ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИБРАЦИОННОГО ТИПА, ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ПРОТЕКАЮЩЕЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ ЖИДКОСТИ, А ТАКЖЕ МАССОВОГО РАСХОДА И/ИЛИ ПЛОТНОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ПРОТЕКАЮЩЕЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ ЖИДКОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01N11/16 G01F1/84 

Изобретение относится к измерительному преобразователю вибрационного типа, предназначенному, в частности, для использования в вискозиметре, вискозиметре/плотномере или вискозиметре / массовом расходомере, а также к прибору для измерения вязкости протекающей по трубопроводу жидкости, а также массового расхода и/или плотности и применение измерительного преобразователя для измерения вязкости протекающей по трубопроводу жидкости.

Для определения вязкости протекающей в трубопроводе жидкости нередко используют такие измерительные приборы, которые посредством содержащего, по меньшей мере, одну сообщенную с трубопроводом измерительную трубу измерительного преобразователя вибрационного типа и подключенной к нему управляюще-обрабатывающей электроники вызывают в жидкости силы сдвига или же трения и, исходя из них, вырабатывают представляющий вязкость измерительный сигнал.

Так, например, в US-A 4524610, US-A 5253533, US-A 6006609 и ЕР-А 1158289 описаны «ин-лайн»-вискозиметры, т.е. устанавливаемые в проводящем жидкость трубопроводе вискозиметры, соответственно с измерительным преобразователем вибрационного типа, который реагирует на вязкость протекающей в трубопроводе жидкости и содержит:

- единственную прямую, вибрирующую при работе измерительную трубу для протекания жидкости, которая через входящий со стороны впуска впускной патрубок и через входящий со стороны выпуска выпускной патрубок сообщена с трубопроводом;

- устройство возбуждения, которое возбуждает в измерительной трубе при работе, по меньшей мере, частично крутильные колебания вокруг соосной с измерительной трубой колебательной оси;

- сенсорное устройство для локальной регистрации вибраций измерительной трубы.

Прямые измерительные трубы вызывают, как известно, при возбуждении крутильных колебаний вокруг соосной с измерительной трубой колебательной оси силы сдвига в протекающей жидкости, в результате чего у крутильных колебаний отбирается и диссипируется в жидкости колебательная энергия. За счет этого происходит гашение крутильных колебаний измерительной трубы, для сохранения которых, следовательно, к измерительной трубе должна подаваться дополнительная энергия возбуждения.

Обычно в измерительных трубах подобных, установленных, например, во встроенных вискозиметрах измерительных преобразователей при работе возбуждают мгновенную резонансную частоту основной моды крутильных колебаний, в частности при амплитуде колебаний, отрегулированной до постоянной. Далее принято возбуждать в измерительных трубах для измерения вязкости одновременно или в качестве альтернативы крутильной моде изгибные колебания вдоль колебательной оси, а именно обычно также резонансную частоту основной моды изгибных колебаний (US-A 4524610). Поскольку эта изгибная резонансная частота зависит, в частности, также от мгновенной плотности жидкости, посредством таких измерительных приборов помимо вязкости можно измерять также плотность протекающих в трубопроводах жидкостей. Кроме того, посредством таких совершающих изгибные колебания измерительных труб в протекающей жидкости создаются зависимые от мгновенного массового расхода силы Кориолиса, так что тогда посредством таких измерительных преобразователей можно регистрировать также массовый расход (US-A 6006609 или ЕР-А 1158289).

Использование прямых, вибрирующих описанным выше образом измерительных труб для измерения вязкости обладает по сравнению с измерением вязкости согнутыми измерительными трубами, как известно, то преимущество, что практически по всей длине измерительной трубы в жидкости создаются силы сдвига, в частности, также с большой глубиной проникновения в радиальном направлении, и тем самым может быть достигнута очень высокая чувствительность измерительного преобразователя к измеряемой вязкости. Кроме того, преимущество состоит, например, и в том, что они с высокой надежностью могут быть без остатка опорожнены практически в любом положении монтажа, в частности также после произведенной в потоке очистки. Далее такие измерительные трубы по сравнению, например, с согнутой Ω - или спиралеобразно измерительной трубой существенно проще и, соответственно, рентабельнее в изготовлении.

По сравнению с предложенным измерительным преобразователем существенный недостаток описанных выше измерительных преобразователей состоит в том, что при измерении посредством измерительной трубы и имеющегося при случае корпуса преобразователя от измерительного преобразователя на присоединенный трубопровод могут передаваться крутильные колебания, что может привести к изменению калиброванной нулевой точки и тем самым к неточностям результата измерения. Кроме того, отвод колебательной энергии в окружающее измерительный преобразователь пространство может привести к значительному снижению к.п.д. и, возможно, также к уменьшению соотношения сигнал/шум в измерительном сигнале.

Задача изобретения состоит поэтому в создании пригодного, в частности, для вискозиметра или кориолисова массового расходомера/вискозиметра измерительного преобразователя вибрационного типа, который, несмотря на использование лишь единственной прямой измерительной трубы, при работе динамически хорошо сбалансирован и у которого вырабатывание изгибающих моментов со стороны вибрирующей с крутильными колебаниями измерительной трубы в значительной степени предотвращено и тем самым эффективно предотвращено возбуждение резонансных колебаний корпуса или присоединенного трубопровода. Кроме того, возможные, представляющие массовый расход измерительные сигналы, в частности, также при использовании тех же датчиков, что и для измерения вязкости, должны максимально хорошо отличаться от измерительных сигналов, представляющих вязкость.

