Уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к уравновешиванию сил в кориолисовом расходомере с использованием двух или более разделенных грузов уравновешивания по Y.
2. Постановка задачи
Принцип действия датчиков на основе вибрирующих трубок, например кориолисовых массовых расходомеров, обычно состоит в обнаружении движения вибрирующей трубки, которая содержит текущее вещество. Свойства, связанные с веществом в трубке, например, массовый расход, плотность и т.п., можно определять путем обработки сигналов измерения, поступающих от датчиков движения, связанных с трубкой, тогда как колебательные моды вибрирующей системы, наполненной веществом, обычно зависят от совокупности характеристик массы, жесткости и затухания вмещающей трубки и содержащегося в ней вещества.
Обычный кориолисов массовый расходомер включает в себя одну или несколько трубок, которые включены последовательно в трубопровод или другую транспортную систему и переносят вещество, например, жидкости, суспензии и пр., в системе. Предполагается, что каждая трубка имеет набор собственных колебательных мод, включая, например, простые изгибные, торсионные, радиальные и связанные моды. Применительно к обычному измерению массового расхода по принципу Кориолиса в трубке возбуждается одна или несколько колебательных мод, когда вещество течет по трубке, и движение трубки измеряется в точках, разнесенных по трубке. Возбуждение обычно обеспечивается активатором, например, электромеханическим устройством, например, возбудителем типа звуковой катушки, который действует на трубку с периодически изменяющейся силой. Массовый расход можно определять путем измерения задержки по времени или разности фаз между движениями в местах размещения датчиков.
Величина задержки по времени очень мала; часто измеряется в наносекундах. Поэтому необходимо, чтобы датчик выдавал очень точный выходной сигнал. Точность датчика может снижаться вследствие нелинейностей и асимметрии в конструкции измерителя или вследствие движения, обусловленного внешними силами. Например, если кориолисов массовый расходомер имеет неуравновешенные компоненты, его корпус, фланцы и трубопровод могут вибрировать на частоте возбуждения измерителя. Эта вибрация вносит изменение в сигнал задержки по времени, величина которого зависит от жесткости монтажа. Дополнительно, кориолисов расходомер определяет плотность текучего вещества на основании частоты моды возбуждения. Если мода возбуждения включает в себя движение корпуса, фланцев и трубопровода, это может негативно повлиять на производительность измерения плотности. Поскольку жесткость монтажа обычно неизвестна и может изменяться с течением времени и в зависимости от температуры, влияние неуравновешенных компонентов невозможно скомпенсировать и они могут значительно снижать производительность измерителя. Влияние этих несбалансированных вибраций и вибраций монтажа снижается при использовании уравновешенных конструкций расходомера и с использованием методов обработки сигналов, призванных скомпенсировать нежелательные составляющие движения.
Рассмотренная выше уравновешенная вибрация предусматривает только одно направление колебаний: направление Z. Направление Z - это направление, в котором трубки смещаются, когда вибрируют. Другие направления, включая направление X вдоль трубопровода и направление Y, перпендикулярное направлениям Z и X, не сбалансированы. Эта система координат важна потому, что кориолисовы расходомеры порождают вторичную синусоидальную силу в направлении Y. Эта сила создает вибрацию измерителя в направлении Y, которое не сбалансировано, приводя к ошибке измерителя.
Источником этой вторичной силы является местоположение массы возбуждающего устройства измерителя. Обычное возбуждающее устройство состоит из магнита, прикрепленного к одной трубке, и катушки из проводящего провода, прикрепленной к другой трубке. Колебания в направлении Y обусловлены тем, что центр масс магнита возбудителя и центр масс катушки возбудителя не лежат в соответствующих плоскостях X-Y средней(их) линии(й) расходной(ых) трубки(ок). Плоскости X-Y обязательно разнесены, чтобы трубки не мешали друг другу. Центры масс магнита и/или катушки смещены относительно их плоскостей, потому что катушка должна быть концентричной с концом магнита, чтобы находиться в оптимальном положении в магнитном поле.
