Область техники
Настоящее изобретение относится к соединительному кольцу для Кориолисова расходомера и, в частности, - к способу и устройству, которые обеспечивают крепление друг к другу элементов Кориолисова расходомера, имеющих разные коэффициенты теплового расширения.
Предшествующий уровень техники
Кориолисовы расходомеры с одной трубкой обычно имеют балансир, окружающий расходомерную трубку, и промежуточные соединительные кольца, которые соединяют каждый конец балансира с расходомерной трубкой. Соединительные кольца часто крепят к балансиру и расходомерной трубке посредством пайки твердым припоем, чтобы обеспечить жесткое и неразъемное соединение. Целостность паяных твердым припоем соединений важна, потому что в процессе эксплуатации балансир и расходомерная трубка, заполненная измеряемым материалом, совершают колебания в противофазе. Колебания расходомерной трубки необходимы для придания Кориолисова ускорения текущему материалу, а колебания балансира необходимы для уравновешивания колеблющейся расходомерной трубки. Соединительные кольца и их паяные твердым припоем соединения гарантируют, что расходомерная трубка, соединительное кольцо и балансир представляют собой цельную, динамически уравновешенную конструкцию. Если соединения не обладают целостностью, равновесие колеблющейся конструкции и точность расходомера могут нарушиться.
Дефекты в паяных твердым припоем соединениях также могут уменьшить срок службы расходомера. Расположение паяных соединений между колеблющимися в противофазе балансиром и расходомерной трубкой, заполненной материалом, приводит к тому, что паяные твердым припоем соединения имеют области высоких механических напряжений. Кроме того, механическое напряжение является циклическим и меняет знак с каждым циклом колебаний. Дефектные или несовершенные паяные твердым припоем соединения имеют участки, которые концентрируют и увеличивают циклическое механическое напряжение. Механическое напряжение может увеличиваться до величины, при которой происходит усталостное трещинообразование и отказ измерительного прибора. Таким образом, можно заметить, что соединительные кольца и твердые припои представляют собой ответственные элементы для успешной работы Кориолисова расходомера.
В известных измерительных приборах пайка осуществляется твердыми припоями, во время которой цилиндрический балансир надевают на расходомерную трубку, а затем надевают на эту расходомерную трубку соединительные кольца и вставляют их в концы балансира. На поверхности, которые связывают соединительное кольцо с балансиром и расходомерной трубкой, наносят материал твердого припоя. Затем эту конструкцию помещают в печь и нагревают примерно до 800°С. Материал припоя плавится и течет под воздействием капиллярного притяжения в малые промежутки, разделяющие расходомерную трубку, соединительное кольцо и балансир. Затем конструкцию охлаждают, и материал твердого припоя твердеет, в результате чего получается цельная конструкция, содержащая балансир, соединительное кольцо и расходомерную трубку.
Процесс пайки твердым припоем подходит для случаев, в которых для расходомерной трубки, соединительного кольца и балансира используется один и тот же материал. Эти элементы подвергают механической обработке на станках перед операцией пайки твердым припоем, так что между скрепляемыми поверхностями существует оптимальный промежуток (зазор) около примерно 0,005 см. Этот зазор достаточно мал, чтобы капиллярное притяжение смогло преодолеть силу тяжести и привести к всасыванию жидкого материала твердого припоя в зазор, а не к стеканию его вниз по расходомерной трубке и балансиру. После охлаждения образуется цельная прочная конструкция.
Однако процесс пайки твердым припоем с использованием известной составной конструкции не пригоден для крепления друг к другу материалов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Это является проблемой, так как по эксплуатационным причинам необходимо изготавливать расходомерную трубку из титана. Титан очень дорог, а сварка и изготовление из него деталей трудны. Следовательно, по экономическим причинам предпочтителен балансир из нержавеющей стали. Нержавеющая сталь имеет коэффициент теплового расширения, который примерно вдвое превышает коэффициент теплового расширения титана. Когда эти конструктивные элементы нагревают в печи для пайки твердым припоем, балансир из нержавеющей стали претерпевает вдвое большее расширение, чем расходомерная трубка и соединительные кольца из титана. Это разное расширение при температуре пайки твердым припоем раскрывает зазоры между деталями из титана и нержавеющей стали, так что капиллярное притяжение больше не достаточно для удержания материала твердого припоя в этих зазорах.
Если детали подвергают механической обработке на станках для получения зазора, составляющего 0,005 см при комнатной температуре, при температуре пайки твердым припоем 800°С зазор между расходомерной трубкой из титана и внутренней поверхностью соединительного кольца из титана не претерпевает существенных изменений, и потому обе детали расширяются в одинаковой степени. Вместе с тем, зазор между внешней поверхностью соединительного кольца из титана и внутренней поверхностью балансира из нержавеющей стали увеличивается при температуре пайки твердым припоем. Степень расширения титана составляет около 7,2·10-6 cм/см/°С, тогда как степень расширения нержавеющей стали составляет около 16,2·10-6 cм/см/°С. Таким образом, разница в степени расширения составляет 9·10-6 cм/см/°С. Если цилиндрические поверхности, на которых нужно провести пайку твердым припоем, имеют диаметр 2,54 см и когда конструкцию нагревают до температуры пайки твердым припоем 800°С, внутренняя поверхность балансира расширяется на 0,0177 см больше, чем внешняя поверхность соединительного кольца. Зазор, создаваемый за счет разного расширения, прибавляется к исходному промежутку, составлявшему 0,005 см, общий зазор составляет 0,023 см при температуре пайки твердым припоем. Этот зазор непригоден для успешной операции пайки твердым припоем, поскольку капиллярное притяжение недостаточно сильно, чтобы предотвратить утечку жидкого материала твердого припоя из соединения. Кроме того, если детали не выполнены с исключительной точностью, зазор составит 0,046 см на одной стороне и будет равным нулю на другой, при этом соединительное кольцо сместится к одной стороне в сквозном отверстии балансира. Недостаток концентричности может привести к тому, что твердый припой будет распределен лишь по части окружности поверхности, подлежащей пайке твердым припоем. Результатом будет дефектное паяное твердым припоем соединение между расходомерной трубкой и соединительным кольцом при охлаждении конструкции.
Из уровня техники известно, что предприняты попытки решить задачу пайки твердым припоем расходомерной трубки из титана и балансира не из титана. Эти попытки включают в себя использование резьбовых поверхностей для пайки твердым припоем для соединения элементов друг с другом. Этого недостаточно, так как изготовление резьбы стоит дорого, а материалы расширяются в разной степени, так что витки внешней резьбы на соединительном кольце не плотно соединяются с витками внутренней резьбы на балансире, что это приводит к потере концентричности и возможности лишь частичного покрытия твердым припоем.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание Кориолисова расходомера с использованием надежных и недорогих материалов твердых припоев для обеспечения цельной конструкции, в которой балансиры не из титана были бы надежно припаяны твердым припоем к расходомерным трубкам из титана и соединительным кольцам из титана, при этом расходомерная трубка и соединительные кольца изготовлены из титана, а балансир изготовлен из такого материала, как нержавеющая сталь, или другого материала, имеющего больший коэффициент теплового расширения, либо расходомерная трубка изготовлена из титана, а соединительные кольца и балансир изготовлены из нержавеющей стали, или когда любая из деталей, подлежащих пайке твердым припоем, имеет коэффициент теплового расширения, отличающийся от коэффициента теплового расширения любой другой из этих деталей.
Поставленная задача решается путем создания способа и устройства согласно настоящему изобретению. Настоящее изобретение относится к Кориолисову расходомеру, который имеет такую геометрию, что соединительное кольцо можно недорогим и надежным способом припаять твердым припоем к расходомерной трубке и балансиру, изготовленным из несхожих материалов. В устройстве согласно настоящему изобретению соединительное кольцо из титана припаяно твердым припоем к балансиру, выполненному из материала, имеющего гораздо больший коэффициент расширения, такого, как нержавеющая сталь.