Для решения этой задачи изобретение заключается в измерительном преобразователе вибрационного типа для протекающей в трубопроводе жидкости. Измерительный преобразователь содержит служащую для протекания жидкости в основном прямую измерительную трубу заданного диаметра, которая через входящий во впускной конец впускной патрубок и входящий в выпускной конец выпускной патрубок сообщена с присоединенным трубопроводом. При работе измерительную трубу, по меньшей мере, временно заставляют вибрировать, а именно так, что она, в частности, для создания сил сдвига в жидкости, по меньшей мере, частично совершает крутильные колебания заданной частоты вокруг воображаемой оси, в основном соосной с впускным и выпускным патрубками. Далее измерительный преобразователь содержит фиксированный на впускном и выпускном концах ответный вибратор с заданной собственной частотой крутильных колебаний. Кроме того, измерительный преобразователь содержит воздействующее на измерительную трубу и ответный вибратор устройство возбуждения, заставляющее вибрировать, по меньшей мере, измерительную трубу и сенсорное устройство для регистрации вибраций измерительной трубы. Внутренняя часть измерительного преобразователя, образованная, по меньшей мере, измерительной трубой, ответным вибратором, а также закрепленными на нем сенсорным устройством и устройством возбуждения и подвешенная, по меньшей мере, на впускном и выпускном патрубках, имеет центр тяжести масс, лежащий внутри измерительной трубы.

Согласно первому предпочтительному выполнению изобретения центр тяжести масс внутренней части лежит максимально точно на продольной оси измерительной трубы, соосной, в частности, с впускным и выпускным патрубками.

Согласно второму предпочтительному выполнению изобретения внутренняя часть имеет лежащую внутри измерительной трубы первую главную ось инерции, в основном соосную с впускным и выпускным патрубками.

Согласно третьему предпочтительному выполнению изобретения внутренняя часть имеет распределение масс, в основном симметричное оси крутильных колебаний.

Согласно четвертому предпочтительному выполнению изобретения ответный вибратор выполнен в основном трубчатым и ориентирован в основном коаксиально измерительной трубе.

Согласно пятому предпочтительному выполнению изобретения частота крутильных колебаний измерительной трубы и собственная частота крутильных колебаний ответного вибратора максимально одинаковы.

Согласно шестому предпочтительному выполнению изобретения частота крутильных колебаний ответного вибратора больше 0,8-кратного значения частоты крутильных колебаний измерительной трубы.

Согласно седьмому предпочтительному выполнению изобретения частота крутильных колебаний ответного вибратора меньше 1,2-кратного значения частоты крутильных колебаний измерительной трубы.

Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения измерительная труба, в частности, для создания сил Кориолиса в жидкости совершает, по меньшей мере, временно изгибные колебания заданной частоты вокруг своей воображаемой продольной оси.

Согласно восьмому предпочтительному выполнению изобретения частота крутильных колебаний измерительной трубы и частота ее изгибных колебаний настроены по-разному.

Согласно девятому предпочтительному выполнению изобретения устройство возбуждения выполнено и фиксировано на измерительной трубе и ответном вибраторе так, что создающая изгибные колебания сила действует на измерительную трубу вдоль воображаемой силовой линии, которая проходит вне перпендикулярной первой главной оси инерции второй главной оси инерции или пересекает ее самое большее в одной точке.

Согласно десятому предпочтительному выполнению изобретения устройство возбуждения содержит фиксированную на измерительной трубе катушку возбуждения, через которую при работе, по меньшей мере, временно протекает ток возбуждения и которая через соединенный с ответным вибратором рычаг и фиксированный в нем якорь воздействует на измерительную трубу и ответный вибратор.

Согласно одиннадцатому предпочтительному выполнению изобретения сенсорное устройство содержит расположенную в измерительном преобразователе вне второй главной оси инерции сенсорную катушку и магнитно-связанный с ней якорь, положение которых по отношению друг к другу, в частности также расстояние между которыми, изменяется из-за крутильных и, возможно, изгибных колебаний измерительной трубы и ответного вибратора, в результате чего в сенсорной катушке, по меньшей мере, временно индуцируется переменное измерительное напряжение.

Согласно двенадцатому предпочтительному выполнению изобретения измерительный преобразователь содержит фиксированный на измерительной трубе с впускной и выпускной сторон корпус.

Согласно тринадцатому предпочтительному выполнению изобретения предусмотрены служащие для настройки распределения массы внутренней части, фиксированные на измерительной трубе дополнительные массы и/или выполненные в ответном вибраторе пазы.

Основная идея изобретения состоит в том, чтобы динамически компенсировать измерительный преобразователь за счет вырабатывания, с одной стороны, ответных крутящих моментов, максимально равных по величине крутящим моментам, выработанным с помощью ответного вибратора и вибрирующей с крутильными колебаниями измерительной трубы. С другой стороны, однако, по возможности, не должны вырабатываться изгибающие моменты, например, из-за усиленных качательных движений лежащего вне измерительной трубы центра тяжести масс.

Кроме того, другая основная идея изобретения состоит в выполнении устройства возбуждения или же сенсорного устройства так, чтобы, с одной стороны, можно было посредством одних и тех же катушек возбуждения и сенсорных катушек, в частности, также одновременно соответственно вырабатывать и регистрировать как крутильные, так и изгибные колебания и чтобы, с другой стороны, соответственно выработанные и зарегистрированные крутильные или изгибные колебания можно было легко отделить друг от друга в измерительном сигнале.