Расходная трубка, будучи приведена в колебательное движение, не совершает истинное прямолинейное движение, но циклически изгибается относительно мест, в которых она зафиксирована. Это изгибание можно аппроксимировать вращением относительно фиксированной(ых) точки(ек). Вибрацию можно рассматривать как циклическое вращение под малым углом вокруг ее центра вращения, CR. Угловая амплитуда колебаний определяется из полезной амплитуды колебаний в направлении Z и расстояния, d, от центра вращения центра трубки в положении возбудителя. Угловая амплитуда колебаний, Δθ, определяется из следующего соотношения:
Смещение центра масс компонента возбудителя (устройства магнита или катушки) относительно средней линии трубки приводит к тому, что центр масс компонента возбудителя имеет Y-составляющую своей вибрации. Масса компонента возбудителя обычно имеет смещение в направлении Z, которое, по меньшей мере, равно радиусу трубки. Таким образом, угловым смещением, Φ, относительно средней линии трубки пренебрегать нельзя. Масса компонента возбудителя колеблется относительно его положения смещения с той же угловой амплитудой, что и расходная трубка, Δθ. Аппроксимируя движение массы возбудителя как перпендикулярное линии, соединяющей центр масс возбудителя с центром вращения, CR, можно вывести перемещение массы возбудителя в направлении Y, ΔYm, следующим образом:
Движение массы компонента возбудителя в направлении Y заставляет весь измеритель вибрировать в направлении Y. Согласно закону сохранения импульса для свободно подвешенного измерителя вибрация всего измерителя в направлении Y равна амплитуде колебаний в направлении Y массы возбудителя, умноженной на отношение массы возбудителя к массе измерителя. Эти колебания в направлении Y всего измерителя являются прямым результатом полезной вибрации трубки в направлении Z совместно с угловым смещением центров масс возбуждающих компонентов. Эта связь между полезными колебаниями трубки и нежелательными колебаниями в направлении Y всего измерителя означает, что гашение колебаний измерителя в направлении Y гасит колебания расходной трубки в направлении Z и что жесткий монтаж измерителя приводит к увеличению частоты колебаний трубки, тогда как мягкий монтаж измерителя приводит к снижению частоты колебаний трубки. Изменение частоты колебаний трубки в зависимости от жесткости монтажа наблюдалось в экспериментах над измерителями с высокой амплитудой колебаний по Y. Это создает проблему, поскольку частота колебаний трубки используется для определения плотности жидкости и частота также указывает жесткость трубки. Изменение жесткости трубки в соответствии с жесткостью приводит к изменению калибровочного коэффициента измерителя. Прямая связь между вибрацией возбудителя и локальной средой также приводит к нестабильному нулю (сигнал расхода в отсутствие потока) измерителя.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение помогает решить проблемы, связанные с неуравновешенными вибрационными силами с использованием системы противовесов, которая имеет размеры и положение, позволяющие уравновешивать систему возбуждения. Преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения позволяет поддерживать, по существу, постоянный калибровочный коэффициент массового расхода в широком диапазоне возможных плотностей текучего вещества.
Некоторые примеры системы противовесов включают в себя два или более грузов уравновешивания по Y и две или более соединительных деталей, которые соединяют два или более грузов уравновешивания по Y с расходной трубкой. По меньшей мере, первый груз уравновешивания по Y присоединен к расходной трубке в первом положении между первым узлом трубки и системой возбуждения и, по меньшей мере, второй груз уравновешивания по Y присоединен к расходной трубке во втором положении между системой возбуждения и вторым узлом трубки. Два или более грузов уравновешивания по Y имеют такие размеры и положения, что объединенный центр масс возбудителя плюс два или более грузов уравновешивания по Y лежит, по существу, в плоскости X-Y средней линии трубки.
В некоторых примерах два или более уравновешивающих устройств, именуемых активными y-противовесами, могут быть сконфигурированы на расходной(ых) трубке(ах). Активный y-противовес содержит массу, соединенную с одним концом соединительной детали, тогда как другой конец соединительной детали присоединен к расходной трубке между возбудителем и осью изгиба W. Активные y-противовесы можно использовать на одной или обеих трубках в зависимости от положений центров масс магнита и катушки и типа конфигурации расходомера (т.е. с одной или двумя трубками).
Активный y-противовес действует с использованием движения трубки в направлении Z для перемещения массы активного y-противовеса в направлении Y. Можно сделать так, чтобы импульс в направлении Y активного y-противовеса компенсировал импульс в направлении Y возбуждающих компонентов, тем самым препятствуя нежелательному движению корпуса и окружения. Согласно принципу эквивалентности это также делает измеритель нечувствительным к внешним колебаниям и затуханию.
Аспекты изобретения
Аспект изобретения предусматривает кориолисов расходомер, содержащий:
по меньшей мере, одну расходную трубку, причем, по меньшей мере, одна расходная трубка включает в себя первый узел трубки и второй узел трубки и включает в себя ось изгиба W, которая пересекается с расходной трубкой в первом узле трубки и во втором узле трубки, в котором, по меньшей мере, одна расходная трубка колеблется относительно оси изгиба W;
систему возбуждения, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой; и
систему противовесов, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой, причем система противовесов содержит два или более груза уравновешивания по Y и две или более соединительных деталей, которые соединяют два или более грузов уравновешивания по Y с, по меньшей мере, одной расходной трубкой, в котором по меньшей мере, первый груз уравновешивания по Y присоединен к, по меньшей мере, одной расходной трубке в первом положении между первым узлом трубки и системой возбуждения и, по меньшей мере, второй груз уравновешивания по Y присоединен к по меньшей мере, одной расходной трубке во втором положении между системой возбуждения и вторым узлом трубки.
Предпочтительно, система возбуждения располагается на расстоянии по вертикали Yd над осью изгиба W, первый груз уравновешивания по Y располагается на расстоянии по вертикали Yw1 над осью изгиба W, и второй груз уравновешивания по Y располагается на расстоянии по вертикали Yw2 над осью изгиба W.
Предпочтительно, первое отношение Yd/Yw1, по существу, равно одному с половиной.
Предпочтительно, первое отношение Yd/Yw1, по существу, равно второму отношению Yd/Yw2.
Предпочтительно, первое отношение Yd/Yw1 и второе отношение Yd/Yw2 сконфигурированы так, что отношение частоты возбуждения к частоте кручения WDRIVE/WTWIST, по существу, постоянно при изменениях плотности жидкости жидкой среды в, по меньшей мере, одной расходной трубке.
Предпочтительно, два или более грузов уравновешивания по Y и две или более соединительных деталей постоянно присоединены к, по меньшей мере, одной расходной трубке.
Предпочтительно, два или более грузов уравновешивания по Y и две или более соединительных деталей присоединены с возможностью отделения к, по меньшей мере, одной расходной трубке.
