима изгибных колебаний первого порядка балансира, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.14 раскрывает сущность формы колебаний и изгибающих моментов режима изгибных колебаний второго порядка балансира, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.15 раскрывает сущность конкретного варианта осуществления настоящего изобретения,
фиг.16 и 17 раскрывают сущность кривых частотной характеристики расходомера Кориолиса, показанного на фиг.15,
фиг.18 раскрывает сущность альтернативного конкретного варианта осуществления расходомера Кориолиса с одной трубкой, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.19, 20 и 21 раскрывают сущность характеристик колебаний концептуального расходомера Кориолиса с одной трубкой,
фиг.22, 23 и 24 раскрывают сущность характеристик колебаний одного возможного расходомера Кориолиса с одной трубкой, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.25 раскрывает сущность альтернативного конкретного варианта осуществления расходомера Кориолиса с прямолинейной трубкой, соответствующего настоящему изобретению,
фиг.26 раскрывает сущность расходомера Кориолиса, являющегося конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения и имеющего криволинейную расходомерную трубку и окружающий балансир,
фиг.27 и 28 представляют векторные диаграммы, иллюстрирующие работу известного расходомера Кориолиса для различных плотностей материалов,
фиг.29 и 30 изображают взаимосвязь между амплитудой колебаний второго порядка балансира и Кориолисовой амплитудой расходомерной трубки в связи с разными частотами возбуждения.
Способ и устройство, соответствующие настоящему изобретению, снимают проблему изменений чувствительности к течению, возникающих из-за изменений плотности материала в расходомерах с одной трубкой, за счет обеспечения балансира, который активно реагирует на Кориолисовы отклонения расходомерной трубки. Реакцию балансира изменяют с изменениями плотности материала так, чтобы учесть изменение чувствительности с плотностью в известных измерительных приборах с одной трубкой. Чтобы понять, как это делается, необходимо понять природу силы Кориолиса на расходомерной трубке, деформации, которую создает эта сила в расходомерной трубке, а также то, как деформация приводит к фазовому сдвигу вдоль расходомерной трубки.
Фиг.1 будет описана позже и представляет векторную диаграмму скоростей колебаний расходомера, показанного на фиг.6.
Фиг.2 изображает трубку 202, через которую течет материал, когда она вращается против часовой стрелки вокруг своего конца 201. Силу Кориолиса, приходящуюся на единицу длины трубки 202, можно вывести из уравнения для Кориолисова ускорения Аk и закона Ньютона.
Кориолисово ускорение можно выразить в виде:
где ω - угловая скорость, v - скорость материала.
Силу Кориолиса, Fk, можно выразить в виде:
где М - масса материала, а поскольку для текучей среды
M=ρАтрубкиl,
где ρ - плотность материала, Атрубки - площадь сечения расходомерной трубки, l - длина трубки, то
где 
- удельный массовый расход, тогда
Сила Кориолиса, Fk, одинакова вдоль длины трубки 202, потому что каждая часть трубки 200 вращается с одной и той же скоростью, а удельный массовый расход одинаков по всей расходомерной трубке.
Фиг.3 изображает прямолинейную расходомерную трубку 300, выполненную с возможностью поворота вокруг каждого кольца 301 и 302, но без возможности поступательного движения на концах 301 и 302. Подобно струне гитары, расходомерная трубка 300 колеблется под воздействием возбудителя В в режиме изгибных колебаний первого порядка на ее резонансной частоте, когда через трубку течет материал. Когда расходомерная трубка проходит через свое положение 303 (нулевого смещения) на прямой вниз, ее левая половина поворачивается по часовой стрелке, тогда как ее правая половина поворачивается против часовой стрелки. Величины поворота уменьшаются по мере приближения к центру трубки. Центр не поворачивается, а движется лишь поступательно. Пространственное распределение сил Кориолиса по расходомерной трубке 300, когда она проходит через нулевое смещение 303, показано на фиг.4. Сила Кориолиса проходит в противоположных направлениях на двух половинах, поскольку направления поворота трубки противоположны. Сила Кориолиса уменьшается до нуля в центре, потому что поворот трубки уменьшается до нуля в центре.
Другое важное различие между колеблющейся трубкой 300, показанной на фиг.3, и вращающейся трубкой 202, показанной на фиг.2, заключается в том, что колеблющаяся трубка 300 не поворачивается непрерывно, а останавливается и меняет направление на противоположное. Когда направление колебаний меняется на противоположное, повороты становятся нулевыми, и сила Кориолиса по всей расходомерной трубке равна нулю. В результате, величина сил Кориолиса, показанных на фиг.4, изменяется во времени по синусоидальному закону, а ее максимум возникает тогда, когда колебания расходомерной трубки проходят через нулевую амплитуду и максимальную скорость, как показано на фиг.4. Нулевая сила Кориолиса возникает по всей расходомерной трубке, когда эта расходомерная трубка достигает максимальной амплитуды колебаний и нулевой скорости колебаний в режиме (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка. Частота синусоидального приложения силы Кориолиса к расходомерной трубке такая же, как частота, с которой эта трубка колеблется, а именно равна частоте колебаний в режиме (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка.
Расходомерная трубка 300 изгибается в ответ на периодическую силу Кориолиса, как показано на фиг.5. Сплошная линия показывает форму (в значительно увеличенном масштабе), которую трубка принимает в ответ на силу Кориолиса, когда эта трубка проходит вниз через нулевое смещение в режиме возбуждения. Пунктирная линия показывает форму, которую трубка принимает, когда она движется вверх через нулевое смещение в режиме возбуждения. Отметим, что только точка на расходомерной трубке, которая на самом деле проходит через нуль в этот момент, является средней точкой трубки. Форма, показанная на фиг.5, аналогична форме изгибных колебаний второго порядка. Однако это просто совпадение. Частота режима изгибных колебаний второго порядка расходомерной трубки гораздо выше, чем частота, с которой прикладывается сила Кориолиса, показанная на фиг.4 (частота режима изгибных колебаний первого порядка). Поскольку расходомерная трубка возбуждается силами Кориолиса на частоте, которая точно ниже ее резонансной частоты режима изгибных колебаний второго порядка, эта деформация, вызванная силами Кориолиса, показанная на фиг.5, и сила Кориолиса, показанная на фиг.4, возникают в фазе (совпадают по фазе) друг с другом. Поэтому расходомерная трубка 300 предположительно имеет форму, показанную на фиг.5, когда она проходит ось 303 нулевого смещения в своем режиме возбуждаемых (изгибных) колебаний (первого порядка). Течение материала вызывает наложение колебаний, индуцируемых силами Кориолиса и показанных на фиг.5, на возбуждаемые колебания, показанные на фиг.3. Это показано на фиг.6. Оба типа колебаний возникают на частоте возбуждения режима изгибных колебаний первого порядка, но они сдвинуты по фазе друг относительно друга на девяносто градусов. Максимум смещения (сплошные линии), индуцируемого силами Кориолиса, возникает, когда режим изгибных колебаний первого порядка имеет место при нулевом смещении вдоль оси 303. Смещение, вызываемое силами Кориолиса, становится нулевым, когда режим изгибных колебаний первого порядка имеет место при максимальном смещении (пунктирные линии). Фиг.6 аналогична фиг.4 в том, что она представляет состояние расходомерной трубки, поскольку Кориолисовы отклонения связаны с моментом, когда расходомерная трубка 300 пересекает нулевую ось 303. В этот момент, и только в этот момент, силы Кориолиса и отклонения, индуцируемые силами Кориолиса, имеют максимальную амплитуду. Как уже пояснялось применительно к фиг.4, силы Кориолиса уменьшаются и в конечном счете становятся равными нулю, когда отклонение расходомерной трубки 300 достигает своего максимума либо в направлении вверх, либо в направлении вниз. В этот момент скорость расходомерной трубки равна нулю, то же самое относится к приложенным силам Кориолиса и результирующему Кориолисову отклонению. Таким образом, синусоидальная реакция Кориолиса, показанная на фиг.5, имеет синусоидальное изменение амплитуды на частоте возбуждения, когда расходомерная трубка 300 совершает синусоидальные колебания в своем режиме изгибных колебаний первого порядка между ее максимальным положительным и максимальным отрицательным отклонением под действием сигнала возбуждения. Для ясности, амплитуда смещения, индуцируемого силами Кориолиса и показанного на фиг.5 и 6, изображена в значительно увеличенном масштабе. Эта амплитуда на самом деле значительно меньше, чем амплитуда режима изгибных колебаний первого порядка расходомерной трубки 300, потому что режим изгибных колебаний первого порядка возбуждается на резонансной частоте расходомерной трубки, а Кориолисов режим - нет. Таким образом, Кориолисовы деформации, показанные на всех чертежах, изображены в значительно увеличенном масштабе.