Одно преимущество изобретения состоит в том, что измерительный преобразователь, несмотря на возможные, обусловленные эксплуатацией изменения плотности и/или вязкости жидкости, простым образом сбалансирован так, что присоединенный трубопровод можно в значительной степени изолировать от внутренних крутящих моментов. Кроме того, измерительный преобразователь, по меньшей мере, в небольшом диапазоне плотности можно динамически сбалансировать также для изгибных колебаний. Измерительный преобразователь, согласно изобретению, отличается далее тем, что благодаря этому конструктивно очень простому устранению связи колебаний он может быть выполнен, во-первых, очень компактным, а во-вторых, очень легким.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что могут быть измерены различные измеряемые величины, в частности массовый расход, вязкость или же плотность, в любом случае при настроенных по-разному частотах крутильных и изгибных колебаний измерительной трубы, также при одновременно возбужденных крутильных и изгибных колебаниях.

Ниже изобретение и его другие преимущества поясняются с помощью примера выполнения, изображенного на чертежах. Одинаковые детали обозначены на чертежах одинаковыми ссылочными позициями. В случае если это служит для наглядности, уже упомянутые ссылочные позиции на последующих фигурах опущены.

Чертежи представляют:

- фиг.1: устанавливаемый в трубопроводе измерительный прибор для измерения вязкости протекающей в трубопроводе жидкости;

- фиг.2: пример выполнения пригодного для измерительного прибора из фиг.1 измерительного преобразователя вибрационного типа при виде сбоку в перспективе;

- фиг.3: измерительный преобразователь из фиг.2 в разрезе при виде сбоку;

- фиг.4: измерительный преобразователь из фиг.2 в первом сечении;

- фиг.5: измерительный преобразователь из фиг.2 во втором сечении;

- фиг.6: другой пример выполнения пригодного для измерительного прибора из фиг.1 измерительного преобразователя вибрационного типа в разрезе при виде сбоку.

На фиг.1 изображен устанавливаемый в трубопроводе (не показан) измерительный прибор для измерения вязкости протекающей в трубопроводе жидкости. Кроме того, измерительный прибор предназначен также предпочтительно для измерения массового расхода и/или плотности жидкости. Измерительный прибор содержит измерительный преобразователь вибрационного типа, обтекаемый при работе измеряемой жидкостью. На фиг.2-6 схематично изображены соответствующие примеры выполнения таких измерительных преобразователей вибрационного типа.

Измерительный преобразователь служит для создания в протекающей жидкости механических реакционных сил, в частности, зависимых от вязкости сил трения, которые с возможностью их измерения, в частности регистрации датчиками, действуют на измерительный преобразователь. На основе этих реакционных сил известным специалисту образом можно измерить, например, вязкость η жидкости.

Для протекания жидкости измерительный преобразователь содержит, в частности, единственную, в основном прямую измерительную трубу 10 заданного диаметра, которую при работе заставляют, по меньшей мере, временно вибрировать и которая тем самым повторно упруго деформируется.

Для протекания жидкости измерительная труба 10 через входящий во впускной конец 11# впускной патрубок 11 и входящий в выпускной конец 12# выпускной патрубок 12 присоединена к подводящему или отводящему жидкость трубопроводу (не показан). Измерительная труба 10, впускной 11 и выпускной 12 патрубки ориентированы по отношению друг к другу и к воображаемой продольной оси L измерительной трубы максимально соосно и выполнены предпочтительным образом за одно целое, так что для их изготовления может служить, например, единственная трубчатая заготовка; в случае необходимости измерительная труба 10 и патрубки 11, 12 могут быть изготовлены также из отдельных впоследствии соединенных, например сваренных, заготовок. Для изготовления измерительной трубы 10 может применяться практически любой из обычных для таких измерительных преобразователей материалов, например сталь, титан, цирконий и т.д.

В случае если измерительный преобразователь следует смонтировать на трубопроводе разъемно, на впускном 11 и выпускном 12 патрубках отформовывают предпочтительно соответственно первый 13 и второй 14 фланцы; в случае необходимости впускной 11 и выпускной 12 патрубки могут быть соединены с трубопроводом также непосредственно, например сваркой или высокотемпературной пайкой. Далее, как схематично показано на фиг.1, предусмотрен фиксированный на впускном 11 и выпускном 12 патрубках, размещающий в себе измерительную трубу 10 корпус 100 (фиг.1 и 2).

Прямые измерительные трубы с возбужденными крутильными колебаниями вокруг оси крутильных колебаний вызывают в протекающей жидкости силы сдвига, отбирают за счет этого у крутильных колебаний колебательную энергию и диссипируют ее в жидкости. В результате происходит гашение крутильных колебаний колеблющейся измерительной трубой, для сохранения которых к измерительной трубе должна подаваться дополнительная энергия возбуждения. В соответствии с этим для создания соответствующих вязкости сил трения в жидкости в измерительной трубе 10 при работе, по меньшей мере, временно возбуждают крутильные колебания вокруг оси крутильных колебаний, в частности в диапазоне естественной резонансной частоты крутильных колебаний, с возможностью ее скручивания в основном в соответствии с естественной формой крутильных колебаний вокруг ее продольной оси L или вокруг, в основном параллельной ей оси (US-A 4524610, US-A 5253533, US-A 6006609 или ЕР-А 1158289).

Предпочтительно крутильные колебания возбуждают в измерительной трубе 10 при работе с частотой, которая максимально точно соответствует естественной резонансной частоте той основной собственной моды, при которой измерительная труба 10 в основном равнонаправленно закручивается по всей своей длине. Естественная резонансная частота этой основной собственной моды крутильных колебаний может составлять у служащей в качестве измерительной трубы 10 трубы из специальной стали с условным проходом 20 мм, толщиной стенки около 1,2 мм и длиной около 350 мм, а также с возможными надстройками (см. ниже), например, 1500-2000 Гц.

