УПРУГАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ПОТОКА Российский патент 2009 года по МПК G01F1/84 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к вибрационным преобразователям для измерений массового расхода потока, и может быть использовано в нефтегазоперерабатывающей, химической, пищевой отраслях промышленности, например в кориолисовых преобразователях, предназначенных для работы в газовых трубопроводах низкого давления, порядка 0,05…2,0 МПа, через которые природный газ метан подается в компрессорные установки для последующего сжатия.

Известно устройство, содержащее изогнутую S-образно упругую трубу, концы которой жестко закреплены на основании, образующую чувствительную к изменению параметров движения массового потока измеряемой среды систему (патент США № 4422388, G01F 1/84, 1983).

При возбуждении колебаний средней часты трубы устройства в направлении, перпендикулярном плоскости расположения колен S-образной трубы и одновременном протекании через трубу измеряемой среды, амплитудные значения скоростей колебаний трубы являются функциями двух переменных: сигнала возбуждения (т.е. угловой скорости колебаний трубы при отсутствии массового расхода измеряемой среды) и силы Кориолиса F_к, возникающей и действующей на трубу при наличии расхода Q измеряемой среды. Величиной, пропорциональной расходу Q измеряемой среды в этом случае, является разница между сигналами, снимаемыми устройствами для измерения параметров колебаний трубы.

Недостатком устройства является косвенное измерение силы Кориолиса F_к, являющейся мерой расхода Q измеряемой среды, например, через временной сдвиг между двумя сигналами. Кроме того, измерение расхода Q по временному сдвигу двух сигналов допустимо только при малых углах колебаний трубы, так как при больших углах колебаний возрастает погрешность измерений, связанная с нелинейностью аппроксимации значений угла α колебаний трубы значениями tg α, т.е. устройство имеет небольшой динамический диапазон измерений значений массового расхода Q_m. Указанные недостатки обусловливают снижение точности измерений устройства.

Известна упругая подвижная чувствительная система устройства для измерения расхода массы, содержащее изогнутую S-образно с двумя периферийными и центральным прямолинейными участками трубу, концы которой жестко закреплены на основании, раму, жестко связанную с концами центрального прямолинейного участка трубы и через упругие шарниры прикрепленную к основанию с возможностью поворота вокруг оси, расположенной в плоскости S-образной трубы и перпендикулярно центральному прямолинейному участку трубы, датчик силы, смонтированный на кронштейне, причем один конец кронштейна жестко прикреплен к раме, а второй конец кронштейна жестко прикреплен к прямолинейному центральному участку трубы и разделяет последний на два дополнительных участка, причем дополнительные и периферийные участки частично выполнены в виде сильфонов, устройство для измерения параметров колебаний выполнено в виде микромеханического гироскопа, закрепленного на раме, в одном из мест пересечения последней с осью, расположенной в плоскости S-образной трубы и перпендикулярно центральному прямолинейному участку трубы, а рама связана с центральным прямолинейным участком трубы посредством упругих перемычек [патент РФ на полезную модель №61027, G01F 1/84, 2007].

Недостатком этой подвижной системы является невысокая точность и достоверность результатов измерений из-за статической неопределенности конструктивных связей элементов устройства, в частности одновременная жесткая связь - по концам - и упругая - перемычками - рамы с одним и тем же элементом - центральным прямолинейным участком трубы, а также неопределенность ориентации и назначения датчика силы, что в некоторых случаях может привести к невоспроизводимости устройства.

Известна упругая подвижная чувствительная система устройства для измерения параметров потока массы [авт.св. СССР №1778529, МКИ⁷ G01F 1/84, 1992 г.], содержащая основание, связанную с основанием группой упругих шарниров (торсионов) подвижную раму (подвижные кронштейны) и связанный с основанием и подвижной рамой трубопровод, включающий периферийные, петлевые и измерительные участки, в котором, по крайней мере, часть смежных участков соединена между собой и с подвижной рамой посредством двух групп шарниров, взаимозависимых по ориентации. Шарниры одной группы выполнены в виде упругих перемычек цилиндрической формы между смежными участками трубопровода и главное - часть трубопровода, жесткость шарниров первой группы выбрана из условия обеспечения свободного взаимного углового перемещения смежных участков в любой плоскости, проходящей через ось трубопровода в пределах заданного рабочего хода. Другая группа шарниров выполнена в виде комбинации плоских упругих элементов, не являющихся частями трубопровода, связывающих участок трубопровода с подвижной рамой с возможностью перемещения участка трубопровода преимущественно в выбранном рабочем направлении.