Фазовая задержка, связанная с течением материала, в известных измерительных приборах возникает в результате наложения режима (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка и Кориолисова отклонения расходомерной трубки. На фиг.5 можно увидеть, что правый датчик ПД скорости проходит через нулевое смещение раньше левого датчика ЛД скорости. Иными словами, также можно сказать, что правый датчик ПД опережает по фазе левый датчик ЛД. Разность фаз (или временная задержка) пропорциональна амплитуде смещения, индуцируемого силами Кориолиса, которое, в свою очередь, пропорционально удельному массовому расходу.
Настоящее изобретение предусматривает сдвиг порядка частот различных форм колебаний балансира. Режимы колебаний определяются согласно их формам, а не их порядку частот. Поэтому режимом изгибных колебаний первого порядка будет в дальнейшем именоваться тот, который изображен на фиг.3. Режим изгибных колебаний второго порядка будет иметь форму, показанную на фиг.5. Полезное правило заключается в том, что порядковый номер режима равен числу узлов минус один. Режим первого порядка имеет два узла (на концах). Режим второго порядка имеет три узла (на концах и в центре). Режим изгибных колебаний третьего порядка имеет четыре узла и т.д.
В обычных расходомерах Кориолиса с одной трубкой балансир колеблется только в режиме изгибных колебаний первого порядка и никак не реагирует на силу Кориолиса на расходомерной трубке. Фиг.6 изображает известный расходомер 600 Кориолиса с одной трубкой, имеющий расходомерную трубку 601 и балансир 602, соединенные стяжками 603 и 604 на концах балансира 602. Сплошные линии на фиг.6 изображают расходомерную трубку 601 и балансир 602, когда они пересекают ось 303 нулевого смещения в режиме (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка при течении материала. На балансире 602, показанном на фиг.6, не возникают Кориолисовы отклонения. Пунктирные линии изображают расходомерную трубку и балансир выпученными наружу в положении, когда их колебания обуславливают выпуклость наружу в режиме (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка.
Фиг.1 представляет векторную диаграмму, раскрывающую сущность скоростей колебаний, генерируемых обычным расходомером Кориолиса с одной трубкой, изображенным на фиг.6. Реакцией расходомерной трубки в правом датчике ПД скорости является вектор 103, который имеет опережающую фазу φтрубки, отображенную в виде угла между вектором 103 и действительной осью 102. Длина вектора 103 отображает его пиковую скорость (или амплитуду колебаний, поскольку они пропорциональны). Его проекция на ось Х отображает его мгновенную скорость. Вектор 106 балансира не сдвинут по фазе от оси 102, поскольку балансир не подвергается воздействию сил Кориолиса, генерируемых на расходомерной трубке. Вектор 106 балансира показан вдоль действительной оси 102 и получил обозначение Vбалансира. Суммой векторов скоростей расходомерной трубки и балансира является вектор 105. Вектор 105 имеет фазовый угол φчист, отображающий суммарные векторные амплитуды и фазы расходомерной трубки и балансира. Отметим, что "чистый" разовый угол, выдаваемый из правого датчика ПД, меньше, чем фазовый угол самой трубки. Уменьшение фазового угла (и чувствительности измерительного прибора) происходит из-за отсутствия фазового сдвига в балансире в обычных измерительных приборах с одной трубкой.
Фиг.27 и 28 представляют векторные диаграммы известного измерительного прибора, имеющие разные отношения амплитуд из-за изменения плотности материала. Сравнение диаграмм на обоих чертежах обычно будет бессмысленным, поскольку разница плотностей приводит к сдвигу частоты возбуждения, а также фазы расходомерной трубки. Поэтому все фазовые углы были "нормализованы" по частоте. Это значит, что фазы были разделены на частоту трубки. Нормализованные фазовые углы в действительности отображают собой временную задержку. Поскольку сила Кориолиса, а значит - и фазовый угол, пропорциональна частоте трубки, нормализованные фазовые углы расходомерной трубки не зависят от частоты трубки. Поэтому нормализованный фазовый угол расходомерной трубки на фиг.27 равен нормализованному фазовому углу на фиг.28 для того же расхода, и сравнения становятся бессмысленными. Фиг.27 представляет векторную диаграмму для расходомера, имеющего относительно большой вектор 2703 расходомерной трубки и относительно малый вектор 2706 балансира из-за материала, имеющего низкую плотность. Вектор расходомерной трубки имеет нормализованную фазу φтрубки относительно оси Х 2702, тогда как вектор 2706 балансира пролегает вдоль оси Х 2702 и имеет нулевой фазовый угол. Векторной суммой векторов 2703 и 2706 является вектор 2705, имеющий скорость Vчист и имеющий нормализованный фазовый угол φчист относительно оси Х 2702. Ось 2701 является мнимой осью. Отношение амплитуд расходомерной трубки и балансира является величиной, на которую вектор 2703 больше вектора 2706.
Фиг.28 представляет векторную диаграмму для того же расходомера, имеющего относительно малый вектор 2303 амплитуды расходомерной трубки и относительно большой вектор 2806 балансира из-за большей плотности материала. Вектор Vтрубки расходомерной трубки имеет нормализованную фазу φтрубки относительно оси Х 2802. Вектор балансира имеет нулевую фазу и совпадает с осью Х 2802. Векторной суммой этих двух векторов является вектор 2805, имеющий нормализованный фазовый угол φчист относительно оси Х 2802. Ось 2801 является мнимой осью.
При сравнении векторных диаграмм, представленных на фиг.27, с векторными диаграммами, представленными на фиг.28, можно увидеть, что нормализованная фаза результирующего вектора 2705 для течения материала меньшей плотности больше, чем нормализованная фаза результирующего вектора 2805, представленного на фиг.28, для течения материала большей плотности. Если вспомнить, что нормализованная фаза результирующего вектора на каждой из фиг.27 и 28 представляет временную задержку датчика скорости связанного с ним расходомера, то можно наблюдать, что расходомер, работающий при течения материала меньшей плотности, имеет чувствительность, которая больше, чем показываемая тем же расходомером, работающим при течении материала большей плотности. Отсюда можно также увидеть, что расходомер с одной трубкой неизбежно имеет более высокую чувствительность к течению из-за изменения отношения амплитуд при более легких материалах (фиг.27), чем при более тяжелых материалах (фиг.28).