Согласно одному предпочтительному усовершенствованию изобретения дополнительно к крутильным колебаниям, в частности одновременно с ними, в измерительной трубе 10 при работе измерительного преобразователя возбуждают изгибные колебания так, что она продольно изгибается в соответствии с естественной первой формой изгибных колебаний. Предпочтительно изгибные колебания возбуждают в измерительной трубе 10 с частотой, которая максимально точно соответствует самой низкой естественной резонансной частоте изгибных колебаний измерительной трубы 10, так что, следовательно, вибрирующая, но не обтекаемая жидкостью измерительная труба 10 изгибается в основном симметрично относительно средней оси, перпендикулярной ее продольной оси L, и имеет при этом единственную выпучину колебаний. Эта самая низкая резонансная частота изгибных колебаний может составлять, например, у служащей в качестве измерительной трубы 10 трубы из специальной стали с условным проходом 20 мм, толщиной стенки около 1,2 мм и длиной около 350 мм, а также с возможными надстройками, например, 850-900 Гц.

В случае если жидкость протекает в трубопроводе и тем самым массовый расход m отличается от нуля, совершающая изгибные колебания измерительная труба 10 создает в протекающей жидкости силы Кориолиса. Они в свою очередь действуют обратно на измерительную трубу 10 и вызывают дополнительную, регистрируемую датчиками деформацию (не показана) измерительной трубы 10, согласно второй естественной форме изгибных колебаний, копланарно наложенной на первую форму изгибных колебаний. Мгновенное проявление деформации измерительной трубы 10 зависит при этом, в частности в отношении ее амплитуд, также от мгновенного массового расхода m. В качестве второй формы изгибных колебаний, так называемой моды Кориолиса, могут служить, например, как это принято у подобных измерительных преобразователей, антисимметричные формы изгибных колебаний с двумя или четырьмя выпучинами.

Как уже сказано, крутильные колебания гасятся, с одной стороны, за счет желательной и, в частности в целях измерения вязкости, зарегистрированной датчиками энергоотдачи жидкости. С другой же стороны, у вибрирующей измерительной трубы 10 колебательную энергию можно отобрать также за счет того, что колебания возбуждают и в механически связанных с ней деталях, например корпусе 100 преобразователя или присоединенном трубопроводе. В то время как энергоотдачу корпусу 100, хотя и нежелательную, можно было бы калибровать, по меньшей мере, энергоотдача окружающему измерительный преобразователь пространству, в частности трубопроводу, происходит, однако, практически невоспроизводимым больше или даже не определяемым заранее образом.

В целях подавления такой отдачи энергии крутильных колебаний окружающему пространству в измерительном преобразователе предусмотрен ответный вибратор 20, фиксированный на измерительной трубе 10 с впускной и выпускной сторон.

Ответный вибратор 20 служит для того, чтобы вырабатывать ответные крутящие моменты, которые в значительной степени компенсируют крутящие моменты, вырабатываемые закручивающейся преимущественно вокруг своей продольной оси L измерительной трубой 10, и тем самым в значительной степени удерживать окружающее измерительный преобразователь пространство, в частности, однако, присоединенный трубопровод, от динамических крутящих моментов. Кроме того, ответный вибратор 20 служит в описанном выше случае, когда в измерительной трубе 10 при работе дополнительно возбуждают изгибные колебания, также для того, чтобы динамически сбалансировать измерительный преобразователь для заранее точно определяемого, например, наиболее часто ожидаемого при работе измерительного преобразователя или также критического значения плотности жидкости с возможностью компенсации в значительной степени созданных, при случае, в вибрирующей измерительной трубе 10 поперечных сил и/или изгибающих моментов (собственная, предварительно не опубликованная европейская патентная заявка 01109977.7).

Для этих целей по сравнению с измерительной трубой 10 предпочтительно также крутильно - и/или изгибно-упругий ответный вибратор 20 при работе заставляют совершать по отношению к измерительной трубе 10 внефазно, в частности противофазно, крутильные колебания. В соответствии с этим ответный вибратор 20, по меньшей мере, одной из своих собственных частот крутильных колебаний максимально точно согласован с частотой крутильных колебаний измерительной трубы, с которой ее при работе заставляют вибрировать. В любом случае, однако, измерительная труба 10 и ответный вибратор 20 согласованы между собой так, а ответный вибратор 20 фиксирован на измерительной трубе 10 так, что впускной 11 и выпускной 12 патрубки также при совершающей крутильные колебания измерительной трубе 10 и заставляемом также вибрировать ответном вибраторе 20 удерживаются в значительной степени свободными от напряжений кручения; при необходимости, ответный вибратор 20 также одной из своих собственных частот изгибных колебаний максимально настроен на частоту изгибных колебаний измерительной трубы, и при работе измерительного преобразователя, при необходимости, возбуждают также изгибные колебания ответного вибратора 20, которые в основном копланарны возможным изгибным колебаниям измерительной трубы 10.

Ответный вибратор 20, как схематично показано на фиг.2, выполнен предпочтительно цельным. В случае необходимости, ответный вибратор 20, как это раскрыто, например, также в US-A 5969265, ЕР-А 317340 или WO-A 0014485, может быть составным или реализован в виде двух отдельных частичных ответных вибраторов, фиксированных на измерительной трубе 10 с впускной и выпускной сторон (фиг.6).