Предпочтительно, две или более соединительных деталей могут, по меньшей мере, частично деформироваться в соответствии с движением, по меньшей мере, одной расходной трубки.
Предпочтительно, деформация двух или более соединительных деталей и двух или более грузов уравновешивания по Y приводит к тому, что собственная частота системы противовесов оказывается меньше частоты возбуждения расходомера.
Предпочтительно, система противовесов колеблется, по существу, не в фазе с, по меньшей мере, одной расходной трубкой.
Предпочтительно, система противовесов имеет такие размеры и положение, что объединенный центр масс системы возбуждения и системы противовесов лежит, по существу, вблизи плоскости средней линии, по меньшей мере, одной расходной трубки.
Предпочтительно, система противовесов располагается на, по существу, противоположной стороне, по меньшей мере, одной расходной трубки относительно системы возбуждения.
Предпочтительно, система противовесов располагается на, по существу, противоположной стороне, по меньшей мере, одной расходной трубки относительно системы возбуждения и под углом, по существу, сорок пять градусов к горизонтальной плоскости расходной трубки.
Предпочтительно, система противовесов имеет такие размеры и положение, что импульс системы противовесов по существу, равен и, по существу, противоположен импульсу системы возбуждения в направлении, по существу, перпендикулярном движению возбудителя.
Предпочтительно, масса Msplit отдельного груза уравновешивания по Y содержит, по существу, половину массы единого, размещенного на возбудителе, груза Msingle, умноженную на куб отношения расстояния по вертикали Yd системы возбуждения над осью изгиба W, к расстоянию по вертикали Yw отдельного груза уравновешивания по Y над осью изгиба W.
Дополнительный аспект изобретения предусматривает способ уравновешивания сил в кориолисовом расходомере, способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают, по меньшей мере, одну расходную трубку, причем, по меньшей мере, одна расходная трубка включает в себя первый узел трубки и второй узел трубки и дополнительно включает в себя ось изгиба W, которая пересекается с расходной трубкой в первом узле трубки и во втором узле трубки, в котором, по меньшей мере, одна расходная трубка колеблется относительно оси изгиба W;
обеспечивают систему возбуждения, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой; и
обеспечивают систему противовесов, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой, причем система противовесов содержит два или более груза уравновешивания по Y и две или более соединительных деталей, которые соединяют два или более грузов уравновешивания по Y с, по меньшей мере, одной расходной трубкой, в котором, по меньшей мере, первый груз уравновешивания по Y присоединен к, по меньшей мере, одной расходной трубке в первом положении между первым узлом трубки и системой возбуждения и, по меньшей мере, второй груз уравновешивания по Y присоединен к, по меньшей мере, одной расходной трубке во втором положении между системой возбуждения и вторым узлом трубки.
Предпочтительно, система возбуждения располагается на расстоянии по вертикали Yd над осью изгиба W, первый груз уравновешивания по Y располагается на расстоянии по вертикали Yw1 над осью изгиба W, и второй груз уравновешивания по Y располагается на расстоянии по вертикали Yw2 над осью изгиба W.
Предпочтительно, первое отношение Yd/Yw1, по существу, равно одному с половиной.
Предпочтительно, первое отношение Yd/Yw1, по существу, равно второму отношению Yd/Yw2.
Предпочтительно, первое отношение Yd/Yw1 и второе отношение Yd/Yw2 подобраны так, что отношение частоты возбуждения к частоте кручения ωDRIVE/ωTWIST, по существу, постоянно при изменениях плотности жидкости жидкой среды в, по меньшей мере, одной расходной трубке.
Предпочтительно, два или более груза уравновешивания по Y и две или более соединительных деталей постоянно присоединены к, по меньшей мере, одной расходной трубке.
Предпочтительно, два или более груза уравновешивания по Y и две или более соединительных деталей присоединены с возможностью отделения к, по меньшей мере, одной расходной трубке.
Предпочтительно, две или более соединительных деталей могут, по меньшей мере, частично деформироваться в соответствии с движением, по меньшей мере, одной расходной трубки.
Предпочтительно, деформация двух или более соединительных деталей и двух или более грузов уравновешивания по Y приводит к тому, что собственная частота системы противовесов оказывается меньше частоты возбуждения расходомера.
Предпочтительно, система противовесов колеблется, по существу, не в фазе с, по меньшей мере, одной расходной трубкой.
Предпочтительно, система противовесов имеет такие размеры и положение, что объединенный центр масс системы возбуждения и системы противовесов лежит, по существу, вблизи плоскости средней линии, по меньшей мере, одной расходной трубки.
Предпочтительно, система противовесов располагается на, по существу, противоположной стороне, по меньшей мере, одной расходной трубки относительно системы возбуждения.
Предпочтительно, система противовесов располагается на, по существу, противоположной стороне, по меньшей мере, одной расходной трубки относительно системы возбуждения и под углом, по существу, сорок пять градусов к горизонтальной плоскости расходной трубки.
Предпочтительно, система противовесов имеет такие размеры и положение, что импульс системы противовесов, по существу, равен и, по существу, противоположен импульсу системы возбуждения в направлении, по существу, перпендикулярном движению возбудителя.
Предпочтительно, масса Msplit отдельного груза уравновешивания по Y содержит, по существу, половину массы единого, размещенного на возбудителе, груза Msingle, умноженную на куб отношения расстояния по вертикали Yd системы возбуждения над осью изгиба W к расстоянию по вертикали Yw отдельного груза уравновешивания по Y над осью изгиба W.
Описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует кориолисов расходомер, содержащий измерительное устройство и электронный блок измерителя;
Фиг.2 иллюстрирует систему возбуждения согласно одному варианту осуществления кориолисова расходомера;
Фиг.3 иллюстрирует вид в разрезе по оси X расходной трубки кориолисова расходомера;
Фиг.4 иллюстрирует систему противовесов в первом примере изобретения;
Фиг.5 иллюстрирует систему противовесов в другом примере изобретения; и
Фиг.6 иллюстрирует систему противовесов в еще одном примере изобретения.
Подробное описание изобретения
На Фиг.1-6 и в нижеследующем описании приведены конкретные примеры, поясняющие специалистам в данной области, как использовать наилучший вариант осуществления изобретения. Для выявления принципов изобретения некоторые традиционные аспекты упрощены или опущены. Специалисты в данной области могут предложить варианты этих примеров, отвечающие объему изобретения. Специалистам в данной области техники очевидно, что описанные ниже признаки можно комбинировать по-разному для формирования различных вариантов изобретения. В результате изобретение ограничивается не конкретными примерами, описанными ниже, но только формулой изобретения и ее эквивалентами.
На Фиг.1 показан кориолисов расходомер 5, содержащий расходомерное устройство 10 и электронный блок 20 измерителя. Электронный блок 20 измерителя подключен к измерительному устройству 10 проводниками 100 для обеспечения плотности, массового расхода, объемного расхода, суммарного массового расхода, температуры и другой информации по пути 26. Специалистам в данной области следует понимать, что настоящее изобретение можно использовать применительно к любому типу кориолисова расходомера независимо от количества возбудителей, тензодатчиков, расходных трубок или используемых типов колебаний.
Расходомерное устройство 10 включает в себя два фланца 101 и 101', коллекторы 102 и 102', возбудитель 104, тензодатчики 105-105' и расходные трубки 103A и 103B. Возбудитель 104 и тензодатчики 105 и 105' присоединены к расходным трубкам 103A и 103B. Расходомерное устройство 10 также может включать в себя датчик температуры (не показан).
Фланцы 101 и 101' присоединены к коллекторам 102 и 102'. Коллекторы 102 и 102' присоединены к противоположным концам прокладки 106. Прокладка 106 поддерживает расстояние между коллекторами 102 и 102' во избежание нежелательных вибраций в расходных трубках 103A и 103B. Когда расходомерное устройство 10 вставлено в трубопроводную систему (не показана), по которой переносится измеряемое вещество, вещество поступает в расходомерное устройство 10 через фланец 101, проходит через впускной коллектор 102, где весь объем вещества направляется в расходные трубки 103A и 103B, течет по расходным трубкам 103A и 103B и поступает в выпускной коллектор 102', где покидает измерительное устройство 10 через фланец 101'.
Расходные трубки 103A и 103B выбираются и надлежащим образом монтируются на впускном коллекторе 102 и выпускном коллекторе 102', чтобы иметь, по существу, одинаковые распределения массы, моменты инерции и модули упругости относительно оси изгиба W-W и W'-W' соответственно. Расходные трубки выступают из коллекторов и проходят практически параллельно.
Расходные трубки 103A-B приводятся в движение возбудителем 104 в противоположных направлениях относительно соответствующих осей изгиба W и W' в так называемой первой расфазированной изгибной моде расходомера. Возбудитель 104 может содержать одну или много общеизвестных конструкций, например, магнит, установленный на расходной трубке 103A, и противоположную катушку, установленную на расходной трубке 103B. Переменный ток пропускают через противоположную катушку, чтобы заставить обе трубки колебаться. Электронный блок 20 измерителя подает подходящий сигнал возбуждения, по проводнику 110 на возбудитель 104. Описание Фиг.1 приведено только в порядке примера работы кориолисова расходомера и не призвано ограничивать принципы настоящего изобретения.
Электронный блок 20 измерителя принимает сигналы датчиков по проводникам 111 и 111', соответственно. Электронный блок измерителя 20 вырабатывает сигнал возбуждения в проводнике 110, который заставляет возбудитель 104 раскачивать расходные трубки 103A и 103B. Электронный блок 20 измерителя обрабатывает левый и правый сигналы скорости от тензодатчиков 105 и 105' для вычисления массового расхода. Путь 26 обеспечивает средство ввода и вывода, которое позволяет электронному блоку 20 измерителя взаимодействовать с оператором.
Фиг.2 иллюстрирует систему возбуждения 104 согласно одному варианту осуществления кориолисова расходомера 5. Согласно предпочтительному иллюстративному варианту осуществления возбудитель 104 представляет собой устройство катушки и магнита. Специалисту в данной области очевидно, что можно использовать и другие типы систем возбуждения.
Возбудитель 104 содержит магнитное устройство 210 и катушечное устройство 220. Скобы 211 выступают наружу в противоположных направлениях от магнитного устройства 210 и катушечного устройства 220. Скобы 211 представляют собой крылышки, выступающие наружу от плоского основания, и имеют, по существу, искривленный край 290 на нижней стороне, который сформирован для приема расходной трубки 103A или 103B. Искривленные края 290 скоб 211 затем привариваются или некоторым другим образом присоединяются к расходным трубкам 103A и 103B для присоединения возбудителя 104 к кориолисову расходомеру 5.