Конкретный вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг.7, предусматривает балансир, резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка которого несколько ниже частоты возбуждения режима изгибных колебаний первого порядка. Отклонение, индуцируемое силами Кориолиса, расходомерной трубки 607 возбуждает режим изгибных колебаний второго порядка в балансире 602 с помощью стяжек 603 и 604. Амплитуда колебаний балансира 602 в режиме изгибных колебаний второго порядка пропорциональна амплитуде Кориолисова отклонения расходомерной трубки 601 и поэтому пропорциональна расходу материала. Амплитуда колебаний балансира 602 в режиме его изгибных колебаний второго порядка, показанная на фиг.1, также зависит от промежутка между частотой (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка и резонансной частотой режима изгибных колебаний второго порядка балансира. Чем ближе частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира к частоте (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка, тем больше будет амплитуда колебаний балансира в его режиме изгибных колебаний второго порядка. Эта взаимосвязь подробно показана на фиг.9, которая представляет собой график зависимости отношения амплитуд колебаний балансира в его режиме изгибных колебаний второго порядка от отношения между частотой (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка и резонансной частотой режима изгибных колебаний второго порядка балансира 602. По оси х 902 отложено отношение частоты (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка и резонансной частоты режима изгибных колебаний второго порядка балансира. По оси Y 901 отложен коэффициент усиления реакции Кориолиса балансира 602. Как можно заметить, реакция Кориолиса, индуцируемая в балансире 602, имеет максимум, когда отношение между частотой возбуждения и резонансной частотой изгибных колебаний второго порядка балансира составляет 1,0. Индуцируемая силами Кориолиса реакция 904 балансира уменьшается до нуля от своего максимума, когда отношение этих двух частот, изображенное на фиг.9, становится больше 1,0. Реакция Кориолиса балансира также уменьшается от своего максимума, когда отношение этих двух частот становится меньше единицы.
Из фиг.9 также можно увидеть, что наклон кривой становится круче, когда отношение частот достигает единицы с любого из двух направлений. Таким образом, малое изменение частоты возбуждения дает большее изменение амплитуды режима изгибных колебаний второго порядка балансира, если отношение частот близко к единице, чем в случае, если это отношение больше отличается от единицы. Именно изменение наклона этой кривой усиления используется в настоящем изобретении для определения того, какое разделение частот должно иметь место, чтобы точно исключить изменение чувствительности из-за изменения отношения амплитуд колебаний и по другим причинам.
Эта взаимосвязь используется в соответствии с настоящим изобретением для получения расходомера, имеющего "плоский" коэффициент усиления и постоянную чувствительность к течению для течений материалов, имеющих разные плотности.
Фиг.7 раскрывает сущность конкретного варианта осуществления, в котором резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира ниже частоты возбуждения, но достаточно близка к частоте возбуждения, так что Кориолисовы отклонения в расходомерной трубке возбуждают колебания, подобные Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка в балансире. В этом конкретном варианте осуществления колебания, подобные Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира и Кориолисовы отклонения расходомерной трубки находятся в противофазе друг с другом. В результате фаза скорости расходомерной трубки в правом датчике имеет тот же знак, что и фаза скорости балансира в правом датчике. Как показано на фиг.7, датчик ПД и на расходомерной трубке, и на балансире уже прошел положение нулевого смещения в момент, когда возбудитель проходит через нуль. Это опережающая фаза, и она отображается положительным фазовым углом. Величина фазового угла расходомерной трубки пропорциональна амплитуде Кориолисова отклонения расходомерной трубки. Величина фазового угла балансира пропорциональна амплитуде колебаний, подобных Кориолисовым, балансира в его режиме изгибных колебаний второго порядка. На фиг.7 можно увидеть, что балансир ведет себя подобно еще одной расходомерной трубке и повышает чувствительность измерительного прибора к течению.
Фиг.11 представляет векторную диаграмму для конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.7. В этом конкретном варианте осуществления резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира ниже частоты возбуждения. Скорость в режиме возбуждения отложена по оси X, тогда как ось Y является мнимой осью (ось Х также может быть осью амплитуды, поскольку в колеблющихся системах скорость и амплитуда пропорциональны). Вектор 1104 скорости Vтрубки расходомерной трубки имеет длину, пропорциональную ее пиковой скорости (или амплитуде) в режиме возбуждения. Он примерно вдвое длиннее, чем вектор 1103 скорости Vбалансира балансира, потому что амплитуда колебаний у расходомерной трубки больше, чем у балансира. Мгновенные скорости расходомерной трубки и балансира можно определить по длинам проекций их векторов на ось X. Сумма векторов скорости расходомерной трубки и балансира равна Vчист. Длина вектора 1105 Vчист отображает пиковую относительную скорость между двумя конструктивными элементами (магнитом и катушкой) датчика ПД скорости. Мгновенная относительная скорость - это проекция вектора 1105 Vчист на ось X. Амплитуда (или скорость) Кориолисовых отклонений правого датчика ПД расходомерной трубки примерно втрое больше амплитуды (или скорости) режима изгибных колебаний второго порядка балансира в правом датчике ПД. Это очевидно потому, что нормализованный фазовый угол φтрубки для расходомерной трубки больше, чем φбалансира 1 для балансира. Угол между вектором 1105 Vчист и осью Х является "чистой" нормализованной фазой φчист, при которой напряжение, создаваемое правым датчиком ПД скорости, опережает прохождение нуля возбудителем. Левый датчик ЛД скорости (не показан на фиг.11) запаздывает относительно возбудителя на тот же нормализованный фазовый угол. Нормализованная разность фаз между сигналами напряжения двух датчиков скорости отображает временную задержку и пропорциональна удельному массовому расходу.
Пунктирные вектора на фиг.11 показывают результат увеличения плотности материала в расходомере. Фазовые углы нормализованы (разделены на частоту), чтобы обеспечить возможность отображения векторов для обеих плотностей на одном и том же графике. На фиг.11 вектор 1104 амплитуды (и скорости) режима возбуждения расходомерной трубки уменьшился от места 1112 до места 1108 с увеличением плотности материала, тогда как нормализованная фаза φтрубки осталась неизменной. Поведение расходомерной трубки с изменением плотности материала такое же, как в известных измерительных приборах, как можно увидеть на фиг.27 и 28, где фиг.27 представляет течение менее плотного материала, чем фиг.28. Вектор 1103 амплитуды (и скорости) балансира вырос по величине по сравнению с величиной более длинного вектора 1110, что имеет место и в известных измерительных приборах. Однако, в отличие от известных измерительных приборов, показанных на фиг.27 и 28, нормализованный фазовый угол балансира увеличился от φбалансира 1 до φбалансира 2 с увеличением плотности материала. Нормализованный фазовый угол вектора 1110 балансира увеличился потому, что увеличение плотности материала понизило частоту возбуждения и сместило ее ближе к резонансной частоте режима изгибных колебаний второго порядка балансира. Это привело к большей амплитуде колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка, а значит - и к большему нормализованному фазовому углу φбалансира 2.
Ключевым моментом настоящего изобретения является то, что изменение нормализованного фазового угла вектора 1110 балансира является правильной величиной для оставления вектора 1105 Vчист неизменным как по длине в месте 1111, так и по нормализованному фазовому углу φчист по сравнению с вектором 1105 Vчист при меньшей плотности материала. То, что тот вектор 1105 Vчист не изменяется по длине, является результатом электронного управления амплитудой измерительного прибора, которое присутствует и в настоящем изобретении, и в известных измерительных приборах. То, что этот вектор 1105 Vчист не изменяется по нормализованному фазовому углу φчист, является результатом изменения амплитуды колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира с изменением плотности материала. Размер этого изменения амплитуды колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира выбирают так, чтобы его резонансная частота колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка находилась на правильном расстоянии от частоты режима возбуждения. При этом правильном разделении частот наклон кривой усиления таков, что изменение плотности материала меняет разделение частот и изменяет амплитуду колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира на величину, необходимую для того, чтобы оставить вектор 1105 Vчист неизменным и оставить чувствительность измерительного прибора неизменной.