Как схематично показано на фиг.2, 3 или 6, для повышения точности измерений или для снижения склонности к сбоям измерительного преобразователя измерительную трубу 10, ответный вибратор 20, а также впускной 11 и выпускной 12 патрубки согласовывают между собой в их соответствующем положении с возможностью также упругой деформации впускного 11 и выпускного 12 патрубков при работе и поглощения тем самым части отдаваемой при случае внутренней частью колебательной энергии. Предпочтительно впускной 11 и выпускной 12 патрубки по своей соответствующей жесткости пружины согласованы с общей массой внутренней части, которая образована измерительной трубой 10 и фиксированными на ней надстройками, например устройством 40 возбуждения, сенсорным устройством 50 и, при необходимости, ответным вибратором 20 и т.д., так, что самая низкая резонансная частота образованной колебательной системы ниже частоты крутильных колебаний, с которой измерительную трубу 10 заставляют при работе, по меньшей мере, преобладающим образом колебаться.

Для вырабатывания механических колебаний измерительной трубы 10, в частности упомянутых крутильных и/или изгибных колебаний, измерительный преобразователь содержит далее, в частности электродинамическое, устройство 40 возбуждения. Оно служит для того, чтобы введенную управляющей электроникой (не показана) энергию Е_ехс возбуждения, например, с помощью отрегулированного тока и/или отрегулированного напряжения преобразовать в воздействующий на измерительную трубу 10, например, импульсно или гармонически, и упругодеформирующий ее описанным выше образом момент М_exc возбуждения и, при необходимости, в действующую продольно силу возбуждения. Момент М_exc возбуждения может быть при этом, как схематично показано на фиг.4 или 6, двунаправленным или же однонаправленным и настроен известным специалисту образом, например посредством схемы регулирования тока и/или напряжения, в отношении амплитуды и, например посредством фазорегулирующего контура, в отношении частоты. На основе энергии Е_ехс возбуждения, требуемой для сохранения крутильных колебаний и, при необходимости, также изгибных колебаний измерительной трубы 10, можно известным специалисту образом определить вязкость жидкости (US-A 4524610, US-A 5253533, US-A 6006609 или ЕР-А 1158289).

В качестве устройства 40 возбуждения может служить, например, устройство с закрепленной на измерительной трубе 10 или на ответном вибраторе 20 цилиндрической катушкой возбуждения, через которую при работе протекает соответствующий ток возбуждения, и, по меньшей мере, частично погружающимся в катушку возбуждения постоянномагнитным якорем, который фиксирован на ответном вибраторе 20 или измерительной трубе 10. Далее устройство 40 возбуждения может быть реализовано также посредством одного или нескольких электромагнитов (US-A 4524610).

Для обнаружения колебаний измерительной трубы 10 измерительный преобразователь содержит также, в частности, электродинамическое, сенсорное устройство 50. В качестве сенсорного устройства 50 можно использовать, например, принятое для подобных измерительных преобразователей сенсорное устройство, у которого известным специалисту образом посредством, по меньшей мере, одного первого датчика 51, преимущественно также посредством второго датчика 52, регистрируют движения измерительной трубы 10, в частности, с впускной и выпускной сторон и преобразуют в соответствующие сигналы S₁, S₂. В качестве датчиков 51, 52 могут использоваться, например, как это схематично показано на фиг.4, 5 или 6, относительно измеряющие колебания измерительной трубы 10 и ответного вибратора 20 электродинамические датчики скорости или же электродинамические датчики перемещения или датчики ускорения. Вместо электродинамических сенсорных устройств для обнаружения колебания измерительной трубы 10 могут служить также сенсорные устройства, измеряющие посредством резистивных или пьезоэлектрических тензометров, или оптоэлектронные сенсорные устройства. Сигналы датчиков могут быть преобразованы известным специалисту образом в соответствующие данные измерений посредством соответствующей, в частности цифровой, обрабатывающей электроники. Как упомянутая выше управляющая электроника для устройства 40 возбуждения, так и соединенная с сенсорным устройством 50 обрабатывающая электроника могут быть размещены в одном закрепленном преимущественно на корпусе 100 преобразователя корпусе 200.

Предпочтительно устройство 40 возбуждения, как показано на фиг.2 и 3, выполнено и расположено в измерительном преобразователе так, что оно при работе воздействует на измерительную трубу 10 и ответный вибратор 20 одновременно, в частности дифференцированно. Соответствующим образом сенсорное устройство 50 может быть выполнено и расположено в измерительном преобразователе с возможностью дифференцированной регистрации вибраций измерительной трубы 10 и ответного вибратора 20.

В описанном выше случае, когда частоты крутильных и изгибных колебаний измерительной трубы настроены по-разному, посредством измерительного преобразователя простым и предпочтительным образом даже при одновременно возбужденных крутильных и изгибных колебаниях, например на основе фильтрования сигналов или частотного анализа, может происходить разделение отдельных мод колебаний как в возбуждающих сигналах, так и в сигналах датчиков.

Согласно изобретению в противоположность, например, измерительным преобразователям из упомянутых выше публикаций US-A 6006609 или ЕР-А 1158289 измерительная труба 10, ответный вибратор 20, также закрепленные на них сенсорное устройство 50 и устройство 40 возбуждения согласованы между собой в отношении распределения их масс так, что образованная, подвешенная посредством впускного 11 и выпускного 12 патрубков внутренняя часть измерительного преобразователя имеет центр MS тяжести массы, лежащий, по меньшей мере, внутри измерительной трубы 10, предпочтительно, однако, максимально близко к продольной оси L измерительной трубы. К тому же внутренняя часть выполнена предпочтительно так, что она имеет соосную с впускным 11 и выпускным 12 патрубками и лежащую, по меньшей мере, на отдельных отрезках внутри измерительной трубы 10 первую главную ось T₁ инерции. За счет смещения центра MS тяжести массы внутренней части, в частности, однако, также за счет вышеописанного положения первой главной оси T₁ инерции обе принятые измерительной трубой 10 и ответным вибратором 20 при работе, в значительной степени компенсированные формы колебаний, а именно крутильные и изгибные колебания измерительной трубы 10, в значительной степени механически отделены друг от друга. За счет этого обе формы колебаний могут предпочтительным образом, в частности также в противоположность предложенным US-A 4524610, US-A 5253533 или US-A 6006609 измерительным преобразователям, возбуждаться также вполне отдельно друг от друга.