Соединительное кольцо из титана имеет радиальное внутреннее паянное твердым припоем соединение с расходомерной трубкой из титана. Поверхность соединительного кольца в этом соединении в осевом направлении параллельна внешней поверхности расходомерной трубки. Проще говоря, внутренняя поверхность соединительного кольца, припаиваемая твердым припоем, и внешняя поверхность расходомерной трубки, припаиваемая твердым припоем, являются цилиндрическими. Поскольку расходомерная трубка и соединительное кольцо выполнены из титана, они имеют одинаковый коэффициент расширения, так что заполняемый твердым припоем промежуток или зазор между ними не изменяется с изменением температуры. Вместе с тем, балансир из нержавеющей стали имеет гораздо больший коэффициент теплового расширения. Для компенсации разницы в коэффициентах расширения сужающаяся на конус внешняя окружная поверхность соединительного кольца сопрягается с сопрягаемой сужающейся на конус внутренней поверхностью балансира. Конусы обеих деталей имеют одинаковый угол. Обе детали имеют радиус, увеличивающийся с приближением к осевому центру расходомерной трубки.
Узел из этих деталей, подлежащих пайке твердым припоем, можно ориентировать таким образом, что ось расходомерной трубки в печи для пайки твердым припоем окажется вертикальной. Этот узел нагревают во время процесса пайки твердым припоем, при этом балансир из нержавеющей стали расширяется, отходя от соединительных колец из титана. Верхнее соединительное кольцо падает под действием силы тяжести или других сил и перемещается вниз к осевому центру расходомерной трубки. Осевое перемещение кольца относительно балансира приводит к тому, что сужающееся на конус соединительное кольцо глубже садится во внутренний конус балансира. Это перемещение поддерживает очень малый зазор, заполняемый твердым припоем, между внешней поверхностью соединительного кольца и внутренней поверхностью балансира и тем самым поддерживает капиллярную силу достаточно большой для поддержания жидкого материала твердого припоя в паянном твердым припоем соединении. Осевое перемещение также поддерживает соединительное кольцо концентрично с балансиром.
Нижнее соединительное кольцо вертикального узла также имеет внешний конус, который выполнен с возможностью перемещения в нижний конус балансира аналогичным образом. Узел, подлежащий пайке твердым припоем, может опираться в печи на нижнее соединительное кольцо. Это заставляет массу балансира и верхнего соединительного кольца проталкивать нижнее соединительное кольцо глубже в нижний конус балансира, когда балансир расширяется.
В первом варианте осуществления конструкция конуса ограничивает расстояние, на которое сужающиеся на конус соединительные кольца могут входить вдоль оси в балансир при нагревании узла. Меньший угол конуса приводит к продвижению соединительного кольца дальше в осевом направлении для минимизации зазора. Это расстояние является важным, так как оно определяет фактическую длину расходомерной трубки, а значит, частоту, равновесное состояние и чувствительность измерительного прибора. В этом варианте осуществления требуется прецизионная механическая обработка сопрягаемых конусов на станках. Углы конуса поддерживаются малыми, потому что соединительное кольцо имеет малую радиальную толщину по сравнению с его длиной. Малый угол конуса означает, что малые изменения диаметра конуса (вследствие допусков механической обработки на станках) приводят к большим изменениям осевого положения соединительного кольца.
В соответствии со вторым вариантом осуществления балансир и соединительные кольца имеют сужающиеся на конус, паянные твердым припоем поверхности, как в первом варианте осуществления. Во втором варианте осуществления каждая внутренняя паянная твердым припоем поверхность балансира имеет на своем осевом внутреннем конце ступеньку, изготовленную механической обработкой на станке. Эти ступеньки ограничивают осевое перемещение соединительных колец внутрь балансира при температурах пайки твердым припоем и обеспечивают точное получение нужной длины активной части расходомерной трубки. Как и в первом варианте осуществления, балансир больше расширяется при нагреве, чем соединительные кольца. Поэтому соединительные кольца перемещаются во внутренние конусы балансира. Эти кольца предназначены для упирания в ступеньки балансира перед тем, как узел достигнет максимальной температуры пайки твердым припоем. Во время продолжающегося нагрева до температуры пайки зазор между конусами раскрывается на оптимальную для пайки твердым припоем величину, составляющую 0,002 дюйма. Ступеньки гарантируют, что активная длина трубки выдерживается точно, потому что она не зависит от допусков механической обработки конусов на станках. Этот вариант также позволяет получить предварительно определенный зазор, заполняемый твердым припоем.
Охлаждение паянного твердым припоем узла в обоих вариантах осуществления приводит к тому, что балансир пытается сжаться больше, чем расходомерная трубка из титана и соединительное кольцо из титана. Большему радиальному сжатию балансира противодействуют соединительные кольца, которые переместились в конусы балансира и припаяны к ним. Это сжатие приводит к сжатию паянных твердым припоем соединений между балансиром и соединительными кольцами. Сжатие соединительного кольца балансиром также вызывает перевод паянных твердым припоем соединений между соединительными кольцами и расходомерной трубкой в сжатое состояние. Сжатие позволяет получить более прочные паянные твердым припоем соединения между балансиром, соединительными кольцами и расходомерной трубкой.
В соответствии с еще одним альтернативным вариантом осуществления изобретения предложена конфигурация, которая может компенсировать разницу в тепловом расширении между соединительным кольцом и балансиром, а также разницу в тепловом расширении между соединительным кольцом и расходомерной трубкой. Эту конфигурацию используют, когда соединительные кольца изготовлены из третьего материала, который имеет коэффициент расширения, величина которого находится между величинами коэффициентов расширения материалов расходомерной трубки и балансира. Использование соединительного кольца из такого материала имеет преимущества уравнивания тепловых механических напряжений в различных элементах и соответствующего уменьшения пикового теплового механического напряжения при охлаждении паянных твердым припоем элементов.
В этом третьем варианте используется дополнительное кольцо из титана, называемое кольцом трубки, которое окружает расходомерную трубку из титана и припаяно к ней твердым припоем. Это кольцо трубки имеет внешний диаметр конуса, который согласован с внутренним диаметром конуса соединительного кольца. Соединительное кольцо также имеет внешний диаметр конуса, который соответствует внутреннему диаметру конуса балансира, как и в предыдущих вариантах осуществления.
Конусы внутри и снаружи соединительного кольца имеют различные коэффициенты теплового расширения. Взаимосвязь между конусами необходима, потому что соединительные кольца могут двигаться только в осевом направлении на одно и то же расстояние как для внутренних, так и для внешних конусов. Если разность коэффициентов теплового расширения между соединительным кольцом и трубкой равна разности коэффициентов теплового расширения между соединительным кольцом и балансиром, то углы внутреннего и внешнего конусов могут быть равными. Если разность коэффициентов теплового расширения между балансиром и соединительным кольцом больше, чем разность упомянутых коэффициентов между соединительным кольцом и расходомерной трубкой, угол внешнего конуса соединительного кольца будет больше, чем угол внутреннего конуса соединительного кольца. Углы внутреннего и внешнего конусов соединительного кольца назначают так, чтобы при температуре пайки твердым припоем оба зазора, заполняемых твердым припоем, имели оптимальный размер. В этом варианте осуществления также предусмотрены ступени на внутренних концах конуса балансира для лучшего регулирования активной длины трубки и зазоров, заполняемых твердым припоем.
В соответствии с настоящим изобретением узел, содержащий расходомерную трубку, соединительные кольца, окружающие расходомерную трубку, и окружающий балансир, ориентирован вертикально и спаян твердым припоем в соответствии с настоящим изобретением путем вставления одного конца вертикально ориентированной расходомерной трубки вместе с сужающимися на конус соединительными кольцами и балансиром в опорное основание. Это основание служит опорой для узла, обеспечиваемой с помощью нижнего соединительного кольца. На верхнем соединительном кольце расположена гиря, имеющая центральное отверстие, предназначенное для прохождения верхнего конца расходомерной трубки. Всю конструкцию, включая опору в виде основания, узел расходомера и верхнюю гирю, размещают в печи для пайки материалом твердого припоя, наносимым на места соединений, которые надлежит спаять твердым припоем. Весь узел нагревают до температуры пайки твердым припоем, при которой балансир из нержавеющей стали расширяется значительно больше, чем соединительное кольцо и расходомерная трубка. Это расширение позволяет гире, находящейся на верхнем конце узла, впрессовать сужающиеся на конус соединительные кольца в балансир на требуемое расстояние. Материал твердого припоя затекает на поверхности, которые нужно соединить. После охлаждения поверхности, содержащие место соприкосновения внутренней поверхности балансира и внешней поверхности соединительного кольца, а также поверхности, содержащие место соприкосновения внутренней поверхности соединительного кольца и внешней поверхности расходомерной трубки (и/или кольца трубки), оказываются скрепленными. Кроме того, поверхности, спаянные твердым припоем, удерживаются рядом друг с другом с помощью балансира, более высокий коэффициент теплового расширения которого способствует радиальному сжатию соединительного кольца и расходомерной трубки, изготовленных из титана. Соединительное кольцо и расходомерная трубка создают силы, которые противодействуют силе сжатия, создаваемой нержавеющей сталью.