Изменение чувствительности измерительного прибора к течению с изменением плотности из-за сдвига отношения амплитуд колебаний в режиме возбуждения неизбежно. Однако можно регулировать величину ухода чувствительности к течению. Легко увидеть, как это можно сделать, представляя расходомер с балансиром, который является бесконечно тяжелым (и бесконечно жестким, чтобы поддерживать надлежащую резонансную частоту). Этот балансир должен иметь нулевую амплитуду колебаний в режиме возбуждения, чтобы уравновесить расходомерную трубку. Изменение плотности текучей среды в этом воображаемом расходомере не должно влиять на коэффициент калибровки течения, потому что амплитуда колебаний балансира должна оставаться нулевой, а амплитуда и фаза расходомерной трубки должны оставаться неизменными.
В случае более реального измерительного прибора, имеющего балансир, который просто значительно тяжелее, чем расходомерная трубка, вектора амплитуды и скорости балансира остаются очень малыми. Изменение плотности текучей среды значительно изменяет длину вектора скорости балансира, но - по сравнению с вектором скорости расходомерной трубки - вектор скорости балансира остается малым. Длина вектора скорости расходомерной трубки изменяется на ту же величину, что и вектор скорости балансира, но в противоположном направлении. Это изменение длины составляет лишь малую процентную долю более длинного вектора скорости расходомерной трубки. Поскольку вектор скорости балансира остается очень малым по сравнению с вектором скорости расходомерной трубки, изменение длины вектора скорости балансира с плотностью материала имеет лишь малое влияние на фазовый угол "чистого" вектора скорости и на чувствительность измерительного прибора к течению.
Изменение чувствительности измерительного прибора к течению с изменением плотности текучей среды является наибольшим, когда амплитуда колебаний в режиме возбуждения расходомерной трубки приблизительно равна амплитуде колебаний в режиме возбуждения балансира. Именно этот случай иллюстрируется с помощью фиг.27 и 28. На фиг.27 текучая среда имеет низкую плотность, а расходомерная трубка имеет большую амплитуду колебаний, чем балансир. На фиг.28 текучая среда имеет высокую плотность, а балансир имеет большую амплитуду колебаний, чем расходомерная трубка. Из этих чертежей легко увидеть, что изменение фазы "чистого" вектора скорости велико, потому что и вектор скорости расходомерной трубки, и вектор скорости балансира подвержены значительным изменениям по длине с изменением плотности текучей среды.
Резюмируя сказанное, отметим, что чувствительность к течению становится наибольшей из-за изменения отношения амплитуд колебаний, когда амплитуда колебаний балансира почти равна амплитуде колебаний расходомерной трубки. Изменение чувствительности является наименьшим, когда амплитуда балансира очень мала по сравнению с амплитудой расходомерной трубки. В известных измерительных приборах амплитуду колебаний в режиме возбуждения балансира всегда делали очень малой, изготавливая балансир настолько тяжелым, насколько это было возможно по экономическим соображениям. Это минимизирует влияние отношения амплитуд колебаний, изменяющегося с плотностью текучей среды. Тем не менее, как указано в других местах данного описания, существуют и другие причины, помимо изменения отношения амплитуд в режиме возбуждения, которые обуславливают изменение чувствительности измерительного прибора к течению с изменением плотности текучей среды. Некоторые из этих других причин вызывают изменение чувствительности к течению в противоположном направлении, когда изменяется отношение амплитуд колебаний в режиме возбуждения. Таким образом, полезно признать взаимосвязь между массой балансира и уходом чувствительности к течению. Тогда можно выбирать массу балансира таким образом, чтобы уход чувствительности из-за изменения плотности текучей среды был противоположен уходу чувствительности по другим причинам и подавлял его. Одной такой другой причиной является изменение чувствительности из-за изменения отношения амплитуды Кориолисовых отклонений к амплитуде режима изгибных колебаний второго порядка балансира с изменением плотности.
Фиг.30 иллюстрирует, как изменяется амплитуда режима изгибных колебаний второго порядка балансира по мере изменения плотности материала (а значит - и частоты возбуждения). На фиг.30 по оси Х отложена частота, и на этой оси имеются вертикальные линии для частоты возбуждения при наличии материала низкой плотности ("Частота 1 возбуждения"), материала высокой плотности ("Частота 2 возбуждения"), а также для резонансной частоты режима изгибных колебаний второго порядка балансира ("Частота колебаний 2-го порядка балансира"). По оси Y отложено отношение в виде амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира, деленной на амплитуду Кориолисовых отклонений расходомерной трубки. Сплошная кривая отображает отношение с учетом амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира и легкого материала, имеющего частоту 1 возбуждения. Точка, где вертикальная линия резонансной частоты колебаний второго порядка балансира пересекает эту кривую, определяет отношение амплитуд изгибных колебаний второго порядка балансира и Кориолисовых отклонений расходомерной трубки. Таким образом, можно увидеть, что результатом "Частоты 1 возбуждения" является "Амплитуда 1 колебаний 2-го порядка балансира". Аналогично, пунктирная кривая отображает отношение с учетом изгибных колебаний второго порядка балансира в случае более плотного материала, имеющего частоту 2 возбуждения. "Частота 2 возбуждения" приводит к "Амплитуде 2 колебаний 2-го порядка балансира". На фиг.30 можно увидеть, что разница в отношении амплитуд для заданного сдвига частоты возбуждения зависит от места нахождения резонансной частоты колебаний второго порядка балансира относительно частот возбуждения. Если разделение велико, изменение отношения амплитуд в режиме колебаний второго порядка балансира с изменением плотности мало. Если разделение частот мало (если линия "Частота колебаний 2-го порядка балансира" переместилась вправо), то изменение отношения амплитуд в режиме колебаний второго порядка балансира велико.
На фиг.7 можно увидеть, что отклонение балансира в его режиме изгибных колебаний второго порядка похоже на Кориолисово отклонение расходомерной трубки. Таким образом, увеличение амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира приводит к увеличению фазы вектора скорости балансира, показанного на фиг.11. На фиг.11 также показано, что если увеличение фазы вектора скорости балансира с плотностью имеет правильную величину, то "чистый" вектор скорости может остаться неизменным по нормализованной фазе и амплитуде. Это означает, что чувствительность измерительного прибора к течению может оставаться неизменной с изменением плотности. Фиг.30 показывает, как изменение амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира с плотностью можно регулировать с помощью разделения частот между резонансной частотой колебаний второго порядка балансира и частотой возбуждения. Меньшее разделение частот приводит к большему повышению чувствительности с плотностью. Таким образом, за счет надлежащего задания резонансной частоты изгибных колебаний второго порядка балансира можно сконструировать расходомер, имеющий балансир, фаза вектора скорости которого изменяется на надлежащую величину, чтобы оставить "чистый" вектор скорости неизменным при изменении плотности материала. Такая конструкция дает расходомер Кориолиса с одной трубкой, который имеет чувствительность к течению, на которую не влияет плотность материала.
Фиг.8 изображает конкретный вариант осуществления, в котором резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира выше частоты возбуждения, на которой Кориолисовы отклонения в расходомерной трубке возбуждают в балансире колебания, подобные Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка, и близка к этой частоте. В этом конкретном варианте осуществления колебания, подобные Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира и Кориолисовы отклонения расходомерной трубки совпадают по фазе друг с другом. Это означает, что фаза скорости расходомерной трубки в правом датчике ПД имеет противоположный знак по сравнению с фазой балансира в правом датчике. Как показано на фиг.8, правый датчик ПД на расходомерной трубке уже пересек положение нулевого смещения, тогда как датчик ПД на балансире еще не пересек положение нулевого смещения. Таким образом, расходомерная трубка имеет опережающую фазу, а балансир имеет отстающую (запаздывающую) фазу. Они представлены положительным и отрицательным нормализованными фазовыми углами, соответственно, на фиг.12. Величина нормализованного фазового угла φтрубки расходомерной трубки пропорциональна амплитуде Кориолисовых отклонений расходомерной трубки, тогда как величина нормализованного фазового угла φбалансира балансира пропорциональна амплитуде колебаний, подобных Кориолисовым, балансира в его режиме изгибных колебаний второго порядка. На фиг.8 можно увидеть, что балансир ведет себя как еще одна расходомерная трубка, но с отрицательными Кориолисовыми отклонениями.