Недостатком устройства является опосредованное измерение силы Кориолиса (центральный участок отклоняется на некоторый угол, измеряя параметры этого отклонения судят о значении расхода потока массы), что снижает точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности является упругая подвижная чувствительная система, смонтированная в устройстве для измерения расхода массы [пат. Российской Федерации №2153652, МКИ⁷ G01F 1/84, 2000 г.], содержащая основание, связанную с основанием группами упругих шарниров подвижную раму с перемычками и связанный с основанием и подвижной рамой S-образный трубопровод, включающий расположенные в одной плоскости периферийные, петлевые и прямолинейный измерительный участки. Первый и второй концы прямолинейного центрального участка соединены с соответствующими первыми концами петлевых участков и жестко связаны с подвижной рамой, вторые концы петлевых участков соединены с соответствующими первыми концами периферийных участков и жестко связаны с подвижной рамой, а вторые концы периферийных участков жестко связаны с основанием и предназначены для подключения к трубопроводу с измеряемой средой (потоком массы).

В средней части центрального участка смонтирован кронштейн, охватывающий трубопровод и предназначенный для монтажа датчика силы Кориолиса между серединой прямолинейного участка трубопровода и одной стороной подвижной рамы жестко.

Другими словами, прямолинейный центральный участок представляет собой комбинацию упругих элементов цилиндрической формы, соединенных последовательно с кронштейном, жесткость и упругость которых выбраны из условия обеспечения передачи силы Кориолиса закрепленному на первом кронштейне датчику. Монтаж датчика силы осуществлен посредством шарниров, выполненных в виде комбинации плоских упругих элементов, и жестко прикрепленных к первому кронштейну и подвижной раме, причем, общая ось максимальной жесткости этих шарниров и первого кронштейна расположена перпендикулярно оси прямолинейного центрального участка и перпендикулярно плоскости изгиба трубопровода.

Несмотря на то, что упругая подвижная чувствительная система устройства [пат. Российской Федерации №2153652, МКИ⁷ G01F 1/84, 2000 г.] обеспечивает непосредственное измерение значения силы Кориолиса, тем не менее, она обладает существенными недостатками, а именно: крепление к подвижной раме всех участков трубопровода, выполненного в виде цельного S-образного элемента, вызывает нестабильность пространственного и напряженного состояния прямолинейного центрального участка трубопровода на фоне изменений температуры окружающей среды и локальных изменений давления в трубопроводе при измерениях параметров потока газообразной массы. Это особенно актуально в трубопроводах низкого давления с небольшой толщиной стенок труб, которые монтируются на входах компрессоров, сжимающих газообразную массу до рабочих значений давления. При изменениях температуры окружающей среды или скачках давления в трубопроводе (компрессионные воздействия) петлевые и периферийные участки трубопровода, изменяя свои геометрические размеры, передают через тело трубопровода и подвижную раму на прямолинейный центральный участок напряжения, вызывающие отклонения от номинального положения образующей поверхности последнего (отклонения поверхности могут происходить как вследствие искривления оси прямолинейного центрального участка - при изменениях температуры, либо как следствие отклонения самой поверхности от оси прямолинейного центрального участка - при осесимметричных колебаниях трубопровода вследствие компрессионных воздействий со стороны измеряемого потока массы, последнее характерно для тонкостенных трубопроводов). Как следствие, эти смещения передаются на датчик силы, вызывая погрешности при измерениях полезного сигнала.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений путем стабилизации на протяжении интервала времени работы устройства пространственного и напряженного состояния прямолинейного центрального участка за счет исключения передачи на последний силовых воздействий через подвижную раму, вызванных температурными и компрессионными деформациями смежных участков трубопровода.