В одном аспекте изобретения предложен Кориолисов расходомер, содержащий
расходомерную трубку,
средство в виде соединительных колец, имеющее центральное отверстие, через которое проходит расходомерная трубка,
полый балансир, соосный с расходомерной трубкой и окружающий осевую часть расходомерной трубки,
осевые концевые части балансира, соосные по меньшей мере с частью средства в виде соединительных колец и окружающие эту часть,
внутреннюю окружную поверхность средства в виде соединительных колец, соединенную с внешней окружной поверхностью расходомерной трубки,
характеризующийся тем, что полый балансир имеет больший коэффициент теплового расширения, чем у расходомерной трубки и средства в виде соединительных колец,
внешняя окружная поверхность средства в виде соединительных колец сужается на конус с уменьшающимся радиусом в первом направлении относительно осевого центра расходомерной трубки,
внутренняя окружная поверхность концевых частей балансира имеет конус, который сопрягается с конусом средства в виде соединительных колец,
сужающаяся на конус внутренняя окружная поверхность концевых частей балансира прикреплена материалом твердого припоя к сужающейся на конус внешней окружной поверхности средства в виде соединительных колец,
при этом больший коэффициент теплового расширения балансира вызывает создание сжимающей силы, воздействующей на средство в виде соединительных колец и расходомерную трубку.
Предпочтительно средство в виде соединительных колец содержит первое соединительное кольцо и второе соединительное кольцо, при этом сужающаяся на конус внешняя окружная поверхность первого соединительного кольца припаяна твердым припоем к сужающейся на конус внутренней окружной поверхности первой концевой части балансира, а сужающаяся на конус внешняя окружная поверхность второго соединительного кольца припаяна твердым припоем к сужающейся на конус внутренней окружной поверхности второй концевой части балансира.
В одном варианте выполнения первое направление предпочтительно ограничивает конус, который имеет радиус, уменьшающийся с приближением к осевому центру расходомерной трубки.
В другом варианте выполнения первое направление предпочтительно ограничивает конус, который имеет радиус, увеличивающийся с приближением к осевому центру расходомерной трубки.
Балансир предпочтительно содержит первый и второй сегменты, имеющие осевые концевые части, соединенные друг с другом пружинным средством для компенсации различного коэффициента теплового расширения у расходомерной трубки и балансира.
Балансир предпочтительно содержит цельный удлиненный элемент.
Внешняя окружная поверхность расходомерной трубки прикреплена с помощью материала твердого припоя к внутренним поверхностям первого и второго соединительных колец.
Балансир предпочтительно имеет коэффициент теплового расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения первого и второго соединительных колец, и при этом первое и второе соединительные кольца имеют коэффициент расширения, который равен коэффициенту расширения расходомерной трубки.
Внутренняя сужающаяся на конус окружная поверхность балансира предпочтительно имеет ступеньку, которая контактирует с осевым внутренним концом первого и второго соединительных колец, ограничивая расстояние, на которое первое и второе соединительные кольца могут быть вставлены в осевом направлении в балансир.
Предпочтительно имеются первое и второе круглые кольца трубки, соосные с расходомерной трубкой и окружающие ее, при этом внешняя окружная поверхность расходомерной трубки прикреплена материалом твердого припоя к внутренним окружным поверхностям первого и второго круглых колец трубки, внешняя окружная поверхность каждого из первого и второго круглых колец трубки сужается на конус с радиусом, увеличивающимся в осевом направлении с приближением к осевому центру расходомерной трубки, внутренняя окружная поверхность каждого из первого и второго соединительных колец имеет конус, который сопрягается с конусом первого и второго круглых колец трубки, и имеет диаметр, который увеличивается в радиальном направлении с приближением к осевому центру балансира, и внутренняя окружная поверхность каждого из первого и второго соединительных колец прикреплена материалом твердого припоя к внешней окружной поверхности первого и второго круглых колец трубки.
Внутренняя окружная поверхность балансира предпочтительно имеет ступеньку, которая контактирует с осевым внутренним концом средства первого и второго соединительных колец, ограничивая расстояние, на которое первое и второе соединительные кольца могут быть вставлены в осевом направлении в балансир.
Балансир предпочтительно имеет коэффициент теплового расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения первого и второго соединительных колец, и при этом первое и второе соединительные кольца имеют коэффициент расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения первого и второго круглых колец трубки и коэффициент теплового расширения расходомерной трубки.
В другом аспекте изобретения предложен способ сборки Кориолисова расходомера, содержащего расходомерную трубку, средство в виде соединительных колец и полый балансир, выполненный из материалов, коэффициенты теплового расширения которых больше, чем у расходомерной трубки и средства в виде соединительных колец, при этом способ заключается в том, что
пропускают расходомерную трубку через центральное отверстие в полом балансире,
располагают средство в виде соединительных колец таким образом, что осевые концевые части балансира оказываются соосными по меньшей мере с частью средства в виде соединительных колец и окружают эту часть,
располагают расходомерную трубку таким образом, что она проходит через центральное отверстие средства в виде соединительных колец и соосна с балансиром,
наносят материал твердого припоя на соединения между расходомерной трубкой, средством в виде соединительных колец и расходомерной трубкой,
нагревают расходомерную трубку, средство в виде соединительных колец, балансир и материал твердого припоя до температуры пайки твердым припоем,
характеризующийся тем, что
внешняя окружная поверхность средства в виде соединительных колец сужается на конус с уменьшающимся радиусом в первом направлении относительно осевого центра расходомерной трубки,
внутренняя окружная поверхность концевых частей балансира имеет конус, который сопрягается с конусом средства в виде соединительных колец,
при этом перемещают соединительные кольца в осевом направлении относительно расходомерной трубки и балансира таким образом, что сужающиеся на конус поверхности балансира поддерживают требуемый промежуток между средством в виде соединительных колец и балансиром,
припаивают твердым припоем сужающуюся на конус внутреннюю окружную поверхность концевых частей балансира к сужающейся на конус внешней окружной поверхности средства в виде соединительных колец,
охлаждают расходомерную трубку и средство в виде соединительных колец, а также балансир и материал твердого припоя после пайки, так что больший коэффициент теплового расширения балансира вызывает приложение сжимающей силы к средству в виде соединительных колец и расходомерной трубки.
Средство в виде соединительных колец предпочтительно содержит первое соединительное кольцо и второе соединительное кольцо.
Этап пайки твердым припоем предпочтительно включает в себя этапы, на которых припаивают твердым припоем сужающуюся на конус внутреннюю окружную поверхность первой и второй концевых частей балансира к сужающимся на конус внешним окружным поверхностям первого и второго соединительных колец.
Первое направление предпочтительно ограничивает конус, который имеет радиус, уменьшающийся с приближением к центру расходомерной трубки.
Этап пайки твердым припоем предпочтительно включает в себя этапы, на которых
спаивают твердым припоем сужающиеся на конус внутренние окружные поверхности первой и второй концевых частей балансира с сужающимися на конус внешними окружными поверхностями первого и второго соединительных колец,
перемещают в осевом направлении первое и второе соединительные кольца, приближая их к осевому центру балансира в течение этапа пайки твердым припоем,
затем охлаждают спаянные поверхности, так что больший коэффициент теплового расширения балансира вызывает создание радиально сжимающей силы, воздействующей на средство в виде соединительных колец и расходомерную трубку.
Предпочтительно предусматривается этап, на котором припаивают твердым припоем внешнюю окружную поверхность расходомерной трубки к внутренним окружным поверхностям первого и второго соединительных колец.