Смещение как центра MS тяжести массы, так и первой главной оси T₁ инерции к продольной оси L измерительной трубы может быть значительно упрощено, например, за счет того, что внутренняя часть, т.е. измерительная труба 10, ответный вибратор 20, а также закрепленные на них сенсорное устройство 50 и устройство 40 возбуждения выполнены и расположены по отношению друг к другу так, что распределение массы внутренней части вдоль продольной оси L измерительной трубы в основном симметрично, по меньшей мере, однако, инвариантно относительно воображаемого вращения вокруг продольной оси L измерительной трубы на 180° (с2-симметрия).

Согласно одному предпочтительному выполнению изобретения выполненный предпочтительно трубчатым, в частности также в значительной степени осесимметричным, ответный вибратор 20 расположен в основном коаксиально измерительной трубе 10, благодаря чему значительно упрощается достижение симметричного распределения массы внутренней части и тем самым центр MS тяжести массы простым образом смещается ближе к продольной оси L измерительной трубы.

Кроме того, сенсорное устройство 50 и устройство 40 возбуждения выполнены и расположены по отношению друг к другу на измерительной трубе 10 и, при необходимости, на ответном вибраторе 20 так, что выработанный ими момент инерции массы лежит максимально концентрично продольной оси L измерительной трубы или, по меньшей мере, поддерживается минимальным. Это может быть достигнуто за счет того, что общий центр тяжести масс сенсорного устройства 50 и устройства 40 возбуждения лежит максимально близко к продольной оси L измерительной трубы и/или общая масса сенсорного устройства 50 и устройства 40 возбуждения поддерживается минимальной.

Согласно одному предпочтительному выполнению изобретения в целях раздельного возбуждения крутильных и/или изгибных колебаний измерительной трубы 10 устройство 40 возбуждения выполнено и фиксировано на ней и ответном вибраторе 20 так, что создающая изгибные колебания сила действует на измерительную трубу 10 вдоль воображаемой силовой линии, которая проходит вне перпендикулярной первой главной оси T₁ инерции второй главной оси Т₂ инерции или пересекает последнюю самое большее в одной точке. Преимущественно внутренняя часть выполнена так, что вторая главная ось Т₂ инерции в основном совпадает с упомянутой выше средней осью.

В изображенном на фиг.4 примере выполнения устройство 40 возбуждения содержит для этого, по меньшей мере, одну первую катушку 41а возбуждения, через которую при работе, по меньшей мере, временно протекает ток возбуждения или частичный ток возбуждения и которая фиксирована на соединенном с измерительной трубой 10 рычаге 41с и через него, а также фиксированный снаружи на ответном вибраторе 20 якорь 41b дифференцированно воздействует на измерительную трубу 10 и ответный вибратор 20. Это выполнение имеет в том числе то преимущество, что, с одной стороны, ответный вибратор 20 и тем самым также корпус 100 преобразователя поддерживаются в сечении небольшими, но тем не менее катушка 41а возбуждения, в частности, также при монтаже легко доступна. Кроме того, другое преимущество этого выполнения устройства 40 возбуждения состоит также в том, что используемые при случае катушечные стаканы 41d, тяжестью которых, в частности при условных проходах свыше 80 мм, больше нельзя пренебрегать, также следует фиксировать на ответном вибраторе 20, и они тем самым не оказывают практически никакого влияния на резонансные частоты измерительной трубы 10. Здесь, однако, следует указать на то, что в случае необходимости катушка 41а возбуждения может удерживаться также ответным вибратором 20, а якорь 41b - измерительной трубой 10.

Согласно другому предпочтительному выполнению изобретения устройство 40 возбуждения, в частности для удовлетворения требований к распределению массы, содержит, по меньшей мере, одну вторую, расположенную вдоль диаметра измерительной трубы 10, катушку 42а возбуждения, которая таким же образом, что и катушка 41а возбуждения, связана с измерительной трубой 10 и ответным вибратором 20. Согласно другому предпочтительному выполнению изобретения устройство возбуждения содержит две дополнительные, в целом, следовательно, четыре катушки 43а, 44а возбуждения, которые расположены симметрично, по меньшей мере, относительно второй главной оси Т₂ инерции и смонтированы упомянутым образом в измерительном преобразователе.

Сила, действующая вне второй главной оси T₂ инерции на измерительную трубу 10, может быть создана посредством таких двух - или четырехкатушечных устройств простым образом, например, за счет того, что одна из катушек возбуждения, например катушка 41a, имеет иную индуктивность, чем соответственно другие, или что через одну из катушек возбуждения, например через катушку 41a, при работе протекает частичный ток возбуждения, отличающийся от соответствующего частичного тока возбуждения соответственно других катушек возбуждения.