Указанный технический результат в упругой чувствительной системе устройства для измерения массового расхода потока, содержащей изогнутый S-образно в плоскости изгиба и жестко закрепленный концами на основании упругий трубопровод с прямолинейным центральным участком, раму с перемычками, связанную с концами прямолинейного центрального участка трубопровода - жестко, а с основанием - плоскими шарнирами, ось минимальной жесткости которых перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода, жестко установленный на середине прямолинейного центрального участка трубопровода кронштейн, между которым и рамой установлен датчик силы Кориолиса посредством размещенных с двух сторон этого датчика вдоль оси его чувствительности двух шарниров, ось максимальной жесткости которых перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода, достигается тем, что в нее введены, по меньшей мере, два дополнительных кронштейна и, по меньшей мере, три пары дополнительных плоских шарниров, причем дополнительные кронштейны жестко закреплены на прямолинейном центральном участке с двух сторон на равном удалении от его середины и связаны с рамой, соответственно, плоскими шарнирами первой дополнительной пары, ось минимальной жесткости которой перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода, плоские шарниры второй дополнительной пары закреплены, соответственно, между серединами петлевых участков S-образного трубопровода и рамой симметрично середине прямолинейного центрального участка, плоские шарниры третьей дополнительной пары закреплены, соответственно, между периферийными участками S-образного трубопровода и рамой симметрично середине прямолинейного центрального участка, а оси минимальной жесткости второй и третьей пары дополнительных плоских шарниров расположены в плоскости изгиба трубопровода.

Кроме того, места крепления шарниров второй дополнительной пары к сторонам рамы и сами эти стороны рамы размещены, соответственно, в плоскостях этих шарниров, параллельных оси прямолинейного центрального участка трубопровода, а места крепления к раме плоских шарниров, связывающих ее с основанием, и места крепления к раме шарниров третьей дополнительной пары размещены, соответственно, в плоскостях этих шарниров, перпендикулярных оси прямолинейного центрального участка трубопровода.

Кроме того, части прямолинейного центрального участка трубопровода между жесткими креплениями рамы и, соответственно, жесткими креплениями дополнительных кронштейнов выполнены в виде упругих перемычек цилиндрической формы.

Кроме того, в этом случае в качестве упругих перемычек цилиндрической формы использованы упругие вставки из материала с жесткостью меньше жесткости материала трубы или сильфоны.

Кроме того, части периферийных участков трубопровода между жестким креплением на основании и плоскими шарнирами третьей пары выполнены в виде упругих перемычек цилиндрической формы.

Кроме того, в этом случае в качестве упругих перемычек цилиндрической формы использованы удлиненные с заданным отношением длины к диаметру или S-образно изогнутые периферийные участки, упругие вставки из материала с жесткостью меньше жесткости материала трубопровода или сильфоны.

Совокупность признаков, включающая дополнительные кронштейны, смонтированные на прямолинейном центральном участке и кольцеобразно охватывающие трубопровод, обеспечивает повышение жесткости образующей поверхности трубопровода центрального участка, т.е. снижает возможность искажений формы, связанной, например, с осесимметричными колебаниями корпуса трубопровода центрального участка вследствие компрессионных воздействий со стороны измеряемого потока массы.

Совокупность признаков, включающая второй и третий кронштейны, смонтированные на прямолинейном центральном участке на равном удалении от первого кронштейна, и плоские шарниры первой дополнительной пары, соединяющие дополнительные кронштейны с подвижной рамой с образованием механизма для плоскопараллельного перемещения прямолинейного центрального участка строго в плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости трубопровода и совмещенной с осью прямолинейного центрального участка, обеспечивает возможность перемещения (или, другими словами, ориентирует ось чувствительности) прямолинейного центрального участка строго в направлении оси чувствительности датчика силы.

Совокупность признаков, включающая плоские шарниры второй дополнительной пары, связывающие средние части петлевых участков трубопровода с подвижной рамой и смонтированные с обеспечением расположения осей максимальной жесткости этих шарниров в плоскостях, совмещенных с образующими сторонами подвижной рамы, расположенными параллельно оси прямолинейного центрального участка, позволяет:

во-первых, обеспечить синфазные перемещения (как единого целого) подвижной рамы и петлевых участков трубопровода, чем исключается передача на прямолинейный центральный участок механических напряжений, вызываемых инерционными силами, действующими на петлевые участки при рабочих колебаниях чувствительной системы;

во-вторых, исключить передачу осевых усилий от периферийных участков через петлевые участки к прямолинейному центральному участку в случаях изменения геометрии упругих перемычек цилиндрической формы (например, эпизодических изменений длины упругих перемычек цилиндрической формы - сильфонов) под действием компрессионных нагрузок со стороны потока измеряемой массы;

в-третьих, плоские шарниры второй дополнительной пары исключают передачу усилий от петлевых участков к прямолинейному центральному участку при изменениях геометрических размеров петли в результате изменения температуры окружающей среды.