Балансир предпочтительно имеет коэффициент теплового расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения первого и второго соединительных колец, и при этом первое и второе соединительные кольца имеют коэффициент расширения, который равен коэффициенту расширения расходомерной трубки, а этап пайки твердым припоем включает этапы, на которых припаивают твердым припоем внешнюю окружную поверхность расходомерной трубки к внутренней окружной поверхности первого и второго соединительных колец и перемещают в осевом направлении первое и второе соединительные кольца к осевому центру балансира в течение этапа пайки.
Предпочтительно предусмотрен этап, на котором формируют на внутренней сужающейся на конус окружной поверхности балансира ступеньку, которая контактирует с осевыми внутренними концами первого и второго соединительных колец, ограничивая расстояние, на которое первое и второе соединительные кольца вставляются в осевом направлении в балансир.
В предпочтительном варианте посредством первого и второго круглых колец трубки соединяют расходомерную трубку с первым и вторым соединительными кольцами, а способ дополнительно включает этап, на котором припаивают твердым припоем внешнюю окружную поверхность расходомерной трубки к внутренней окружной поверхности каждого из первого и второго круглых колец трубки, при этом внешняя окружная поверхность первого и второго соединительных колец сужается на конус, имея увеличивающийся в осевом направлении радиус по мере приближения к осевому центру расходомерной трубки, а внутренняя окружная поверхность первого и второго соединительных колец имеет конус, который сопрягается с конусом первого и второго круглых колец трубки, и радиус, который увеличивается по мере приближения к осевой средней части балансира, припаивают твердым припоем сужающуюся на конус внутреннюю окружную поверхность первого и второго соединительных колец к сужающейся на конус внешней окружной поверхности первого и второго круглых колец трубки.
Этап пайки твердым припоем предпочтительно включает в себя этап, на котором перемещают в осевом направлении первое и второе соединительные кольца к осевому центру балансира в течение этапа пайки.
Предпочтительно предусмотрен этап, на котором формируют на внутренней сужающейся на конус окружной поверхности балансира ступеньку, которая контактирует с осевым внутренним концом первого и второго соединительных колец, ограничивая расстояние, на которое первое и второе соединительные кольца вставляются в осевом направлении в балансир в течение этапа пайки твердым припоем.
В предпочтительном варианте балансир имеет коэффициент теплового расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения первого и второго соединительных колец, и при этом первое и второе соединительные кольца имеют коэффициент теплового расширения, который больше коэффициента теплового расширения первого и второго круглых колец трубки и коэффициента теплового расширения расходомерной трубки, при этом дополнительно перемещают в осевом направлении первое и второе соединительные кольца к осевому центру балансира в течение этапа пайки твердым припоем.
В предпочтительном варианте первое и второе соединительные кольца и первое и второе кольца трубки и балансир имеют разные коэффициенты теплового расширения, а способ дополнительно включает в себя этап, на котором перемещают в осевом направлении первое и второе соединительные кольца к осевому центру балансира в течение этапа пайки твердым припоем.
В предпочтительном варианте ориентируют расходомерную трубку и балансир таким образом, что первый конец расходомерной трубки проходит в выемку основания,
размещают первое и второе соединительные кольца концентрично с расходомерной трубкой, а в осевом направлении – частично в пределах между первым и вторым концами балансира, так что внешние концы соединительных колец выходят в осевом направлении за пределы концов балансира,
размещают материал твердого припоя в непосредственной близости к оконечностям осевых концов мест соприкосновения поверхностей, общих для балансира и первого и второго соединительных колец, и мест соприкосновения поверхностей, общих для соединительных колец и расходомерной трубки,
размещают гирю, имеющую центральную выемку, на втором конце расходомерной трубки таким образом, что гиря вызывает приложение усилия к соединительным кольцам, вводя их в осевом направлении в контакт с балансиром, вследствие чего внешние концы соединительного кольца выходят в осевом направлении за пределы концов балансира,
нагревают балансир, соединительные кольца и расходомерную трубку до температуры пайки твердым припоем,
при этом происходит расширение балансира в радиальном направлении, обеспечивая осевое перемещение соединительных колец внутрь и внутри балансира,
охлаждают спаянные твердым припоем поверхности таким образом, что больший коэффициент теплового расширения балансира вызывает создание радиально сжимающей силы, воздействующей на первое и второе соединительные кольца и расходомерную трубку.
Балансир предпочтительно содержит первый и второй сегменты, разделенные в осевом направлении, а способ дополнительно включает в себя этапы, на которых подсоединяют пружинные средства между осевыми внутренними концами каждого из сегментов балансира для компенсации разных коэффициентов теплового расширения расходомерной трубки и сегментов балансира.
Первое направление предпочтительно ограничивает конус, который имеет радиус, увеличивающийся с приближением к центру расходомерной трубки.
Этап пайки твердым припоем предпочтительно включает в себя этапы, на которых
спаивают твердым припоем сужающиеся на конус внутренние окружные поверхности первой и второй концевых частей балансира с сужающимися на конус внешними окружными поверхностями первого и второго соединительных колец,
перемещают в осевом направлении первую и вторую концевые части балансира к осевому центру балансира во время этапа пайки твердым припоем,
охлаждают спаянные твердым припоем поверхности таким образом, что больший коэффициент теплового расширения балансира вызывает создание радиально сжимающей силы, воздействующей на первое и второе соединительные кольца и расходомерную трубку.
В предпочтительном варианте балансир имеет коэффициент теплового расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения первого и второго соединительных колец, и при этом первое и второе соединительные кольца имеют коэффициент теплового расширения, который больше коэффициента теплового расширения расходомерной трубки,
при этом перемещают в осевом направлении первое и второе соединительные кольца к осевому центру балансира в течение этапа пайки твердым припоем.
Балансир предпочтительно содержит пару сегментов, разделенных в осевом направлении, а способ дополнительно включает в себя этапы, на которых
пропускают первый конец расходомерной трубки через центральное отверстие первого соединительного кольца,
пропускают второй конец расходомерной трубки через центральное отверстие второго соединительного кольца,
прикрепляют первое и второе соединительные кольца к расходомерной трубке,
пропускают первый конец расходомерной трубки и первое соединительное кольцо через первый сегмент балансира,
пропускают второй конец расходомерной трубки и второе соединительное кольцо через второй сегмент балансира,
располагают материал твердого припоя в непосредственной близости к осевым оконечностям первого и второго соединительных колец, а также в непосредственной близости к расходомерной трубке и сегментам балансира,
прикладывают к сегментам балансира силу, принудительно перемещая их к осевому центру расходомерной трубки и балансира,
нагревают сегменты балансира и соединительные кольца и расходомерную трубку до температур пайки твердым припоем,
при этой температуре происходит расширение балансира в радиальном направлении, обеспечивая осевое перемещение сегментов балансира внутрь к осевому центру расходомерной трубки и балансира, и охлаждают спаянные твердым припоем поверхности таким образом, что больший коэффициент теплового расширения сегментов балансира вызывает создание радиально сжимающей силы, воздействующей на первое и второе соединительные кольца и расходомерную трубку.