Согласно другому предпочтительному выполнению изобретения сенсорное устройство 50, как схематично показано на фиг.5, содержит сенсорную катушку 51a, расположенную вне второй главной оси Т₂ инерции и фиксированную на измерительной трубе 10. Сенсорная катушка 51а расположена максимально близко к фиксированному на ответном вибраторе 20 якорю 51b и магнитно связана с ним с возможностью индуктирования в сенсорной катушке переменного измерительного напряжения, на которое влияют вращательные и/или продольные, изменяющие ее относительное положение и/или ее относительное расстояние относительные движения между измерительной трубой 10 и ответным вибратором 20. Благодаря расположению сенсорной катушки 51а, согласно изобретению, можно предпочтительным образом регистрировать одновременно как вышеназванные крутильные колебания, так и возбужденные, при необходимости, изгибные колебания. В случае необходимости сенсорная катушка 51а может быть фиксирована для этого также на ответном вибраторе 20, а связанный с ней якорь 51b - соответствующим образом на измерительной трубе 10.

Здесь следует еще упомянуть, что в случае необходимости известным специалисту образом устройство 40 возбуждения и сенсорное устройство 50 могут быть выполнены по своей механической конструкции практически одинаковыми; кроме того, названные выполнения механической конструкции устройства 40 возбуждения могут быть в основном перенесены и на механическую конструкцию сенсорного устройства 50 и наоборот.

Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения предусмотрены служащие для настройки распределения массы внутренней части пазы 201, 202, которые выполнены в ответном вибраторе 20 и обеспечивают точную настройку резонансных частот его крутильных колебаний и тем самым улучшенное устранение связи и/или улучшенное согласование с обработкой сигналов (фиг.2 и 3). Кроме того, распределение массы внутренней части, как это схематично показано на фиг.3, можно корректировать также посредством соответствующих уравновешивающих балансиров 101, 102, фиксированных на измерительной трубе 10. В качестве уравновешивающих балансиров 101, 102 могут служить, например, надетые на измерительную трубу 10 металлические кольца или фиксированные на ней металлические пластины.

Как легко видеть из предшествующих пояснений, измерительный преобразователь, согласно изобретению, отличается множеством возможностей настройки, которые позволяют специалисту, в частности также после спецификации внешних или внутренних монтажных размеров, достичь с высокой точностью компенсации сил кручения, созданных при работе в измерительной трубе 10 и, при необходимости, в ответном вибраторе 20, и тем самым минимизировать отдачу энергии крутильных колебаний окружающему измерительный преобразователь пространству.