Совокупность признаков, включающая плоские шарниры третьей дополнительной пары, связывающие места соединений петлевых участков с упругими перемычками цилиндрической формы с подвижной рамой, и их монтаж с обеспечением совпадения осей максимальной жесткости плоских шарниров третьей дополнительной пары с плоскостями, расположенными перпендикулярно оси прямолинейного центрального участка и пересекающими подвижную раму в местах крепления плоских шарниров крепления рамы к основанию, позволяет исключить передачу внеосевых усилий от периферийных участков к плоским шарнирам второй дополнительной пары в случаях изменения геометрии упругих перемычек цилиндрической формы (например, эпизодических искривлений осевой линии упругих перемычек цилиндрической формы - сильфонов) под действием компрессионных нагрузок со стороны потока измеряемой массы. При отсутствии плоских шарниров третьей дополнительной пары внеосевые нагрузки могут вызвать деформацию упругих перемычек цилиндрической формы в направлениях осей минимальной жесткости и, как следствие, вызвать передачу усилий от петлевых участков к прямолинейному центральному участку.

Таким образом, рассмотренные совокупности вновь введенных признаков позволяют стабилизировать пространственное и напряженное состояние прямолинейного центрального участка на протяжении интервала времени работы устройства.

Далее принимаем следующие обозначения для упрощения изложения описания:

шарниры первой группы - упругие перемычки цилиндрической формы на периферийных участках трубопровода;

шарниры второй группы - плоские шарниры соединения рамы с основанием;

шарниры третьей группы - упругие перемычки цилиндрической формы на прямолинейном центральном участке трубопровода;

шарниры четвертой группы - шарниры для крепления датчика силы;

шарниры пятой группы - плоские шарниры первой дополнительной пары;

шарниры шестой группы - плоские шарниры второй дополнительной пары;

шарниры седьмой группы - плоские шарниры третьей дополнительной пары.

Изобретение изображено на чертежах, где

на фиг.1 показана конструкция подвижной чувствительной системы устройства для измерения параметров потока массы;

на фиг.2 показана конструкция подвижной чувствительной системы устройства для измерения параметров потока массы, вид А, см. фиг.1;

на фиг.3 показаны примеры возможного конструктивного исполнения упругих перемычек цилиндрической формы, вставленных в разрез трубопровода заявляемого устройства;

на фиг.4 показан прямолинейный центральный участок трубопровода и конструкция шарниров четвертой группы;

на фиг.5 показана кинематическая схема подвижной чувствительной системы устройства для измерения параметров потока массы;

фиг.6 - фиг.9 поясняют работу шестой группы шарниров;

фиг.10 и фиг.11 поясняют работу седьмой группы шарниров.