В предпочтительном варианте пропускают расходомерную трубку через центральное отверстие в полом балансире,
располагают средство в виде соединительных колец таким образом, что осевые концевые части балансира оказываются соосными по меньшей мере с частью средства в виде соединительных колец и окружают эту часть,
располагают расходомерную трубку таким образом, что она проходит через центральное отверстие средства соединительных колец и соосна с балансиром,
соединяют осевую внутреннюю окружную поверхность средства в виде соединительных колец с расходомерной трубкой,
при этом внешняя окружная поверхность средства в виде соединительных колец сужается на конус с уменьшающимся радиусом в первом направлении относительно осевого центра расходомерной трубки, а внутренние окружные поверхности концевых частей балансира имеют конус, который сопрягается с конусом средства в виде соединительных колец, и
припаивают твердым припоем сужающуюся на конус внутреннюю окружную поверхность концевых частей балансира к сужающейся на конус внешней окружной поверхности средства в виде соединительных колец.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает поперечное сечение известного Кориолисова расходомера с одной трубкой;
фиг.2 – разрез по линии II-II на фиг.1, вид с торца известного Кориолисова расходомера;
фиг.3 и 4 - поперечные сечения расходомерной трубки, соединительного кольца и балансира известного Кориолисова расходомера;
фиг.5, 6 и 7 - поперечные сечения балансира, соединительного кольца и расходомерной трубки в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
фиг.8 и 9 - поперечные сечения расходомерной трубки, соединительного кольца и балансира в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
фиг.10 и 11 - поперечные сечения расходомерной трубки, соединительного кольца и балансира в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;
фиг.12 - частично собранный расходомер (продольный разрез) перед установкой в печь для пайки твердым припоем согласно изобретению;
фиг.13 - расходомер, изображенный на фиг.12, после частичной сборки согласно изобретению;
фиг.14, 15 и 16 - альтернативные варианты осуществления расходомера согласно изобретению;
фиг.17 - Кориолисов расходомер (продольный разрез), который содержит элементы, показанные на фиг.5–9 согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Известный расходомер 100 (фиг.1) содержит корпус 106, в котором размещены балансир 102 и расходомерная трубка 101. Концы расходомерной трубки 101 выступают за пределы концов 107 и 108 корпуса, доходя до фланцев (не показаны), которые обеспечивают подсоединение расходомера 100 к трубопроводу, расход протекающего материала в котором подлежит измерению. С расходомером 101 проводами 122, 123 и 124 соединен измерительный электронный элемент 125, предназначенный для управления работой расходомера и приема выходных сигналов из левого и правого тензодатчиков (датчиков скорости), ЛТзД и ПТзД. Измерительный электронный элемент обрабатывает получаемую информацию и передает выдаваемую информацию, отображающую течение материала, по проводу 126 в схему для использования (не показана). Измерительный электронный элемент подает сигналы по шине 123 в возбудитель В, который вызывает колебания расходомерной трубки 101 и расходомера 102 в противофазе. Колебания расходомерной трубки 101 вместе с находящимся в ней материалом индуцируют Кориолисову реакцию в расходомерной трубке. Амплитуда Кориолисовой реакции является показателем течения материала и обнаруживается тензодатчиками ЛТзД и ПТзД. Тензодатчики ЛТзД и ПТзД передают выходные сигналы по шинам 122–124 в измерительный электронный элемент 125, который определяет разность фаз между выходными сигналами двух тензодатчиков. Эта разность фаз пропорциональна расходу.
На фиг.2 изображен вид с торца известного расходомера 100 в поперечном сечении, разрез по линии II-II на фиг.1. Корпус 106 окружает полый балансир 102, который, в свою очередь, окружает расходомерную трубку 101. Соединительное кольцо 103 является круглым элементом, который имеет центр и через который проходит расходомерная трубка 101. Внешняя окружная поверхность соединительного кольца 103 соединена с внутренней частью балансира 102. Соединительное кольцо 104 аналогично соединительному кольцу 103.
На фиг.3 и 4 представлены дополнительные элементы, относящиеся к операции пайки твердым припоем, обеспечивающей соединение между балансиром 102, соединительным кольцом 103 и расходомерной трубкой 101. На фиг.3 показан зазор 301 между соединительным кольцом 103 и балансиром 102, а также зазор 302 между соединительным кольцом 103 и расходомерной трубкой 101. Зазоры составляют около 0,005 см и необходимы по нескольким причинам. Допуски оборудования, используемого для изготовления этих элементов, требуют наличия зазора для облегчения сборки. Зазоры также используются в процессе пайки твердым припоем для просачивания жидкого материала твердого припоя к местам соединений. Зазоры увеличены для ясности. В действительности они едва различимы для человеческого глаза.
Зазоры, изображенные на фиг.3, могут быть реализованы в Кориолисовом расходомере, в котором балансир 102, соединительное кольцо 103 и расходомерная трубка 101 изготовлены из одинаковых материалов. Когда измерительный прибор нагревают до температуры пайки твердым припоем, размер зазоров сохраняется, потому что все элементы имеют один и тот же коэффициент теплового расширения и расширяются в одинаковой степени. Зазоры 301 и 302 по-прежнему составляют по 0,005 см при температуре любого нормального состояния, в котором может оказаться расходомер, включая состояние пайки твердым припоем.
Этот зазор соответствует требованиям, предъявляемым к процессу пайки твердым припоем. Пайка твердым припоем расходомера, элементы которого изготовлены из одинаковых материалов, не должна вызывать затруднений.
На фиг.4 показаны зазоры, которые существуют при температуре пайки твердым припоем для Кориолисова расходомера, имеющего балансир, коэффициент расширения которого больше, чем коэффициент расширения других элементов. Измерительный прибор (на фиг.4) имеет зазоры, составляющие 0,005 см при комнатной температуре. Предполагается, что в этом расходомере расходомерная трубка 101 и соединительное кольцо 103 изготовлены из титана, который имеет малый тепловой коэффициент расширения. Балансир 102 изготовлен из такого материала, как нержавеющая сталь, имеющая значительно больший коэффициент теплового расширения. Зазор 303 (фиг.4) остается при номинальной ширине, составляющей 0,005 см, поскольку предполагается, что расходомерная трубка 101 и соединительное кольцо 103 изготовлены из титана, так что степень их расширения в радиальном направлении одна и та же. Вместе с тем, балансир 102 из нержавеющей стали расширяется в радиальном направлении значительно больше, чем расходомерная трубка 101 и соединительное кольцо 103, выполненные из титана. Это вызывает увеличение зазора 301 ввиду большего теплового расширения балансира 102. Зазор, составляющий 0,023 см, непригоден для пайки твердым припоем, поскольку капиллярное притяжение в таком большом зазоре не достаточно велико для всасывания материала твердого припоя в зазор 301 и удержания в нем материала. Это оставляет неприпаянными части поверхностей и приводит к дефектному паянному твердым припоем соединению.
На фиг.5 и 6 изображена конструкция Кориолисова расходомера, являющаяся реализацией первого варианта осуществления изобретения. Эта конструкция обеспечивает возможность припаивания сужающегося на конус соединительного кольца 503 из титана к расходомерной трубке 101 из титана и к балансиру 502, выполненному из такого материала, как нержавеющая сталь, имеющая значительно больший коэффициент теплового расширения. Расходомерная трубка 101 и соединительное кольцо 503 выполнены из титана или другого материала, имеющего малый коэффициент теплового расширения. Балансир 502 предпочтительно выполнен из нержавеющей стали или другого материала, имеющего относительно большой коэффициент теплового расширения. Поверхность 505 балансира 502 сужается на конус и представляет собой один элемент места 510 соприкосновения между внутренней поверхностью балансира 502 и внешней поверхностью соединительного кольца 503. Во всем остальном балансир 502 аналогичен балансиру 102 (на фиг.3 и 4). Соединительное кольцо 503 из титана имеет внешнюю окружную поверхность 512, которая сужается на конус в направлении внутрь для обеспечения соответствия с конусом на внутренней поверхности 505 верхней части балансира 502. Балансир 502 может быть единой цельной конструкцией (на фиг.17) или в альтернативном варианте может быть частью балансира, имеющего множество сегментов, разделенных пружинной конструкцией, сравнимой с элементом 1240 Кориолисова расходомера (на фиг.12 и 13).
На фиг.5 представлены элементы при комнатной температуре. Соединительное кольцо 503 вставлено вниз между расходомерной трубкой 101 и балансиром 502. Сужающаяся на конус поверхность 512 соединительного кольца 503 позволяет вставлять это соединительное кольцо вниз до тех пор, пока его нижняя поверхность 504 не окажется в положении, в котором поверхность 512 соединительного кольца 503 мгновенно входит в контакт с сужающейся на конус внутренней поверхностью 505 балансира 502. Перед нагревом концевая поверхность 507 соединительного кольца 503 располагается выше концевой поверхности 509 балансира 502. Кроме того, нижняя концевая поверхность 504 соединительного кольца 503 отстоит от места 508, представляющего собой положение, в которое поверхность 504 соединительного кольца 503 должна переместиться при температуре пайки твердым припоем, чтобы покрываемая твердым припоем внешняя поверхность 512 соединительного кольца оказалась полностью в контакте с покрываемой твердым припоем внутренней поверхностью 505 балансира. Позиция 510 обозначает место соприкосновения внешней поверхности 512 соединительного кольца 503 и сужающейся на конус внутренней поверхности 505 конца балансира 502. Промежуток между расходомерной трубкой 101 и соединительным кольцом 503 составляет около 0,005 см (показано в увеличенном масштабе) посредством зазора 301. Зазор между соединительным кольцом 503 и балансиром 502 очень мал, потому что балансир 502 поддерживает соединительное кольцо 503 расположенным вдоль этой поверхности. Материал твердого припоя легко всасывается в этот очень малый зазор, потому что с уменьшением этого зазора капиллярная сила увеличивается. Следует отметить, что составляющий 0,005 см промежуток между внутренней поверхностью соединительного кольца и внешней поверхностью расходомерной трубки не виден человеческим глазом. Вместе с тем, этот зазор обеспечивает возможность плавления материала 506 твердого припоя и его течения во время процесса пайки твердым припоем с прикреплением внутренней поверхности соединительного кольца 503 к внешней поверхности 501 расходомерной трубки 101.