Магнитное устройство 210 имеет магнитодержатель 202 в качестве основания. Скобы 211 выступают от первой стороны магнитодержателя 202. Стенки 213 и 214 выступают наружу от внешних краев второй стороны магнитодержателя 202. Стенки 213 и 214 управляют направлением магнитного поля магнита 203, перпендикулярного обмоткам катушки 204.
Магнит 203 представляет собой, по существу, цилиндрический магнит, имеющий первый и второй концы. Магнит 203 вставлен в магнитную муфту (не показана). Магнитная муфта и магнит 203 присоединены ко второй поверхности магнитодержателя 202 для закрепления магнита 203 в магнитном устройстве 210. Магнит 203 обычно имеет полюсный наконечник (не показан), присоединенный к его второй стороне. Полюсный наконечник магнита (не показан) - это колпачок, прикрепленный ко второму концу магнита 203 для направления магнитных полей в катушку 204.
Катушечное устройство 220 включает в себя катушку 204 и каркас 205 катушки. Каркас 205 катушки присоединен к скобе 211. Каркас 205 катушки имеет бобину, выступающую от первой поверхности, на которую намотана катушка 204. Катушка 204 смонтирована на каркасе 205 катушки напротив магнита 203. Катушка 204 подключена к проводнику 110, по которому переменный ток поступает в катушку 204. Переменный ток заставляет катушку 204 и магнит 203 притягиваться друг к другу и отталкиваться друг от друга, что в свою очередь заставляет расходные трубки 103A и 103B колебаться в противофазе друг другу.
Фиг.3 иллюстрирует упрощенный вид в разрезе по оси X расходной трубки 103. Расходная трубка 103 присоединена к возбудителю 104. Возбудитель 104 смещен относительно расходной трубки 103 на Φ. Расходная трубка 103 перемещается в направлении Z с амплитудой ΔZ. По мере того, как расходная трубка 103 совершает прямолинейное перемещение в направлении Z, ее фиксированное положение приводит к ее повороту вокруг ее центра вращения, CR, что дает угловую амплитуду, Δθ. Возбудитель 104 и связанный с ним центр масс, CM, вращается с той же угловой амплитудой, Δθ, что и расходная трубка 103. Однако вследствие угла смещения, Φ, центр масс CM возбуждающего компонента колеблется вверх и вниз относительно линии L. Это обеспечивает вертикальное перемещение ΔYm центра масс CM возбуждающего компонента.
Фиг.4 иллюстрирует систему 400 противовесов в первом примере изобретения. Система 400 противовесов включает в себя грузы 401 и 402 уравновешивания по Y, присоединенные к расходным трубкам 103A и 103B. Присоединение грузов 401 и 402 уравновешивания по Y можно осуществлять различными методами, включая механическое присоединение, сварку, пайку или приклеивание. Груз 401 уравновешивания по Y имеет центр масс CMb1. Груз 401 уравновешивания по Y имеет такие размеры и положение, что его центр масс CMb1 совместно с центром масс CMс катушечного устройства дает объединенный центр масс CCM1, который располагается в плоскости X-Y трубки 103A. Кроме того, груз 402 уравновешивания по Y имеет центр масс CMb2. Груз 402 уравновешивания по Y имеет такие размеры и положение, что его центр масс CMb2 совместно с центром масс CMm магнитного устройства образует объединенный центр масс CCM2, который располагается в плоскости X-Y трубки 103B. Конкретные атрибуты грузов уравновешивания по Y таковы, что произведение массы на скорость груза уравновешивания по Y равно и противоположно произведению массы на скорость возбуждающего устройства, в направлении Y, для каждой расходной трубки, что выражается:
Другими словами, импульс груза уравновешивания по Y компенсирует импульс возбуждающего устройства, присоединенного к конкретной трубке, что выражается:
Фиг.5 иллюстрирует систему 500 противовесов в другом примере изобретения. Система 500 противовесов включает в себя грузы 501 и 502 уравновешивания по Y, присоединенные к расходным трубкам 103A и 103B с использованием пластинчатых пружин 504 и 505. Пластинчатая пружина 504 согласно этому варианту осуществления ориентирована под углом приблизительно 45 градусов к плоскости X-Y и присоединена к противоположной стороне расходной трубки относительно катушечного устройства 220. Жесткость пластинчатой пружины 504 и массу груза 501 уравновешивания по Y выбирают так, чтобы собственная частота активного у-противовеса в его первой колебательной моде (моде колебаний трамплина) была ниже частоты возбуждения измерителя. Когда собственная частота ниже частоты возбуждения (возбудителя), груз 501 стремится двигаться не в фазе с трубкой 103А. Таким образом, когда трубка 103А перемещается влево (в направлении -Z), активный у-противовес 501 перемещается вправо (+Z) относительно трубки. Но ввиду угла пластинчатой пружины 504 относительно плоскости X-Y пластинчатая пружина 504 ограничивает движение груза 501 вправо и вниз (+Z и -Y). Это выгодно потому, что когда трубка 103А перемещается влево, устройство 220 катушки смещения перемещается влево и вверх (-Z и +Y). Выбирая массу и жесткость пружины таким образом, чтобы импульс (масса, умноженная на скорость) в направлении Y активного у-противовеса был равен и противоположен импульсу в направлении Y компонентов возбудителя смещения, можно почти устранить внешнее вибрирование в направлении Y всего измерителя. Те же принципы конструкции применяют к трубке 103В.