Фиг.12 представляет векторную диаграмму для конкретного варианта осуществления, изображенного на фиг.8. В этом конкретном варианте осуществления частота режима изгибных колебаний второго порядка балансира выше частоты возбуждения. Скорость в режиме возбуждения показана вдоль оси X, а ось Y является мнимой осью. Вектор 1204 скорости Vтрубки расходомерной трубки имеет длину в месте 1212, пропорциональную его пиковой скорости (или амплитуде) в режиме возбуждения. Он примерно вдвое длиннее, чем вектор 1203 скорости Vбалансира балансира, потому что амплитуда колебаний расходомерной трубки в режиме возбуждения больше, чем у балансира. Мгновенные скорости расходомерной трубки и балансира можно определять по длинам проекций их векторов на ось X. Суммой векторов скорости расходомерной трубки и балансира является вектор 1205 Vчист. Длина вектора 1205 Vчист отображает пиковую относительную скорость между обоими конструктивными элементами датчика ПД скорости. Мгновенная относительная скорость - это проекция вектора Vчист на ось X.
Амплитуда (или скорость) 1204 Кориолисовых отклонений правого датчика ПД расходомерной трубки примерно втрое больше амплитуды (или скорости) 1203 изгибных колебаний второго порядка, подобных Кориолисовым, балансира в его правом датчике ПД. Это очевидно потому, что нормализованный фазовый угол φтрубки для расходомерной трубки больше, чем φбалансира 1 для балансира. Отметим, что нормализованный фазовый угол φбалансира 1 вектора балансира является отрицательным. Это результат того, что резонансная частота изгибных колебаний второго порядка выше частоты возбуждения. Нормализованный фазовый угол φчист между вектором 1205 Vчист и осью Х отображает "чистую" временную задержку, на которую напряжение, выдаваемое правым датчиком ПД скорости, опережает пересечение нуля возбудителем. Левый датчик скорости ЛД (не показан на фиг.11) отстает от возбудителя на ту же временную задержку. Разность во времени между двумя сигналами напряжения двух датчиков скорости пропорциональна удельному массовому расходу.
Пунктирные вектора на фиг.12 показывают результат увеличения плотности материала в расходомере. Фазовые углы снова нормализованы (разделены на частоту), чтобы обеспечить возможность отображения векторов обеих плотностей на одном и том же графике. На фиг.12 можно увидеть, что вектор 1204 амплитуды (и скорости) режима возбуждения расходомерной трубки уменьшился по величине от той, которая была в месте 1212, до той, которая имеется в месте 1208, с увеличением плотности материала, тогда как нормализованная фаза φтрубки осталась неизменной. Вектор 1203 амплитуды (и скорости) балансира вырос по величине по сравнению с величиной большего вектора 1210. Однако, в отличие от известных измерительных приборов и в отличие от конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.7, нормализованный фазовый угол балансира уменьшился (переместился ближе к оси X) от φбалансира 1 до φбалансира 2 с увеличением плотности материала. Нормализованный фазовый угол вектора балансира уменьшился потому, что увеличение плотности материала понизило частоту режима возбуждения и переместило ее дальше от резонансной частоты режима изгибных колебаний второго порядка балансира. Это привело к меньшей амплитуде колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка, а значит - и к меньшему нормализованному фазовому углу. Однако, поскольку фазовый угол отрицателен, это уменьшение приводит к повышению чувствительности измерительного прибора.
Ключевым моментом конкретного варианта осуществления, в котором резонансная частота изгибных колебаний второго порядка балансира выше частоты возбуждения, что имеет место в конкретном варианте осуществления, показанном на фиг.7 и 12, является то, что изменение нормализованного фазового угла вектора балансира происходит на величину, необходимую для оставления вектора 1205 Vчист неизменным как по длине, так и по нормализованному фазовому углу. Вектор 1205 Vчист не изменяется по длине в результате электронного управления амплитудой измерительного прибора, которое присутствует и в настоящем изобретении, и в известных измерительных приборах. Вектор 1205 Vчист не изменяется по нормализованному фазовому углу в результате изменения амплитуды колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира с изменением плотности материала. Размер этого изменения амплитуды колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира выбирают так, чтобы его резонансная частота колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка находилась на правильном расстоянии от частоты режима возбуждения. При правильном разделении частот наклон кривой усиления таков, что изменение плотности материала изменяет разделение частот и изменяет амплитуду колебаний, подобных Кориолисовым, в режиме изгибных колебаний второго порядка балансира на величину, необходимую для того, чтобы оставить вектор 1205 Vчист неизменным и оставить чувствительность измерительного прибора неизменной.
Фиг.29 изображает изменения амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира по мере изменения плотности материала (а значит - и частоты возбуждения). Фиг.29 идентична фиг.30, только резонансная частота изгибных колебаний второго порядка балансира выше частоты возбуждения, а не ниже ее. Как и на фиг.30, сплошная кривая отображает отношение усиления для балансира при легком материале, имеющем частоту 1 возбуждения. Точка, где вертикальная линия резонансной частоты колебаний второго порядка балансира пересекает эту кривую, определяет отношение амплитуд изгибных колебаний второго порядка балансира и Кориолисовых отклонений расходомерной трубки. Таким образом, можно увидеть, что результатом "Частоты 1 возбуждения" является "Амплитуда 1 колебаний 2-го порядка балансира". Аналогично, пунктирная кривая отображает отношение с учетом изгибных колебаний второго порядка балансира в случае более плотного материала, имеющего частоту 2 возбуждения. "Частота 2 возбуждения" приводит к "Амплитуде 2 колебаний 2-го порядка балансира". На фиг.29 можно увидеть, что, по мере увеличения плотности материала и уменьшения частоты возбуждения, разделение между частотой возбуждения и резонансной частотой изгибных колебаний второго порядка балансира увеличивается. Это приводит к уменьшению амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира. Так, на фиг.29 амплитуда 2 балансира (для материала большей плотности) меньше по величине, чем амплитуда 1 балансира. Уменьшение амплитуды приводит к уменьшению величины фазового угла вектора скорости балансира. Однако, поскольку фазовый угол отрицательный, уменьшение его величины представляет собой увеличение фазы вектора скорости балансира. Это увеличение фазы балансира (уменьшению отрицательной фазы) с плотностью материала позволяет "чистому" вектору оставаться неизменным по длине и нормализованной фазе. На фиг.29, как и на фиг.30, разница в отношении амплитуд для заданного сдвига частоты возбуждения зависит от места нахождения резонансной частоты колебаний второго порядка балансира относительно частот возбуждения. Если разделение велико, изменение отношения амплитуд в режиме колебаний второго порядка балансира с изменением плотности мало. Если разделение частот мало (если линия "Частота колебаний 2-го порядка балансира" переместилась влево), то изменение отношения амплитуд в режиме колебаний второго порядка балансира велико. Таким образом, предусматривая правильное разделение частот при конструировании, можно задать изменение фазы вектора скорости балансира так, что получится постоянный "чистый" вектор.