На фиг.6 показаны элементы, когда они подвергаются пайке твердым припоем, при которой температура повышается до 800°С. По мере роста температуры балансир 502 из нержавеющей стали расширяется в радиальном направлении значительно больше, чем расширяются соединительное кольцо 503 и расходомерная трубка 101, выполненные из титана. При этом расширении происходит отдаление балансира 502 в радиальном направлении от соединительного кольца 503 и расходомерной трубки 101. Поскольку балансир 502 расширяется в радиальном направлении, сужающееся на конус соединительное кольцо 503 перемещается вниз (фиг.6) для поддержания контакта. Это перемещение вниз продолжается до тех пор, пока кольцо 503 не займет положение (фиг.6), и узел достигает требуемой температуры пайки твердым припоем. При температуре пайки твердым припоем зазор на поверхности 501 представляет собой поддерживаемый радиальный промежуток 0,005 см, а зазор на поверхности 502 остается очень малым, потому что балансир по-прежнему служит опорой соединительному кольцу. Материал 506 твердого припоя плавится при температуре пайки твердым припоем и всасывается в зазоры в местах 501 и 510 соприкосновения. Ввиду очень сильного капиллярного притяжения материал твердого припоя просачивается в очень малый зазор в месте 510 соприкосновения. Затем расходомер охлаждают и извлекают из печи для пайки твердым припоем. Соединительное кольцо 503 теперь прикреплено посредством материала твердого припоя к расходомерной трубке 101 и балансиру 502.
На фиг.7 в увеличенном масштабе представлено расширенное состояние элементов расходомера после процесса пайки твердым припоем и охлаждения. Охлаждение элементов после пайки твердым припоем вызывает приложение большой радиальной силы со стороны балансира 502 к соединительному кольцу 503 и расходомерной трубке 101, поскольку балансир из нержавеющей стали пытается сжаться сильнее, чем расходомерная трубка и соединительное кольцо из титана. Эта сила несколько деформирует расходомерную трубку 101 в направлении внутрь вдоль пунктирных линий 703 и отклоняет концевые сужающиеся на конус части балансира 502 наружу (показано пунктирными линиям 702 и 704). Деформации представлены в увеличенном масштабе. В действительности они незначительны и не оказывают негативное воздействие на точность работы или надежность расходомера.
На фиг.8 и 9 представлены сечения балансира 802, расходомерной трубки 101 и соединительного кольца 803, находящегося между балансиром и расходомерной трубкой. Конструкция, показанная на фиг.8, аналогична конструкции, показанной на фиг.5–7, но добавлен элемент 808 ступеньки к внутренней поверхности балансира 802.
На фиг.8 элементы показаны при комнатной температуре перед пайкой твердым припоем. На фиг.9 показаны элементы во время операции пайки твердым припоем при высокой температуре и при последующем охлаждении. Расходомерная трубка 101 и соединительное кольцо 803 выполнены из титана и имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. Балансир 802 выполнен из металла, имеющего больший коэффициент линейного расширения, например, из нержавеющей стали. Соединительное кольцо 803 и балансир 802 имеют конусы, сопрягающиеся вдоль места их соприкосновения на поверхности 805. Поверхность 801 - участок соприкосновения между соединительным кольцом и расходомерной трубкой.
На фиг.8 показаны элементы при комнатной температуре перед пайкой твердым припоем. Сужающееся на конус соединительное кольцо 803 проходит вниз, только до положения, в котором верхняя поверхность 807 соединительного кольца расположена выше концевой поверхности 809 балансира. Нижняя поверхность 804 соединительного кольца также расположена выше ступеньки 808, которая выполнена на внутренней поверхности балансира 802 посредством механической обработки на станке. Ступенька 808 определяет предел, до которого соединительное кольцо 803 может перемещаться вниз из своего положения, показанного на фиг.8. Участок 801 соприкосновения ограничивает зазор, имеющий радиальную ширину около 0,005 см. Зазор на участке 805 соприкосновения между соединительным кольцом 803 и балансиром 802 очень мал, потому что балансир 802 поддерживает соединительное кольцо 803. Элемент 815 представляет собой сужающуюся на конус внешнюю окружную поверхность соединительного кольца 803. Элемент 816 представляет собой сужающуюся на конус внутреннюю окружную поверхность концевой части балансира 802.
На фиг.9 показаны элементы во время операции пайки твердым припоем при высокой температуре. Нагревание элементов вызывает большее расширение в направлении наружу у балансира 802 из нержавеющей стали, чем у соединительного кольца 803 из титана и расходомерной трубки 101 из титана. Расширение балансира 802 из нержавеющей стали позволяет сужающемуся на конус соединительному кольцу 803 перемещаться вниз до тех пор, пока его нижняя поверхность 804 не вступает в контакт со ступенькой 808. После того, как ступенька 808 прекращает движение соединительного кольца вниз, балансир продолжает расширяться при увеличении температуры до тех пор, пока при пиковой температуре пайки твердым припоем не будет создан зазор оптимальной ширины, составляющей 0,005 см. Материал 806 твердого припоя плавится при температуре пайки твердым припоем и всасывается вниз, полностью заполняя участок соприкосновения балансира 802 и поверхности 801. После пайки твердым припоем конструкцию охлаждают до комнатной температуры. Элементы Кориолисова расходомера (на фиг.9) подвергаются воздействию тех же механических напряжений, которые показаны для элементов расходомера, изображенных на фиг.7, и имеют те же отклонения 702 и 704, вызываемые механическими напряжениями. Механические напряжения не показаны на отдельном чертеже, поскольку они в каждом случае сравнимы с теми, которые показаны на фиг.7. Частично собранный Кориолисов расходомер, который содержит элементы, изображенные на фиг.8 и 9, показан на фиг.17. На внутренней поверхности балансира отсутствует элемент 808 ступеньки. При желании балансир можно модифицировать, чтобы он включал в себя элемент 808 ступеньки на внутренней поверхности.
Сужающееся на конус соединительное кольцо 1003 (фиг.10, 11) может быть изготовлено из материала, имеющего коэффициент расширения, который находится между малым коэффициентом расширения расходомерной трубки 101 из титана и большим коэффициентом расширения балансира 1502 из нержавеющей стали. Таким материалом может быть малоуглеродистая сталь, хастеллой (хастеллой – это материал, относящийся к жаропрочным сплавам на никелевой основе (54,5-66,5% Ni, 15-30% Mo, 0,04-0,15% C, 4-22% Fe; возможна добавка до 16% Cr и до 5,5 W) или аустенитная нержавеющая сталь марки 430. Использование соединительного кольца, имеющего некоторый промежуточный коэффициент расширения, выгодно потому, что снижается разность коэффициентов теплового расширения в каждом паянном твердым припоем соединении. Это приводит к меньшему остаточному механическому напряжению в узле после пайки.
В указанном варианте предусмотрены соединительные кольца, имеющие промежуточный коэффициент теплового расширения. В третьем варианте осуществления расходомер содержит расходомерную трубку 101, дополнительный элемент, называемый кольцом 1007 трубки и окружающий расходомерную трубку, сужающееся на конус соединительное кольцо 1003 и балансир 1002. Расходомерная трубка 101 и кольцо 1007 трубки выполнены из титана и имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. Соединительное кольцо 1003 выполнено из легированной нержавеющей стали марки 430 и имеет коэффициент теплового расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения расходомерной трубки 101 и кольца 1007 трубки, выполненных из титана, но меньше, чем коэффициент теплового расширения балансира 1002, который выполнен из легированной нержавеющей стали марки 304. В этом третьем варианте осуществления предусмотрена такая же компенсация разницы в степени расширения между балансиром 1002 и соединительным кольцом 1003. Однако третий вариант отличается от предыдущих вариантов тем, что материал соединительного кольца расширяется в большей степени, чем расходомерная трубка 101 из титана.