Этот второй пример имеет дополнительное преимущество. Поскольку грузы 501 и 502 подвешены на трубках 103А и 103В пластинчатыми пружинами 504 и 505, они колеблются не в фазе с расходными трубками 103А и 103В, в результате чего с расходными трубками 103А и 103В связана очень малая часть их массы.
Следует понимать, что угол и ориентация пластинчатых пружин 504 и грузов 501 на фигуре приведены в порядке примера. Угол и ориентация пластинчатых пружин 504 и грузов 501 можно изменять, не выходя за рамки изобретения.
Фиг.6 иллюстрирует систему 600 противовесов в еще одном примере изобретения. Согласно этому варианту осуществления система 600 противовесов включает в себя расходную трубку 103, имеющую первый узел 603a трубки и второй узел 603b трубки, систему возбуждения 104, тензодатчики 105 и 105', по меньшей мере, первый и второй грузы 601a и 601b уравновешивания по Y, и по меньшей мере, первую и вторую соединительные детали 602a и 602b. Тензодатчики 105 и 105' располагаются между системой 104 возбуждения и первым узлом 603a трубки и вторым узлом 603b трубки. Следует понимать, что форма расходной трубки 103 на этой фигуре приведена в порядке примера и расходная трубка 103 может содержать другие геометрии. Также следует понимать, что положения грузов 601a и 601b уравновешивания по Y также иллюстративны и положения могут варьироваться в соответствии с веществом расходной трубки, геометрией расходной трубки, текучим веществом, температурой, вибрацией возбудителя, массой возбудителя, массой тензодатчиков, допусками конструкции и т.д.
Расходная трубка 103 может содержать однотрубный расходомер или может содержать компонент двухтрубного расходомера (см. Фиг.5). Расходная трубка 103 колеблется относительно оси изгиба W (см. также центр вращения CR на Фиг.3). Ось изгиба W пересекает расходную трубку в первом узле 603a трубки и во втором узле 603b трубки.
Грузы 601 уравновешивания по Y и соединительные детали 602 присоединены к расходной трубке 103. Первый груз 601a уравновешивания по Y и первая соединительная деталь 602a могут быть присоединены к расходной трубке 103 между первым узлом трубки 603a и системой 104 возбуждения. Аналогично, второй груз 601b уравновешивания по Y и вторая соединительная деталь 602b могут быть присоединены к расходной трубке 103 между системой возбуждения 104 и вторым узлом 603b трубки. Первый груз 601a уравновешивания по Y и второй груз 601b уравновешивания по Y могут быть постоянно или с возможностью отсоединения присоединены к расходной трубке 103 соответствующими первой соединительной деталью 602a и второй соединительной деталью 602b. Кроме того, присоединенная с возможностью отсоединения соединительная деталь 602 может содержать присоединенную с возможностью скольжения соединительную деталь 602, которая может быть установлена с возможностью скольжения на расходной трубке 103.
Два или более грузов уравновешивания по Y 601 используются для осуществления точного и эффективного уравновешивания по Y расходомера 5, но без влияния на характеристику калибровки расхода расходомера 5. Проблема, возникающая при использовании одного груза уравновешивания по Y, присоединенного в одной точке на расходной трубке 103, состоит в том, что калибровочный коэффициент расхода может изменяться, когда расходомер 5 используется для жидкостей с разными плотностями. Чтобы расходомер 5 имел калибровочный коэффициент расхода, не зависящий от плотности жидкости, распределение массы, добавленной к расходной трубке 103, должно быть таково, чтобы отношение частоты возбуждения к частоте кручения (т.е. ωDRIVE/ωTWIST) оставалось постоянным при любых и всяческих изменениях плотности жидкости.
В обычном расходомере с U-образной трубкой расходная трубка 103 вибрирует на частоте возбуждения. Частоту возбуждения выбирают, по существу, совпадающей с резонансной частотой расходной трубки 103. Результирующая мода вынужденных колебаний (т.е. первая расфазированная изгибная мода) включает в себя стационарные узлы на концах расходной трубки 103, тогда как точка максимальной амплитуды колебаний оказывается в центре расходной трубки 103, т.е. в месте размещения системы 104 возбуждения. Например, эти концевые узлы могут содержать узлы 603a и 603b, показанные на Фиг.6.
Крутильная мода колебаний возбуждается силой Кориолиса, обусловленной течением жидкости. Именно колебания трубки в крутильной моде создают задержку по времени, которая измеряется электронным блоком. В крутильной моде колебаний (т.е. второй расфазированной изгибной моде) расходная трубка 103 имеет стационарные узлы на концах расходной трубки и дополнительно включает в себя стационарный узел в центре (т.е. в месте размещения системы 104 возбуждения). Поэтому в крутильной моде максимальная амплитуда расходной трубки 103 оказывается в двух точках, расположенных между системой 104 возбуждения и концевыми узлами.
Крутильная мода имеет резонансную частоту кручения, которая обычно выше частоты возбуждения. Однако сила Кориолиса имеет наибольшую амплитуду на частоте возбуждения, а не на более высокой частоте кручения и, предпочтительно, измеряется на частоте возбуждения. Резонансная частота крутильной моды колебаний обычно выше резонансной частоты моды возбуждения колебаний. Поэтому результирующая амплитуда колебаний является функцией разности частот между частотой возбуждения и резонансной частотой кручения. Если эти две частоты близки, амплитуда кручения велика. Если они сильно отличаются, амплитуда кручения мала. Отсюда следует, что отношение частот между частотой возбуждения и резонансной частотой кручения нужно поддерживать постоянным, чтобы поддерживать калибровочный коэффициент расхода расходомера на постоянном уровне.