Предлагаемое устройство (см. фиг.1 и 2) содержит изогнутый S-образно в плоскости изгиба упругий трубопровод 1, включающий расположенные в одной плоскости прямолинейный центральный участок 2, который является первичным чувствительным элементом, петлевые участки 3, 4 и периферийные участки 5 и 6. Концы трубопровода 1 снабжены фланцами для подключения к внешнему трубопроводу и жестко прикреплены кронштейнами 7 и 8 к основанию 9. Концы 10 и 11 прямолинейного центрального участка 2 присоединены к концам 12 и 13 соответственно петлевых участков 4 и 3 и жестко связаны посредством фланцев 15 и 16 с подвижной рамой 14, имеющей перемычки 43. Концы 17 и 18 петлевых участков 3 и 4 присоединены соответственно к концам 19 и 20 периферийных участков 5 и 6. Периферийные участки 5 и 6 представляют собой участки трубопровода, содержащие упругие элементы (перемычки, оболочки) цилиндрической формы (упругие перемычки цилиндрической формы, вставленные в разрыв трубопровода, главное - первая группа шарниров). Конструктивно шарниры первой группы могут быть выполнены, например, в виде «длинных» (отношение длины к диаметру 20:1…30:1) периферийных участков 5, 6, см. фиг.3а, или в виде упругих вставок 21, 22 (см. фиг.1, 2) в разрыв трубопровода, например, из отрезков труб из эластичного материала (резина, резинокордовая композиция, полиуретан или иная пластмасса) или в виде отрезков труб, изогнутых S-образно в плоскостях, содержащих оси периферийных участков трубопровода см. фиг.3б, или в виде гофрированных отрезков труб (сильфонов), см. фиг.3в. Подвижная рама 14 соединена с основанием 9 комбинацией плоских упругих элементов 23 и 24, которые представляют собой торсионы (главное - вторая группа шарниров), обеспечивающие поворот рамы 14, прямолинейного центрального участка 2, петлевых участков 3, 4 и периферийных участков 5, 6 относительно оси О-О на угол ± α (рабочий угол), см. фиг.2. Оси поворотов шарниров первой и второй групп совмещены с осью поворота подвижной рамы О-О. На прямолинейном центральном участке 2 жестко закреплены кронштейн 25 (фиг.4) и на равном удалении от него дополнительные кронштейны 26 и 27, кольцеобразно охватывающие трубопровод. Упругие перемычки 28 и 29 цилиндрической формы между кронштейнами 26 и 27 и соответствующими концами 12 и 13 петлевых участков 4 и 3 представляют собой участки трубопровода, содержащие упругие элементы (упругие перемычки) цилиндрической формы, вставленные в разрыв трубопровода, главное - третья группа шарниров. Конструктивно упругие перемычки, составляющие третью группу шарниров, могут быть выполнены аналогично шарнирам первой группы (см. фиг.3). Кронштейн 25 предназначен для монтажа датчика 30 (фиг.1, 4) силы Кориолиса, а последний связан с кронштейном 25 и с подвижной рамой 14 четвертой группой шарниров, выполненных в виде комбинаций 31 и 32 плоских упругих элементов. Общая ось максимальной жесткости кронштейна 25 и комбинаций 31 и 32 плоских упругих элементов совпадает с главной осью М-М чувствительности датчика 30 и направлением действия силы Кориолиса F_k (см. фиг.1, 2, 4). В то же время, взаимное расположение упругих элементов шарниров четвертой группы исключает передачу на датчик 30 усилий (боковые усилия могут быть измерены датчиком 30 при наличии у него боковых лепестков чувствительности) в направлении, перпендикулярном оси М-М, которые могут быть вызваны взаимными смещениями подвижной рамы 14 и прямолинейного центрального участка 2 вследствие температурных воздействий, например, при измерении потока массы с низкой температурой на фоне высокой температуры окружающей среды. Кронштейны 26 и 27 увеличивают жесткость прямолинейного участка 14 в радиальных направлениях, чем устраняют возможные деформации формы сечения трубы участка 2, например, при возникновении осесимметричных колебаний трубопровода 1. Кронштейны 26 и 27 связаны с рамой 14 посредством комбинаций 33 и 34 плоских упругих элементов, которые образуют пятую группу шарниров. Шарниры пятой группы смонтированы таким образом, что образуют механизм для плоскопараллельного перемещения прямолинейного центрального участка 2 строго вдоль оси М-М (см. фиг.4), расположенной перпендикулярно оси последнего и перпендикулярно плоскости трубопровода 1. Взаимозависимое расположение шарниров третьей и пятой групп обеспечивают возможность перемещения прямолинейного центрального участка 2 строго в направлении действия силы Кориолиса F_k (см. фиг.4), в то же время шарниры пятой группы исключают возможность перемещения участка 2 в иных направлениях. Таким образом обеспечивается высокая чувствительность первичного чувствительного элемента (участка 2) в рабочем направлении к воздействиям силы Кориолиса F_k. В средней части петлевых участков 3 и 4 смонтированы кронштейны 35 и 36, к которым одними концами прикреплены плоские упругие элементы 37 и 38, вторые концы которых прикреплены к подвижной раме 14. Плоские упругие элементы 37 и 38 образуют шестую группу шарниров, каждый из этих упругих элементов равноудален от оси L-L, а оси С-С и D-D максимальной жесткости упругих элементов 37 и 38 расположены в плоскостях, совмещенных с образующими сторонами подвижной рамы 14, расположенными параллельно оси L-L прямолинейного центрального участка 2. Оси S-S минимальной жесткости упругих элементов 37 и 38 ориентированы в направлениях, перпендикулярных оси прямолинейного чувствительного элемента 2 и расположены в плоскости трубопровода 1 (см. фиг.1 и 2). В местах соединений концов 17 и 18 петлевых участков и шарниров первой группы (упругих вставок 21 и 22 или длинных периферийных участков 5 и 6) смонтированы кронштейны 39 и 40, к которым одними концами прикреплены плоские упругие элементы 41 и 42, вторые концы последних прикреплены к подвижной раме 14. Плоские упругие элементы 41 и 42 образуют седьмую группу шарниров, оси максимальной жесткости G-G и F-F упругих элементов этой группы шарниров размещены в плоскостях, расположенных перпендикулярно оси прямолинейного центрального участка 2 и пересекающих подвижную раму 14 в местах крепления шарниров второй группы (плоских упругих элементов 23 и 24), а оси Q-Q минимальной жесткости этих шарниров ориентированы параллельно оси L-L прямолинейного центрального участка 2 и расположены в плоскости трубопровода 1 (см. фиг.1 и 2).