Компенсацию различий в расширении между соединительным кольцом 1003 и расходомерной трубкой 101 осуществляют так же, как компенсацию различий в расширении между соединительным кольцом 1003 и балансиром 1002. Внутренняя поверхность 1008 соединительного кольца 1003 имеет конус. Поскольку внешняя поверхность расходомерной трубки 101 не может иметь конус без избыточного утонения в стенке трубки, то требуется дополнительный элемент – кольцо 1007 трубки. Это кольцо трубки изготовлено из титана и расширяется в той же степени, что и расходомерная трубка. Следовательно, можно задать зазор между кольцом трубки и расходомерной трубкой, составляющий 0,005 см.
Выполненное из титана кольцо 1007 трубки имеет диаметр сужающейся на конус внешней поверхности, который соответствует диаметру сужающейся на конус внутренней поверхности соединительного кольца 1003. Соединительное кольцо 1003 также имеет диаметр сужающейся на конус внешней поверхности, который соответствует диаметру сужающейся на конус внутренней поверхности балансира 1002. Конусы на внутренней и внешней поверхностях соединительного кольца 1003 связаны разностями коэффициентов расширения. Если разность коэффициентов расширения балансира и соединительного кольца больше, чем соответствующая разность для соединительного кольца и расходомерной трубки, то внешний конус будет иметь больший угол, чем внутренний конус. Углы внутреннего и внешнего конусов связаны ввиду того, что оба зазора определяются одним и тем же осевым поступательным перемещением соединительного кольца. Наличие выполненного из титана кольца 1007 трубки и соединительного кольца из нержавеющей стали марки 430 выгодно тем, что оно обеспечивает восприятие еще одним элементом того механического напряжения, которое вызвано различиями в тепловом расширении между расходомерной трубкой 101 из титана и балансиром 1002 из нержавеющей стали марки 304.
На фиг.10 показаны элементы в “холодном” состоянии, в котором верхняя поверхность 1020 соединительного кольца 1003 расположена выше поверхности 1016 балансира 1002. Точно так же нижняя поверхность 1112 соединительного кольца 1003 отстоит от ступеньки 1111. Нижняя поверхность 1009 кольца 1007 трубки лежит на ступеньке 1111. Элементы 1006 материала твердого припоя расположены в непосредственной близости к поверхностям 1001, 1008 и 1004 соприкосновения при подготовке к операции пайки твердым припоем, во время которой материал твердого припоя плавится.
На фиг.11 показаны элементы при температуре пайки твердым припоем и последующее состояние, в котором элементы твердого припоя остывают до комнатной температуры. Во время пайки твердым припоем балансир расширяется в радиальном направлении наружу, создавая снаружи соединительного кольца некоторое пространство для опускания соединительного кольца 1003. Одновременно происходит расширение в направлении наружу и соединительного кольца (однако в меньшей степени), вследствие чего внутри соединительного кольца создается некоторое пространство для опускания соединительного кольца до тех пор, пока его нижняя поверхность 1112 не войдет в контакт со ступенькой 1111. Этой ступеньке 1111 и конусам можно придать такую конфигурацию, что при температуре пайки твердым припоем оба зазора, заполняемые твердым припоем, будут оптимальными для материалов, подлежащих пайке твердым припоем.
На фиг.12 показан расходомер 1200, имеющий элементы, при комнатной температуре перед операцией пайки твердым припоем. Балансир 1002 соответствует сегментам 1002А и 1002В балансира. Оснастка для пайки твердым припоем содержит основание 1252, на котором можно расположить расходомер, а также гирю 1251, которую можно расположить поверх расходомера перед пайкой твердым припоем. Гиря 1251 обеспечивает силу, необходимую для того, чтобы проталкивать верхнее сужающееся на конус соединительное кольцо 1003 вниз относительно сегмента 1002В балансира во время операции пайки твердым припоем. Расходомерная трубка 101, выполненные из титана кольца 1007 трубки, соединительные кольца 1003 и концевые части балансира 1002 соответствуют аналогичным элементам на фиг.10 и 11. Соединительное кольцо 1003 вместе со связанными с ним элементами, которые надо припаять твердым припоем, показано на верхнем конце сегмента 1002В балансира. Другой комплект аналогично обозначенных элементов показан в нижней части сегмента 1002А балансира.
Нижний конец 111 расходомерной трубки 101 проходит в отверстие в основании 1252. Верхний конец 112 расходомерной трубки 101 вставлен в центральное отверстие в гире 1251. Гиря 1251 обеспечивает приложение направленной вниз силы, необходимой во время пайки твердым припоем для впрессовывания верхнего соединительного кольца 1003 в пространство, создаваемое при радиальном расширении балансира 1002. Верхнее сужающееся на конус соединительное кольцо 1003 перемещается вниз до тех пор, пока его нижняя поверхность не вступает в контакт со ступенькой 1111. Направленная вниз сила, создаваемая гирей 1251, а также массой узла расходомера 1200, подталкивает нижнее соединительное кольцо 1003 в пространство, создаваемое вследствие радиального расширения сегмента 1002А балансира, так что конец нижнего соединительного кольца 1003 вступает в устойчивый контакт со ступенькой 1111 внутри сегмента 1002А балансира. Сегмент 1002В балансира опирается на конце 1236 на часть оснастки 1260 для пайки твердым припоем.
Раздельные сегменты 1002В и 1002А балансира разделены пружинной конструкцией 1240, расположенной между нижним концом 1236 сегмента 1002В балансира и верхним концом 1237 сегмента 1002А балансира. Пружинная конструкция изгибается в осевом направлении и компенсирует осевое расширение, которое возникает во время пайки твердым припоем между сегментами 1002А и 1002В балансира. Пружинная конструкция 1240 и ее опорные элементы содержат опорные стержни 1242, которые представляют собой продолжения внутренних осевых оконечностей 1236 и 1237 сегментов 1002А и 1002В балансира. Пружинная конструкция также содержит пружинные элементы 1238, каждый из которых имеет внутренний конец, прикрепленный к опорному стержню 1242, и внешний конец, прикрепленный к конструкциям 1241 и 1241А, которые служат опорой возбудителю В и связанной с ним катушке (фиг.13). При этом конструкция 1241А также служит опорой гире 1240А, которую используют для динамического уравновешивания массы возбудителя В. В отверстиях 1261 и 1262 установлены тензодатчики ПТзД и ЛТзД.
На фиг.13 изображены элементы, которые прикреплены к расходомеру 1200 (фиг.12) после пайки твердым припоем. Элементы содержат возбудитель В с катушкой 1244 и магнитом 1246, левый тензодатчик ЛТзД и правый тензодатчик ПТзД с их катушками К и магнитами. К расходомеру 1200 подключен измерительный электронный элемент 1251’, который соединен проводами 1252 и 1254 с тензодатчиками ЛТзД и ПТзД, а проводом 1253 – с возбудителем В, который возбуждает происходящие в противофазе колебания расходомерной трубки и балансира. Выходные сигналы, выдаваемые тензодатчиками ЛТзД и ПТзД, проходят по проводам 1252 и 1254 в измерительный электронный элемент 1251’, который обрабатывает эти сигналы и генерирует информацию о течении материала, которая подается по шине 1255 в схему (не показана). Также не показаны корпус и фланцы измерительного прибора.
На фиг.14 и 15 представлен альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором наклон конусной поверхности 1404 соприкосновения, ограничивающей внешнюю поверхность соединительного кольца 1403 и внутреннюю поверхность сегментов 1402А и 1402В балансира, противоположен тому, который показан в вариантах осуществления (фиг.5–13). Расходомерную трубку 101 окружает балансир, имеющий верхний сегмент 1402А и нижний сегмент 1402В. Верхнее соединительное кольцо 1403 окружено сегментом 1402А балансира, а нижнее соединительное кольцо 1403 окружено сегментом 1402В балансира. Элемент 1404 представляет собой участок соприкосновения сужающейся на конус внешней окружной поверхности соединительных колец 1403 с сужающейся на конус внутренней окружной поверхностью каждого сегмента балансира. Осевой внешний конец каждого сегмента балансира 1402 содержит круглое отверстие 1413, через которое выступает расходомерная трубка 101. Внутренняя радиальная поверхность этого отверстия представляет собой элемент 1413. Полости 1411 ограничивают пространство между осевой внешней оконечностью соединительных колец 1403 и осевой внутренней оконечностью поверхности 1412 полости 1413.