Частоты возбуждения и кручения изменяются при изменении плотности жидкости. Размещение массы на расходной трубке определяет, остается ли отношение частот постоянным. Поскольку мода возбуждения в обычном расходомере с U-образной трубкой включает в себя узлы на концах расходной трубки 103 и поскольку точка максимальной амплитуды оказывается в центре, размещение дополнительной массы в системе 104 возбуждения позволяет снизить частоту возбуждения и ослабить влияние изменения плотности жидкости на частоту возбуждения. В крутильной моде, где узлы существуют на обоих концах каждой расходной трубки, а также в центре, размещение дополнительной массы в системе 104 возбуждения не оказывает влияния на крутильную моду ввиду наличия центрального узла. Однако размещение массы в точках максимального отклонения в крутильной моде (между системой 104 возбуждения и концевыми узлами) снижает чувствительность крутильной моды к изменениям плотности жидкости.
Исправление этого недостатка состоит в формировании системы 600 противовесов, включающей в себя, по меньшей мере, два разнесенных груза 601 уравновешивания по Y по обе стороны системы 104 возбуждения. По меньшей мере, два груза 601 уравновешивания по Y располагаются выше и ниже относительно системы 104 возбуждения, как показано на фигуре. Таким образом, масса грузов уравновешивания по Y может размещаться на расстоянии от системы 104 возбуждения, чтобы частоты возбуждения и кручения изменялись надлежащим образом при изменениях плотности жидкости. Это расстояние относительно системы 104 возбуждения можно определить, например, посредством анализа методом конечных элементов (FEA), и оно было определено как расстояние, на котором отношение частот (ωDRIVE/ωTWIST) остается постоянным при изменениях плотности жидкости. Одновременно можно подбирать размер этих грузов таким образом, чтобы правильно уравновешивать измеритель в направлении Y.
Система 104 возбуждения располагается на расстоянии по вертикали Yd над осью изгиба W. Первый груз 601a уравновешивания по Y располагается на расстоянии по вертикали Yw1 над осью изгиба W. Второй груз 601b уравновешивания по Y располагается на расстоянии по вертикали Yw2 над осью изгиба W. Таким образом, два или более грузов 601a и 601b уравновешивания по Y расположены в соответствии с отношением расстояний по Y, например, Yd/Yw1 и Yd/Yw2. Согласно одному варианту осуществления одно или оба отношений могут быть, по существу, равны одному с половиной (т.е. Yd/Yw=11/2). Согласно другому варианту осуществления, предусматривающему другую геометрию расходной трубки (и прочие факторы), отношения могут быть, по существу, равны двум. Однако при желании можно использовать и другие значения. Согласно одному варианту осуществления первое отношение Yd/Yw1, по существу, равно второму отношению Yd/Yw2 (т.е. Yd/Yw1=Yd/Yw2). Однако следует понимать, что расстояния могут меняться в соответствии с размером и характеристиками, допусками конструкции и пр. расходной трубки, и поэтому расстояния могут определять любую величину отношения. Кроме того, два отношения Yd/Yw1 и Yd/Yw2 могут отличаться и не обязаны быть равными.
Фактические положения грузов 601 уравновешивания по Y и, следовательно, расстояния Yw1 и Yw2 можно определять экспериментально или методом итераций, например с использованием анализа методом конечных элементов (FEA). Полезный результат FEA поддерживает, по существу, постоянное отношение ωDRIVE/ωTWIST при изменениях плотности жидкости жидкой среды в расходной трубке 103. Таким образом, полезный результат FEA ограничивает движение по Y приемлемым уровнем. Согласно одному варианту осуществления приблизительная начальная точка для расчета методом FEA соответствует первоначальному размещению грузов 601 уравновешивания по Y на полпути по вертикали к тензодатчикам 105 и 105' (т.е. отношения расстояний Yd/Yw1 и Yd/Yw2 приблизительно равны 2 и создает угол относительно горизонтали приблизительно 45 градусов).
Кроме того, когда определено положение, нужно вычислять массу каждого груза 601 уравновешивания по Y. Масса Msplit каждого отдельного разделенного груза 601 уравновешивания по Y должна быть больше, чем масса Msingle единого груза уравновешивания по Y, размещенного в системе возбуждения 104, для достижения того же эффекта уравновешивания масс. Массу Msplit отдельного груза 601a или 601b уравновешивания по Y можно приближенно определить с использованием формулы:
Следовательно, когда расстояние по вертикали Yw уменьшается, вышеприведенная формула дает увеличение массы Msplit.
Как и для рассмотренных выше груза 501 уравновешивания по Y и пластинчатой пружины 504, показанных на Фиг.5, соединительные детали 602a и 602b могут быть, по меньшей мере, частично деформируемыми. Например, соединительная деталь 602 может содержать пружину или пластинчатую пружину. Следовательно, соединительные детали 602a и 602b могут деформироваться в соответствии с движением расходной трубки 103. Деформация двух или более соединительных деталей 602 и двух или более грузов 601 уравновешивания по Y приводит к тому, что собственная частота системы 600 противовесов оказывается меньше частоты возбуждения расходомера 5. В результате система 600 противовесов может колебаться не в фазе с расходной трубкой 103.