В заключение отметим: на фиг.8 можно увидеть, что отклонение балансира в его режиме изгибных колебаний второго порядка похоже на отрицательное Кориолисово отклонение во второй расходомерной трубке. Таким образом, уменьшение амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира приводит к уменьшению отрицательной фазы вектора скорости балансира, показанного на фиг.12. На фиг.12 также показано, что если уменьшение отрицательной фазы вектора скорости балансира с плотностью имеет правильную величину, то "чистый" вектор скорости может остаться неизменным по нормализованной фазе и амплитуде. Это означает, что чувствительность измерительного прибора к течению может оставаться неизменной с изменением плотности. Фиг.29 показывает, как изменение амплитуды изгибных колебаний второго порядка балансира с плотностью можно регулировать с помощью разделения частот между резонансной частотой колебаний второго порядка балансира и частотой возбуждения. Таким образом, за счет надлежащего задания резонансной частоты изгибных колебаний второго порядка балансира, можно сконструировать расходомер, имеющий балансир, фаза вектора скорости которого изменяется на надлежащую величину, чтобы оставить "чистый" вектор скорости неизменным при изменении плотности материала. Такая конструкция дает расходомер Кориолиса с одной трубкой, который имеет чувствительность к течению, на которую не влияет плотность материала.
Следовательно, настоящее изобретение имеет два конкретных варианта осуществления. В одном конкретном варианте осуществления резонансная частота колебаний второго порядка балансира ниже частоты возбуждения, а в другом она выше частоты возбуждения. В обоих конкретных вариантах осуществления режим изгибных колебаний второго порядка балансира возбуждается Кориолисовыми отклонениями расходомерной трубки. В обоих конкретных вариантах осуществления величина возбуждения балансира зависит от разделения между резонансной частотой колебаний второго порядка и частотой возбуждения. В обоих конкретных вариантах осуществления надлежащее разделение можно выбрать так, что чувствительность измерительного прибора к течению будет независимой от плотности материала.
В вышеизложенном описании речь шла о требуемой взаимосвязи частоты изгибных колебаний второго порядка балансира с частотой возбуждения режима изгибных колебаний первого порядка. Один конкретный вариант осуществления имеет частоту режима изгибных колебаний второго порядка, которая ниже частоты возбуждения режима изгибных колебаний первого порядка настолько, что чувствительность измерительного прибора к течению не изменяется с плотностью материала. Наличие частоты режима изгибных колебаний второго порядка, которая ниже частоты возбуждения режима изгибных колебаний первого порядка, является особой ситуацией, которую некоторые могут назвать невозможной. Ниже описаны особенности конструкции, с помощью которых это достигается.
Двумя факторами, которые определяют резонансную частоту колеблющейся конструкции, являются масса и жесткость пружины. Уравнение для резонансной частоты имеет вид:
где k - жесткость пружины; М - масса.
Чтобы сделать частоту режима изгибных колебаний второго порядка ниже частоты (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка, нужно внести изменения в обычный балансир, которые как повысят его частоту (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка, так и понизят его частоту режима изгибных колебаний второго порядка. Как увеличение массы, так и уменьшение коэффициента пружины (жесткости) служат для понижения частоты. Для понижения резонансной частоты режима изгибных колебаний второго порядка таким образом, чтобы она была ниже, чем частота возбуждения режима изгибных колебаний первого порядка, необходимо изменить массу и жесткость балансира в зонах, где они важнее в одном режиме, чем в другом. Изменение массы в зонах малой амплитуды колебаний имеет малое влияние. Точно так же изменение жесткости k в зонах малого изгибающего момента имеет малое влияние.
Фиг.13 и 14 изображают формы колебаний и диаграммы изгибающих моментов режимов изгибных колебаний первого и второго порядка балансира 1301. Чтобы "смягчить" (уменьшить) k в режиме изгибных колебаний второго порядка без "смягчения" k в режиме изгибных колебаний первого порядка, можно уменьшить жесткость балансира 1301 в тех зонах, где его изгибающий момент близок к нулю в режиме изгибных колебаний первого порядка и велик в режиме изгибных колебаний второго порядка. Пунктирные линии i и ii на фиг.13 и 14 показывают, что двумя такими местами могут быть места, обозначенные позициями 1306 и 1308. Уменьшение жесткости k балансира 1301 в местах 1306 и 1308 оказывает малое влияние на частоту режима изгибных колебаний первого порядка, показанного на фиг.13, так как расходомерная трубка является относительно прямолинейной и имеет малый изгибающий момент в этих местах в режиме изгибных колебаний первого порядка. Таким образом, уменьшение жесткости в местах 1306 и 1308 не оказывает влияние на частоту (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка. Однако, как показано на фиг.14, места 1306 и 1308 имеют большой изгибающий момент для режима изгибных колебаний второго порядка. Таким образом, уменьшение жесткости или коэффициента пружины балансира в его местах 1306 и 1308 понижает частоту режима изгибных колебаний второго порядка.
Частоту режима изгибных колебаний первого порядка балансира 1301 можно повысить путем увеличения его жесткости в тех зонах, где он имеет большой изгибающий момент в режиме изгибных колебаний первого порядка и где режим изгибных колебаний второго порядка имеет изгибающий момент, близкий к нулю. Линия iii на фиг.14 показывает, что таким местом может быть место 1307. Рассмотрение фиг.13 и 14 показывает, что в месте 1307 балансир 1301 имеет большой изгибающий момент в своем режиме изгибных колебаний первого порядка, показанном на фиг.13, и малый изгибающий момент в своем режиме изгибных колебаний второго порядка, показанном на фиг.14.
Таким образом, балансир, который имеет увеличенную жесткость в зоне 1307, будет иметь повышенную частоту возбуждения, тогда как частота режима изгибных колебаний второго порядка, показанного на фиг.14, останется неизменной.
Для дополнительного понижения частоты режима изгибных колебаний второго порядка относительно частоты режима изгибных колебаний первого порядка можно увеличить массу балансира 1301 в тех зонах, которые имеют большую амплитуду в режиме изгибных колебаний второго порядка и малую амплитуду в режиме изгибных колебаний первого порядка. Это места i и ii на фиг.13-17. Кроме того, уменьшение массы в части с линией iii балансира 1301, показанной на фиг.13 и 14, повышает частоту возбуждения, не оказывая влияние на частоту режима изгибных колебаний второго порядка. Поэтому, как видно на фиг.13 и 14, амплитуда колебаний для режима изгибных колебаний первого порядка велика в месте 1307, тогда как амплитуда колебаний для режима изгибных колебаний второго порядка мала, как видно на фиг.14. Таким образом, удаление некоторой массы из места 1307 балансира повышает частоту возбуждения, но не влияет на частоту режима изгибных колебаний второго порядка.
Фиг.15 изображает конкретный вариант осуществления этой конструкции. Жесткость балансира 1503 уменьшена за счет удаления материала из частей 1508 и 1509 на любой стороне его элемента 1506 центральной области. Это лишь немного повышает частоту возбуждения и при этом значительно понижает частоту изгибных колебаний второго порядка. Кроме того, в балансир 1503 также добавлена масса 1504 и 1505 снаружи области 1508 и 1509 уменьшенной жесткости. Это дополнительно снижает частоту режима изгибных колебаний второго порядка. Из центральной части 1506 балансира 1503 масса удалена с оставлением полости 1507. Фиг.16 изображает получающуюся при этом форму колебаний возбуждения, а фиг.17 изображает получающуюся при этом форму Кориолисовых изгибных колебаний второго порядка для расходомера, показанного на фиг.15.
Фиг.18 изображает еще один конкретный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором для уменьшения жесткости балансира используются сильфоны 1808 и 1809. Конкретный вариант осуществления, изображенный на фиг.18, похож на конкретный вариант осуществления, изображенный на фиг.15, 16 и 17, тем, что имеет центральный элемент 1806, сравнимый с элементом 1506, изображенным на фиг.15. Конкретный вариант осуществления, изображенный на фиг.18, также имеет зону 1807 уменьшенной массы, сравнимую с элементом 1507, изображенным на фиг.15. Он также имеет дополнительные массы 1504 и 1505, сравнимые с дополнительными массами, изображенными на фиг.15. Гибкие сильфоны 1808 и 1809, изображенные на фиг.18, имеют уменьшенную жесткость по сравнению с элементами 1508 и 1509, изображенными на фиг.15. Эти характеристики конкретного варианта осуществления, изображенного на фиг.18, служат для повышения частоты возбуждения и понижения частоты режима изгибных колебаний второго порядка таким же образом, как и в случае конкретного варианта осуществления, изображенного на фиг.15.