На фиг.5 изображена кинематическая схема подвижной чувствительной системы для кориолисового измерителя параметров потока массы с указанием взаимного расположения всех групп шарниров устройства.

Схемы, приведенные на фиг.6-10, более подробно поясняют назначение шестой и седьмой групп шарниров:

- при колебаниях подвижной рамы 14 (совместно с закрепленными на ней элементами устройства) на нее со стороны петлевых участков 3 и 4 трубопровода 1 действуют с удвоенной частотой центробежные инерционные силы F_ц, см. фиг.6 и 7, которые пытаются деформировать перпендикулярно расположенные по отношению к участку 2 стороны рамы 14 так, как это изображено пунктирными линиями на фиг.7. Указанные деформации рамы 14 передаются непосредственно на прямолинейный центральный участок 2, чем изменяют его напряженное состояние, что приводит к возрастанию погрешности измерения силы Кориолиса F_k. Шарниры 37 и 38, оси максимальной жесткости С-С которых ориентированы в направлениях действия сил F_ц, замыкают силы F_ц на стороны рамы 14, расположенные параллельно участку 2, жесткость которых в направлении действия указанных сил весьма велика, чем обеспечивают движение рамы 14 и петлевых участков как единого целого, и разгружают участок 2 от воздействия сил F_ц;

- при колебаниях подвижной рамы 14 (совместно с закрепленными на ней элементами устройства) на петлевые участки 3 и 4 трубопровода в моменты смены направлений движений действуют силы F_н, направленные по нормали к радиусам вращения петлевых участков (см. фиг.8 и 9), таким образом, петлевые участки 3 и 4 отстают «по фазе» от рамки 14 вследствии определенной гибкости трубы, образующей данные участки. При этом в трубопроводе возникают напряжения, которые передаются через тело трубы к прямолинейному участку 2 и вызывают в нем деформации, изображенные на фиг.8 и 9 пунктирными линиями, что приводит к возрастанию погрешности измерения силы Кориолиса F_k. Шарниры 37 и 38, оси максимальной жесткости С-С и D-D которых расположены в плоскостях действия сил

F_н, замыкают силы F_н на стороны рамы 14, расположенные параллельно участку 2, жесткость которых в плоскостях действия указанных сил весьма велика, чем обеспечивают движение рамы 14 и петлевых участков как единого целого и разгружают участок 2 от воздействия сил F_н;

- при работе подвижной чувствительной системы в условиях значительного изменения температурного фона окружающей среды (например, ±50°С) петлевые участки 3 и 4 трубопровода 1 изменяют свои геометрические размеры под действием температурных деформаций t_деф (см. фиг.7), однако силовые напряжения, связанные с этими изменениями, на участок 2 не передаются, так как оси минимальной жесткости шарниров 37 и 38 S-S (см. фиг.1) расположены в направлениях действия деформаций

t_деф, шарниры 37 и 38 под действием указанных деформаций петлевых участков 3 и 4 упруго изгибаются, а на участок 2 эти деформации не передаются;

- при работе подвижной чувствительной системы (с шарнирами первой группы любого конструктивного типа, кроме «длинная труба», см. фиг.3), например, в устройствах, измеряющих параметры потоков газообразной массы, возможно появление местных уплотнений (разрежений) массы в потоке, которые могут приводить к силовым воздействиям компрессионного типа P_деф потока массы на трубопровод, действующим в осевом направлении (см. фиг.10). При отсутствии шарниров 37 и 38 подобные воздействия через петлевые участки 3 и 4 передавались бы на участок 2 и приводили бы к дополнительной погрешности измерений силы Кориолиса F_k. Шарниры 37 и 38 замыкают указанные воздействия на раму 14 и обеспечивают разгрузку участка 2 от воздействия осевых компрессионных усилий Р_деф;