Система 600 противовесов согласно одному варианту осуществления имеет такие размеры и положение, что объединенный центр масс системы возбуждения 104 и системы 600 противовесов лежит, по существу, вблизи плоскости средней линии расходной трубки 103. Согласно одному варианту осуществления система 600 противовесов размещена на, по существу, противоположной стороне расходной трубки 103 относительно системы 104 возбуждения (см. Фиг.5). Согласно одному варианту осуществления система 600 противовесов размещена на, по существу, противоположной стороне расходной трубки 103 относительно системы 104 возбуждения и под углом, по существу, сорок пять градусов к горизонтальной плоскости расходной трубки 103. Система 600 противовесов согласно одному варианту осуществления имеет такие размеры и положение, что импульс системы 600 противовесов, по существу, равен и противоположен импульсу системы 104 возбуждения в направлении, по существу, перпендикулярном движению возбудителя.
Следует понимать, что для решения задач изобретения можно использовать более двух грузов 601 уравновешивания по Y. Кроме того, можно использовать разные количества и конфигурации соединительных деталей 602. Соединительные детали 602 могут включать в себя поперечные связи между грузами 601 уравновешивания по Y, могут включать в себя множественные соединительные детали 602 для каждого груза 601 уравновешивания по Y, могут включать в себя соединительные детали 602 разных форм и размеров, могут включать в себя соединительные детали 602, выполненные из разных материалов, могут включать в себя соединительные детали 602, имеющие различные характеристики деформации, и т.д.
Вышеприведенные примеры не ограничиваются компенсацией смещения массы возбудителя. Например, деформация литья коллектора под действием трубок может приводить к вибрации фланцев измерителя в направлении Y. Если колебания фланца происходят синфазно с колебанием, вызванным смещением массы возбудителя, то уравновешивающую массу можно увеличить, чтобы скомпенсировать дополнительную вибрацию, обусловленную деформацией коллектора. Аналогично, если колебания фланца вследствие деформации коллектора происходят не в фазе с колебанием, вызванным смещением массы возбудителя, то уравновешивающую массу можно уменьшить.
Кориолисовый расходомер содержит систему возбуждения колебаний, по меньшей мере, одной расходной трубки относительно оси изгиба W-W, которая пересекается с расходной трубкой в первом и во втором концевых узлах колебательной моды. К расходной трубке между системой возбуждения и первым и вторым концевыми узлами посредством соединительных деталей присоединены соответственно первый и второй грузы уравновешивания колебаний в направлении по Y. Система противовесов, содержащая грузы уравновешивания колебаний, имеет такие размеры и положение, что объединенный центр масс системы возбуждения и системы противовесов лежит вблизи плоскости X-Y средней линии, по меньшей мере, одной расходной трубки. Изобретение обеспечивает постоянство калибровочного коэффициента массового расхода в широком диапазоне плотностей текучей среды, проходящей через расходную трубку. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 6 ил.
по меньшей мере, одну расходную трубку (103), выполненную с возможностью колебания относительно оси изгиба W-W, которая пересекается с расходной трубкой в концевых узлах колебательной моды, соответственно, в первом узле (603а) и во втором узле (603b),
систему (104) возбуждения колебаний, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой (103), и
систему (600) противовесов, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой (103), причем система (600) противовесов содержит два или более грузов уравновешивания колебаний в направлении по
Y (601а, 601b) и две или более соединительных деталей (602а, 602b), которые соединяют два или более груза (601а, 601b) уравновешивания колебаний в направлении по Y с, по меньшей мере, одной расходной трубкой (103), причем, по меньшей мере, первый груз (601а) уравновешивания колебаний в направлении по Y присоединен к, по меньшей мере, одной расходной трубке (103) в первом положении между первым узлом (603а) и системой (104) возбуждения, и, по меньшей мере, второй груз (601b) уравновешивания колебаний в направлении по Y присоединен к по меньшей мере, одной расходной трубке (103) во втором положении между системой (104) возбуждения и вторым узлом (603b).
обеспечивают, по меньшей мере, одну расходную трубку (103), выполненную с возможностью колебания относительно оси изгиба W-W, которая пересекается с расходной трубкой в концевых узлах колебательной моды, соответственно, в первом узле (603а) и во втором узле (603b),
обеспечивают систему (104) возбуждения колебаний, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой (103), и
обеспечивают систему (600) противовесов, соединенную с, по меньшей мере, одной расходной трубкой (103), причем система (600) противовесов содержит два или более груза (601а, 601b) уравновешивания колебаний в направлении по Y и две или более соединительных деталей (602а, 602b), которые соединяют два или более груза (601а, 601b) уравновешивания колебаний в направлении по Y с, по меньшей мере, одной расходной трубкой (103), причем, по меньшей мере, первый груз (601 а) уравновешивания колебаний в направлении по Y присоединен к, по меньшей мере, одной расходной трубке (103) в первом положении между первым узлом (603а) и системой (104) возбуждения, и, по меньшей мере, второй груз (601b) уравновешивания колебаний в направлении по Y присоединен к, по меньшей мере, одной расходной трубке (103) во втором положении между системой (104) возбуждения и вторым узлом (603b).
| Устройство для закрепления | 1984 |
|
SU1248084A1 |
| US 5323658 A, 28.06.1994 | |||
| Вентиляционная труба | 1980 |
|
SU905488A1 |
| ЭКРАНИРОВАННОЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР КОРИОЛИСОВА ТИПА (ВАРИАНТЫ) | 1990 |
|
RU2107263C1 |