Эти конструктивные признаки, описанные для фиг.15-18, могут наилучшим образом снизить частоту режима изгибных колебаний второго порядка балансира до частоты (возбуждения) режима изгибных колебаний первого порядка. Это можно проиллюстрировать, предположив, что центральный участок балансира 1503 не имеет массы, а зоны уменьшенной жесткости балансира не имеют жесткости. В этом самом крайнем случае центральным участком балансира можно полностью пренебречь, и балансир 1503 ведет себя подобно двум независимым консольным балкам 1511 (фиг.19). Тогда форма колебаний в режиме (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка подобна той, которая показана на фиг.20, а форма колебаний в режиме Кориолисовых изгибных колебаний второго порядка подобна той, которая изображена на фиг.21. Между режимом возбуждения и режимом изгибных колебаний второго порядка нет разницы в форме балансира, за тем исключением, что в режиме возбуждения, соответствующем фиг.20, оба конца балок 1511 балансира находятся в одинаковой фазе, а в режиме изгибных колебаний второго порядка, соответствующем фиг.21, они находятся в противофазе друг с другом. Поскольку концы балансира не соединены, взаимосвязь их фаз друг с другом не вносит различие в их резонансные частоты. Таким образом, режим изгибных колебаний второго порядка (в противофазе), соответствующий фиг.21, имеет такую же частоту, как режим изгибных колебаний первого порядка (в одинаковой фазе), соответствующий фиг.20.
Заключительный конструктивный признак, необходимый для понижения частоты режима изгибных колебаний второго порядка до величины ниже частоты возбуждения, может быть реализован путем изменения жесткости балансира таким образом, чтобы она имела меньшую жесткость в режиме изгибных колебаний второго порядка, чем в режиме изгибных колебаний первого порядка. Сущность этого конструктивного признака состоит в том, что балансир делают исключительно жестким (кроме двух зон 1508 и 1509 уменьшенной жесткости, показанных на фиг.22), так что значительная доля изгиба возникает в стяжке 1502. Тогда "чистая" жесткость балансира 1503 становится функцией отношения амплитуд колебаний балансира 1503 и расходомерной трубки 1501. Балансир сделан жестким в элементах 1511. Это имеет эффект удаления эффективной пружины из балансира 1503 и сосредоточения пружины в стяжке 1502, так что пружина примыкает к концевым узлам. Тогда перемещение узловых мест может иметь значительное влияние на жесткость эффективной пружины балансира.
Показанные на фиг.22 расходомерная трубка 1501 и балансир 1503 имеют одинаковые амплитуды колебаний в режиме возбуждения. Фиг.23 изображает те же колебания в режиме возбуждения балансира в сочетании с почти нулевой амплитудой колебаний расходомерной трубки. На обоих чертежах балансир 1502 имеет плоскость 2201 стационарных узлов между расходомерной трубкой 1501 и балансиром 1503. Плоскость 2201 стационарных узлов - это плоскость нулевых колебаний, и она не колеблется ни с расходомерной трубкой, ни с балансиром. Вследствие одинаковых амплитуд колебаний, на фиг.22 плоскость 2201 стационарных узлов находится примерно на полпути между расходомерной трубкой 1501 и балансиром 1503. На фиг.23 расходомерная трубка 1501 имеет гораздо меньшую амплитуду колебаний (и большую массу), и поэтому плоскость 2201 стационарных узлов расположена очень близко от расходомерной трубки 1501. Будучи связанной с динамикой системы, плоскость 2201 стационарных узлов отмечает конец области пружины балансира 1503 в каждой стяжке 1502. Более короткая эффективная пружина балансира 1503, изображенная на фиг.22, придает ему большую эффективную жесткость, чем более длинная эффективная пружина балансира 1503, изображенная на фиг.23. Когда большинство функций упругости балансира 1503 сосредоточено в стяжках 1502, большее отношение амплитуд расходомерной трубки и балансира приводит к более короткой и жесткой области пружины балансира, чем меньшее отношение амплитуд. Следовательно, конструирование измерительного прибора таким образом, чтобы он имел большее отношение амплитуд расходомерной трубки и балансира в режиме (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка, чем в Кориолисовом режиме изгибных колебаний второго порядка, может привести к Кориолисову режиму изгибных колебаний второго порядка, имеющему более низкую резонансную частоту, чем режим (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка. Объяснение этого приведено ниже.
Отношение амплитуд колебаний в режиме возбуждения определяется массой и жесткостью обоих колеблющихся элементов. Если расходомерная трубка 1501 и балансир 1503 имеют равные резонансные частоты (а они должны быть такими для динамически уравновешенного расходомера), то справедливо следующее соотношение:
Кроме того, по закону сохранения количества движения:
МтрубкиVтрубки=MбалансираVбалансира.
Исходя из этих двух законов можно заметить, что отношение амплитуд колебаний является величиной, обратной отношению масс, а также что отношение масс и отношение жесткостей должны быть равны:
Следовательно, чтобы балансир 1503 имел меньшую амплитуду колебаний, чем расходомерная трубка 1501, балансир должен иметь большую массу и жесткость, чем расходомерная трубка.
Частоту возбуждения повышают до величины, большей, чем частота Кориолисова режима изгибных колебаний второго порядка, следующим образом. Отношение амплитуд колебаний в режиме изгибных колебаний первого порядка между расходомерной трубкой 1501 и балансиром 1503 делают большим. Этого достигают, делая балансир 1503 и его элементы 1511 тяжелыми и жесткими по сравнению с расходомерной трубкой 1501. Результат заключается в том, что плоскость 2201 стационарных узлов в стяжке 1502 близка к балансиру 1503. Это делает жесткость пружины балансира (в режиме возбуждения) большой. Однако в Кориолисовом режиме изгибных колебаний второго порядка отношение амплитуд изменяется на обратное. Амплитуда Кориолисова отклонения расходомерной трубки мала, потому что оно не возбуждается на резонансной частоте силой Кориолиса. Амплитуда балансира в режиме изгибных колебаний второго порядка велика, потому что он возбуждается Кориолисовым отклонением расходомерной трубки 1501 на ее резонансной частоте режима изгибных колебаний второго порядка или около этой частоты. Таким образом, отношение амплитуд колебаний расходомерной трубки и балансира в Кориолисовом режиме изгибных колебаний второго порядка мало, и это приводит к расположению плоскостей стационарных узлов близко к расходомерной трубке 1501. Это делает пружины балансира относительно длинными, а жесткость балансира - малой в Кориолисовом режиме изгибных колебаний второго порядка. Это снижает частоту режима изгибных колебаний второго порядка. Кориолисов режим изгибных колебаний второго порядка с малым отношением амплитуд показан на фиг.24. Поскольку отношение амплитуд колебаний велико в режиме возбуждения и мало в Кориолисовом режиме изгибных колебаний второго порядка, пружины балансира (которые сосредоточены в стяжке 1502) оказываются жестче в режиме возбуждения, чем в Кориолисовом режиме изгибных колебаний второго порядка. Это позволяет режиму изгибных колебаний второго порядка на самом деле иметь более низкую частоту, чем режим изгибных колебаний первого порядка.