Преобразователь вибрационного типа содержит прямую измерительную трубу для протекания жидкости, сообщенную с трубопроводом через впускной и выпускной патрубки, на которых закреплен корпус. Колебания измерительной трубы с закрепленным на ее концах ответным вибратором создает устройство возбуждения и регистрирует сенсорное устройство. Для создания сил сдвига в жидкости в измерительной трубе при работе возбуждают крутильные колебания. Для создания Кориолисовых сил в жидкости труба, по меньшей мере, периодически также совершает изгибные колебания. Частота крутильных колебаний и частота изгибных колебаний задаются разными между собой. Внутренняя часть измерительного преобразователя, образованная измерительной трубой, ответным вибратором и закрепленными на них сенсорным устройством и устройством возбуждения, имеет центр тяжести массы, лежащий внутри измерительной трубы. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений благодаря хорошей динамической сбалансированности преобразователя при работе. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Измерительный преобразователь вибрационного типа для протекающей в трубопроводе жидкости, содержащий, в основном, прямую измерительную трубу (10) заданного диаметра для протекания жидкости, которая через входящий во впускной конец (11#) впускной патрубок (11) и входящий в выпускной конец (12#) выпускной патрубок (12) сообщена с присоединенным трубопроводом и которая выполнена с возможностью, по меньшей мере, временного вибрирования во время работы, причем измерительная труба, в частности, для образования кориолисовых сил в жидкости, совершает по меньшей мере периодически изгибные колебания с заданной частотой вокруг воображаемой продольной оси измерительной трубы и измерительная труба (10), в частности, для создания сил сдвига в жидкости, совершает по меньшей мере частично крутильные колебания с заданной частотой вокруг воображаемой оси, являющейся по существу соосной с впускным и выпускным патрубками (11, 12), корпус преобразователя, закрепленный на впускном и выпускном патрубках (11, 12), закрепленный на впускном и выпускном концах ответный вибратор (20) с заданной собственной частотой крутильных колебаний, воздействующее на измерительную трубу (10) и ответный вибратор (20) устройство возбуждения (40), заставляющее вибрировать по меньшей мере измерительную трубу (10), и сенсорное устройство (50) для регистрации вибраций измерительной трубы (10), причем частота крутильных колебаний измерительной трубы и ее частота изгибных колебаний задаются разными между собой и внутренняя часть измерительного преобразователя, образованная по меньшей мере измерительной трубой (10), ответным вибратором (20) и закрепленными на нем сенсорным устройством (50) и устройством возбуждения (40) и подвешенная по меньшей мере на впускном и выпускном патрубках, имеет центр тяжести массы, лежащий внутри измерительной трубы (10).2. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что центр тяжести массы внутренней части лежит максимально точно на продольной оси измерительной трубы, соосной, в частности, с впускным и выпускным патрубками.3. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что внутренняя часть имеет лежащую внутри измерительной трубы первую главную ось инерции, в основном, соосную с впускным и выпускным патрубками.4. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что внутренняя часть имеет распределение массы, в основном, симметричное оси крутильных колебаний.5. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что ответный вибратор выполнен, в основном, трубчатым и ориентирован, в основном, коаксиально измерительной трубе.6. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что частота крутильных колебаний измерительной трубы и собственная частота крутильных колебаний ответного вибратора максимально одинаковы.7. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что собственная частота крутильных колебаний ответного вибратора больше 0,8-кратного значения частоты крутильных колебаний измерительной трубы.8. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что собственная частота крутильных колебаний ответного вибратора меньше 1,2-кратного значения частоты крутильных колебаний измерительной трубы.9. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что измерительная труба возбуждается одновременно для совершения крутильных и изгибных колебаний.10. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что частота изгибных колебаний измерительной трубы соответствует наименьшей естественной резонансной частоте изгибных колебаний измерительной трубы.11. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что устройство возбуждения (40) выполнено и фиксировано на измерительной трубе (10) и ответном вибраторе (20) так, что создающая изгибные колебания сила действует на измерительную трубу (10) вдоль воображаемой силовой линии, которая проходит вне перпендикулярной первой главной оси инерции второй главной оси инерции или пересекает ее самое большее в одной точке.12. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что устройство возбуждения (40) содержит фиксированную на измерительной трубе (10) катушку возбуждения (41а), через которую при работе, по меньшей мере, временно протекает ток возбуждения и которая через соединенный с ответным вибратором (20) рычаг (41с) и фиксированный в нем якорь (41b) воздействует на измерительную трубу (10) и ответный вибратор (20).13. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что сенсорное устройство (50) содержит расположенную в измерительном преобразователе вне второй главной оси инерции сенсорную катушку (51а) и магнитно-связанный с ней якорь (51b), положение которых по отношению друг к другу, в частности, также расстояние между которыми, изменяется из-за крутильных и, возможно, изгибных колебаний измерительной трубы (10) и ответного вибратора (20), в результате чего в сенсорной катушке (51а), по меньшей мере, временно индуцируется переменное измерительное напряжение.14. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что частота крутильных колебаний измерительной трубы соответствует естественной резонансной частоте основной моды собственных крутильных колебаний измерительной трубы, при которой измерительная труба испытывает скручивание по всей своей длине по существу в одинаковом направлении.15. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что предусмотрены служащие для настройки распределения массы внутренней части, фиксированные на измерительной трубе (10) дополнительные массы (101, 102) и/или выполненные в ответном вибраторе пазы (201, 202).16. Преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что устройство возбуждения (40) содержит, по меньшей мере, две фиксированные на измерительной трубе (10) катушки (41а, 42а) возбуждения для воздействия соответственно через соединенный с ответным вибратором якорь (41b, 42b) на измерительную трубу (10) и ответный вибратор (20).17. Преобразователь по п.1 или 16, характеризующийся тем, что устройство возбуждения (40) и сенсорное устройство (50) выполнены, в основном, одинаковыми по своей механической конструкции.18. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что центр тяжести массы внутренней части лежит максимально точно на продольной оси измерительной трубы, соосной, в частности, с впускным и выпускным патрубками.19. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что внутренняя часть имеет лежащую внутри измерительной трубы первую главную ось инерции, в основном, соосную с впускным и выпускным патрубками.20. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что внутренняя часть имеет распределение массы, в основном, симметричное оси крутильных колебаний.21. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что ответный вибратор выполнен, в основном, трубчатым и ориентирован, в основном, коаксиально измерительной трубе.22. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что частота крутильных колебаний измерительной трубы и собственная частота крутильных колебаний ответного вибратора максимально одинаковы.23. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что частота крутильных колебаний ответного вибратора больше 0,8-кратного значения частоты крутильных колебаний измерительной трубы.24. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что частота крутильных колебаний ответного вибратора меньше 1,2-кратного значения частоты крутильных колебаний измерительной трубы.25. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что устройство возбуждения (40) выполнено и фиксировано на измерительной трубе и ответном вибраторе (20) так, что создающая изгибные колебания сила действует на измерительную трубу (10) вдоль воображаемой силовой линии, которая проходит вне перпендикулярной первой главной оси инерции второй главной оси инерции или пересекает ее самое большее в одной точке.26. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что устройство возбуждения (40) содержит фиксированную на измерительной трубе (10) катушку (41a) возбуждения, через которую при работе, по меньшей мере, временно протекает ток возбуждения и которая через соединенный с ответным вибратором (20) рычаг (41с) и фиксированный в нем якорь (41b) воздействует на измерительную трубу (10) и ответный вибратор (20).27. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что сенсорное устройство (50) содержит расположенную в измерительном преобразователе вне второй главной оси инерции сенсорную катушку (51а) и магнитно-связанный с ней якорь (51b), положение которых по отношению друг к другу, в частности также расстояние между которыми, изменяется из-за крутильных и, возможно, изгибных колебаний измерительной трубы (10) и ответного вибратора (20), в результате чего в сенсорной катушке (51а), по меньшей мере, временно индуцируется переменное измерительное напряжение.28. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что на измерительной трубе (10) фиксированы дополнительные массы, служащие для настройки распределения массы внутренней части, и/или в ответном вибраторе (20) выполнены пазы (201, 202).29. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что устройство возбуждения (40) содержит, по меньшей мере, две фиксированные на измерительной трубе (10) катушки (41а) возбуждения для воздействия соответственно через соединенный с ответным вибратором якорь (41b, 42b) на измерительную трубу (10) и ответный вибратор (20).30. Преобразователь по п.9, характеризующийся тем, что устройство (40) возбуждения и сенсорное устройство (50) выполнены, в основном, одинаковыми по своей механической конструкции.31. Измерительный прибор для измерения вязкости протекающей по трубопроводу жидкости, содержащий измерительный преобразователь по одному из пп.1-30.32. Применение измерительного преобразователя по любому из пп.1 - 30 для измерения вязкости протекающей по трубопроводу жидкости, а также для измерения массового расхода и/или плотности жидкости.