На фиг.14 показаны сегменты балансира, расходомерной трубки и соединительного кольца перед началом пайки твердым припоем. Элементы 1406 материала твердого припоя находятся на участке 1404 соприкосновения поверхностей, общем для соединительного кольца 1403 и сегмента балансира, а также на участке 1417 соприкосновения, общем для окружных поверхностей соединительных колец 1403 и внешней поверхности расходомерной трубки 101. Каждый прямоугольный элемент 1407 имеет один катет, приваренный к внешней поверхности расходомерной трубки 101, и другой катет, служащий опорой осевой оконечности 1418 соединительных колец 1403.
Элементы находятся при комнатной температуре перед началом пайки твердым припоем. Перед пайкой твердым припоем из элементов собирают узел, вставляя верхнее соединительное кольцо 1403 в нижнюю открытую концевую часть сегмента 1402А балансира. В открытый конец 1418 нижнего сегмента 1402В балансира также вставляют соединительное кольцо 1403. Затем вставляют верхний конец 111 расходомерной трубки 101 в центральное отверстие верхнего сегмента 1402А балансира. Потом вставляют расходомерную трубку 101 через центральное отверстие верхнего соединительного кольца 1403 до тех пор, пока горизонтальный катет прямоугольного элемента 1407 не вступит в контакт с нижней поверхностью 1418 верхнего соединительного кольца 1403. Горизонтальный катет служит опорой массе соединительного кольца 1403, которое служит опорой сегменту 1402А балансира. В этот момент полость 1411 сохраняется, а верхняя поверхность 1414 верхнего соединительного кольца 1403 отстоит от нижнего конца 1416 кольцевой поверхности 1412 сегмента 1402А балансира. Весь верхний узел опирается на расходомерную трубку через прямоугольные элементы 1407.
Элементы, показанные в нижней части на фиг.14, собирают аналогичным образом. Нижнее соединительное кольцо 1403 вставляют в центральное отверстие нижнего сегмента 1402В балансира и принудительно продвигают вниз. В сегменте 1402В балансира и его соединительном кольце 1403 находится нижняя часть 112 расходомерной трубки 101, так что горизонтальный катет прямоугольного элемента 1407 опирается на поверхность 1418 элемента 1403 нижнего соединительного кольца. Усилие, прикладываемое со стороны прямоугольного элемента, возникает вследствие наличия массы у верхнего узла и расходомерной трубки. Эта масса вынуждает нижнее соединительное кольцо двигаться вниз. Нижний сегмент балансира опирается на оснастку 1252, аналогичную той, которая показана на фиг.12. В этот момент полость 1411 сохраняется, потому что концевая поверхность 1414 нижнего соединительного кольца 1403 отстоит от нижнего конца 1416 поверхности 1412 центрального отверстия 1413 сегмента 1402В балансира. Затем наносят материал 1406 твердого припоя на внешние оконечности мест 1404 и 1417 соприкосновения. Потом конструкцию подвергают операции пайки твердым припоем.
На фиг.15 показаны элементы расходомера после пайки твердым припоем. Во время пайки твердым припоем конструкции нагреваются до 800°С. Это вызывает у выполненных из нержавеющей стали сегментов 1402А и 1402В балансира радиальное расширение, большее, чем у выполненных из титана расходомерной трубки 101 и соединительных колец 1403. Разное расширение позволяет сегментам балансира 1402 перемещаться в осевом направлении навстречу друг другу под воздействием сил, прикладываемых за счет массы верхнего узла. Сегменты балансира 1402 перемещаются в положение, показанное на фиг.15. В этот момент осевая концевая поверхность 1414 соединительных колец входит в контакт с выточкой, выполненной в осевом внешнем конце сегментов балансира и осевой внутренней оконечности поверхности 1412.
Дополнительную силу, необходимую для осевого перемещения сегмента 1402А балансира внутрь, можно обеспечить любыми подходящими средствами, например, гирей, аналогичной элементу 1251. Гирю можно разместить на расходомерной трубке 101 таким образом, что она расположится на верхней поверхности 1409 сегмента 1402А балансира. Гиря принудительно перемещает сегмент 1402А балансира вниз, противодействуя направленным вверх силам, прикладываемым со стороны прямоугольного элемента к нижней поверхности 1418 элемента 1403 верхнего соединительного кольца.
Необходимые силы можно прикладывать к нижним элементам за счет размещения нижнего конца 112 (фиг.15) расходомерной трубки на основании, таком как элемент 1252, и за счет приложения направленной вниз силы к верхней концевой поверхности 1409 сегмента 1402А балансира. Результирующая направленная вниз сила, воздействующая на верхний прямоугольный элемент 1407, принудительно перемещает расходомерную трубку 101 вниз, так что горизонтальная поверхность нижнего элемента 1407 принудительно перемещает нижнее соединительное кольцо 1403 вниз.
На фиг.16 показан расходомер, оснащенный электронным измерительным элементом 1251’ и пружинной конструкцией 1240, а также связанными с ней элементами. Пружинная конструкция и магниты и катушки прикреплены к сегментам 1402А и 1402В балансира после пайки твердым припоем. Пружинная конструкция 1240 и измерительный электронный элемент 1251’ выполняют те же функции, что и для варианта, изображенного на фиг.13.
На фиг.17 представлен Кориолисов расходомер, содержащий элементы, показанные на фиг.5–9, а также гиря 1251 и основание 1252, показанные на фиг.12. Балансир на фиг.17 представляет собой единый цельный блок, в отличие от балансиров Кориолисова расходомера, разделенных на сегменты (фиг.10–16). Балансир Кориолисова расходомера может содержать элемент 808 ступеньки. Конструкция расходомера аналогична показанной на фиг.12, но исключена пружинная конструкция 1240. Кроме того, сегменты 1002А и 1002В балансира заменены единым цельным балансиром 502. Единый цельный балансир можно использовать таким образом, что концы балансира 502 и расходомерной трубки 101 будут подвергаться локальному нагреву во время пайки твердым припоем. Балансиры, разделенные на сегменты, используют преимущественно в тех случаях, где во время пайки твердым припоем нагревается вся конструкция расходомера. В таких случаях необходима центральная пружинная конструкция 1240 для уменьшения механического напряжения, связанного с разными коэффициентами теплового расширения расходомерной трубки и балансиров, разделенных на сегменты.
Заявляемое изобретение не сводится к описанию предпочтительного конкретного варианта осуществления, а охватывает другие модификации и изменения. Настоящее изобретение может быть использовано с другими типами Кориолисовых расходомеров, включая расходомеры с одной или несколькими расходомерными трубками неправильной или криволинейной конфигурации.
Кориолисовый расходомер содержит расходомерную трубку, пропущенную через полый балансир, концы которого соединены с трубкой посредством колец, припаянных твердым припоем. Внешняя поверхность колец и сопряженная с ней внутренняя поверхность концов балансира выполнены коническими. Коэффициент теплового расширения балансира больше, чем у расходомерной трубки и соединительных колец. В варианте выполнения для компенсации разницы в тепловом расширении между соединительными кольцами и балансиром к выполненной конической внутренней поверхности каждого кольца припаяна твердым припоем суженная на конус внешняя поверхность дополнительного кольца, внутренняя поверхность которого прикреплена твердым припоем к расходомерной трубке. Изобретения обеспечивают получение надежного соединения элементов колеблющейся конструкции, что увеличивает срок службы расходомера. 2 с. и 30 з.п. ф-лы, 17 ил.
| US 5476013 А, 19.12.1995 | |||
| WO 00/50854 A1, 31.08.2000 | |||
| WO 00/47956 A1, 17.08.2000 | |||
| ЕР 0759542 А1, 26.02.1997 | |||
| US 5473949 А, 12.12.1995 | |||
| Устройство для измерения массового расхода жидкости | 1990 |
|
SU1778529A1 |