В заключение отметим, что существуют четыре признака, которые отличают настоящее изобретение. Во-первых, жесткость балансира 1503 уменьшена на обеих сторонах его центральной части 1506. Это снижает резонансную частоту изгибных колебаний второго порядка балансира. Это осуществляется с помощью элементов 1508 и 1509, которые являются гибкими и имеют малую жесткость пружины. Во-вторых, масса балансира 1503 уменьшена в его центральной части 1506 и увеличена непосредственно снаружи областей 1508 и 1509 уменьшенной жесткости. Это повышает частоту возбуждения и снижает частоту изгибных колебаний второго порядка балансира. В-третьих, балансир 1502 сделан жестким в его балочных элементах 1511, так что основная часть пружины колеблющейся конструкции возникает в стяжке 1502. Это заставляет жесткость пружины балансира становиться функцией отношения амплитуд колебаний между расходомерной трубкой и балансиром. В-четвертых, относительная масса и жесткость расходомерной трубки 1501 и балансира 1503 такова, что отношение амплитуд колебаний (расходомерной трубки и балансира) больше в режиме возбуждения, чем в Кориолисовом режиме изгибных колебаний второго порядка. Это позволяет режиму изгибных колебаний второго порядка балансира иметь резонансную частоту, несколько меньшую, чем у режима (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка. Использование всех этих конструктивных признаков для осуществления повышения чувствительности расходомера Кориолиса, являющегося конкретным воплощением настоящего изобретения, может оказаться необязательным. Необходимо использовать лишь достаточное количество этих признаков для уменьшения частоты режима изгибных колебаний второго порядка балансира 1503, чтобы она оказалась ниже частоты возбуждения.
Другой конкретный вариант осуществления настоящего изобретения - тот, в котором резонансная частота режима изгибных колебаний второго порядка выше частоты возбуждения, - реализуется путем использования тех же приемов конструирования, которые описаны для первого конкретного варианта осуществления. Единственная разница заключается в том, что резонансную частоту режима изгибных колебаний второго порядка балансира не приходится понижать настолько значительно. Ее приходится понижать немного, поскольку режим изгибных колебаний второго порядка обычно имеет резонансную частоту, которая настолько выше, чем частота возбуждения, что не происходит значительное возбуждение этого режима Кориолисовыми отклонениями расходомерной трубки (которые происходят на частоте возбуждения). Чтобы осуществить понижение на меньшую величину для этого конкретного варианта осуществления, необходимо применить лишь несколько приемов конструирования, или применять их умеренно.
Вышеописанные конкретные варианты осуществления изобретения принимают форму одной прямолинейной трубки с параллельным балансиром сбоку от расходомерной трубки. Такое описание приведено только для ясного изложения изобретательских замыслов. Принципы и конструктивные признаки изобретения одинаково применимы также к расходомеру Кориолиса с одной прямолинейной трубкой и концентрическим балансиром (фиг.25), а также к расходомерам с одной криволинейной трубкой (фиг.26) с концентрическими балансирами. Предпочтительный конкретный вариант осуществления - одна прямолинейная трубка с концентрическим балансиром, как показано на фиг.25. Для ясности на фиг.25 и 26 удалена передняя половина балансиpa, чтобы можно было видеть расходомерную трубку. Фиг.25 представляет простейший и наиболее компактный конкретный вариант осуществления.
Конкретный вариант осуществления, изображенный на фиг.25, аналогичен конкретному варианту осуществления, изображенному на фиг.22-24, за исключением того, что балансир 2503 концентричен с расходомерной трубкой 2501 и окружает ее. Центральная часть балансира 2503 имеет малую массу благодаря полости 2507. Участки 2508 и 2509 имеют уменьшенную жесткость. Балансир 2503 также имеет элементы 2504 и 2505 с дополнительной массой, соответствующие элементам 1504 и 1505, показанным на фиг.22-24. Эта конструкция конкретного варианта осуществления, изображенного на фиг.25, позволяет частоте режима изгибных колебаний второго порядка балансира 2503 быть несколько ниже, чем частота режима (возбуждения) изгибных колебаний первого порядка, и обеспечивает такие же преимущества, как описанные ранее для конкретного варианта осуществления, изображенного на фиг.22-24. Балансир 2503 включает в себя концевые участки 2511 и центральный участок 2506.
Фиг.26 раскрывает сущность конкретного варианта осуществления, который в большинстве особенностей аналогичен конкретному варианту осуществления, изображенному на фиг.25, за исключением того, что расходомерная трубка 2601 и окружающий ее концентрический балансир 2603 не прямолинейные, а криволинейные, с изгибом вверх от горизонтали в частях 2615 и 2616, от которых они простираются вверх до тех пор, пока не образуют переход от вертикали к горизонтали в зонах 2617 и 2618. Центральная часть 2606 стяжки 2603 имеет зону 2607 малой массы, содержащую полость, и удлиненные элементы 2608 и 2609, которые дополнительно имеют малую жесткость пружины. Элементы 2604 и 2605 обеспечивают дополнительную массу таким же образом, как это делают элементы 2504 и 2505 конкретного варианта осуществления, изображенного на фиг.25, и таким же образом, как это делают элементы 1504 и 1505 конкретного варианта осуществления, изображенного на фиг.22-24.
На фиг.25 измерительный электронный элемент 2420 подает сигналы возбуждения через шину 2423 в возбудитель В, который взаимодействует с соседним магнитом М для обеспечения колебаний расходомерной трубки 2501 и балансира 2503 в противофазе друг с другом на резонансной частоте возбуждения. При течении материала в колеблющейся расходомерной трубке к этой расходомерной трубке прикладываются силы Кориолиса, отклоняя ее левую часть в противофазе относительно ее правой части, как известно в данной области техники. Эти Кориолисовы отклонения определяются левым датчиком ЛД и правым датчиком ПД. Сигналы, отображающие Кориолисовы отклонения, подаются по шинам 2421 и 2422 в измерительное электронное средство 2420, которое обычным способом обрабатывает сигналы для генерирования выходной информации, касающейся текущего материала. Эта информация подается на шину 2424 и может включать в себя плотность материала, расход материала, и т.д. На фиг.25 возбудитель В, левый датчик ЛД и правый датчик ПД содержат каждый пару катушка-магнит, причем магниты обозначены буквой М и прикреплены к расходомерной трубке вблизи катушки каждой пары катушка-магнит ЛД, В и ПД.
Конкретный вариант осуществления, изображенный на фиг.26, аналогично связан с электронным элементом (не показан), сравнимым с измерительным электронным средством 2420. Конкретный вариант осуществления, изображенный на фиг.26, аналогично имеет возбудитель В, левый датчик ЛД и правый датчик ПД (все они не показаны на чертеже фиг.26, поскольку расходомерная трубка колеблется в плоскости, проходящей поперечно плоскости чертежа фиг.26). При таком изображении на фиг.26 можно увидеть только левый магнит М, связанный с датчиком ЛД (не показан), и центральный магнит М, связанный с возбудителем В (не показан), и правый магнит М, связанный с датчиком ПД (не показан).
В процессе эксплуатации расходомера Кориолиса при колебании его расходомерной трубки и ориентированного параллельно трубке балансира, соединенного с ней стяжками, за счет перераспределения массы и жесткости вдоль длины балансира индуцируют в нем отклонения, подобные Кориолисовым, включающие режим изгибных колебаний второго порядка. Резонансная частота балансира в режиме колебаний, имеющем то же число узлов, что и периодические Кориолисовы отклонения расходомерной трубки, близка к частоте последних. При изменении плотности материала, протекающего через расходомерную трубку, изменяют отношение между амплитудами колебаний в режиме возбуждения трубки и балансира, а также между амплитудой Кориолисовых отклонений трубки и отклонений, подобных Кориолисовым, балансира. Изобретения обеспечивают постоянную чувствительность, не зависящую от изменений плотности материала. 2 с. и 31 з.п. ф-лы, 30 ил.
| Радиоэлектронный блок | 1979 |
|
SU849568A1 |