- при работе подвижной чувствительной системы, например, в устройствах, измеряющих параметры потоков газообразной массы, возможно появление местных уплотнений (разрежений) массы в потоке, которые могут приводить к силовым воздействиям компрессионного типа потока массы на трубопровод, вызывающим потерю устойчивости формы упругими перемычками шарниров первой группы, при этом возможно появление усилий Р_деф, действующих на трубопровод так, как это показано на фиг.11. При отсутствии шарниров 41 и 42 эти усилия могут создать моменты сил, вызывающие недопустимую по величине деформацию шарниров 37 и 38, и, как следствие, передачу усилий на участок 2 трубопровода, что вызовет изменение его напряженного состояния и увеличение погрешности измерения силы Кориолиса F_k. Шарниры 41 и 42, см. фиг.1, оси G-G и F-F максимальной жесткости которых расположены в плоскостях действия нормальных проекций внеосевых усилий Р_деф, изображенных на фиг.11, замыкают нормальные составляющие этих усилий на раму 14 (осевые составляющие замыкают на раму шарниры 37 и 38), чем обеспечивают разгрузку участка 2 от воздействия внеосевых компрессионных усилий Р_деф.

При работе устройства подвижная рама 14 с закрепленными на ней элементами совершает колебания вокруг оси O-O, при этом движущийся по трубопроводу 1 поток массы вызывает появление силы Кориолиса, которая действует на прямолинейный центральный участок 2 в направлении оси М-М. Значение силы Кориолиса прямо пропорционально расходу потока массы, перемещающейся через трубопровод 1, сигнал, пропорциональный значению силы Кориолиса, формируется датчиком 30 и передается в электронный блок (условно не изображен) для дальнейшей обработки (вычисления значений мгновенного расхода массы, значения массы, израсходованной за конечный интервал времени).

Конструктивные решения, примененные в подвижной чувствительной системе устройства для измерения параметров потока массы, обеспечивают стабильность напряженного состояния прямолинейного центрального участка, а именно:

- дополнительные кронштейны, кольцеобразно охватывающие трубопровод, увеличивают жесткость прямолинейного участка в радиальных направлениях, чем устраняют возможные деформации формы сечения трубы прямолинейного измерительного участка, например, при возникновении осесимметричных колебаний трубопровода;

- дополнительные кронштейны, смонтированные на прямолинейном центральном участке равноудаленно от первого кронштейна, и шарниры пятой группы, соединяющие второй и третий кронштейны с подвижной рамой с образованием механизма для плоскопараллельного перемещения прямолинейного центрального участка строго в плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости трубопровода и совмещенной с осью прямолинейного центрального участка, обеспечивают возможность перемещения (или, другими словами, ориентирует ось чувствительности) прямолинейного центрального участка строго в направлении оси чувствительности датчика силы;

- шарниры шестой группы, связывающие средние части петлевых участков трубопровода с подвижной рамой и смонтированные с обеспечением расположения осей максимальной жесткости шарниров шестой группы в плоскостях, совмещенных с образующими сторонами подвижной рамы, расположенными параллельно оси прямолинейного центрального участка, позволяют:

во-первых, обеспечить синфазные перемещения (как единого целого) подвижной рамы и петлевых участков трубопровода, чем исключается передача на прямолинейный центральный участок механических напряжений, вызываемых инерционными силами, действующими на петлевые участки при рабочих колебаниях чувствительной системы;

во-вторых, исключить передачу осевых усилий от периферийных участков через петлевые участки к прямолинейному центральному участку в случаях изменения геометрии шарниров первой группы (например, эпизодических изменений длины упругих перемычек цилиндрической формы - сильфонов) под действием компрессионных нагрузок со стороны потока измеряемой массы;

в-третьих, шарниры шестой группы исключают передачу усилий от петлевых участков к прямолинейному центральному участку при изменениях геометрических размеров петли в результате изменения температуры окружающей среды;

- шарниры седьмой группы, связывающие места соединений петлевых участков с шарнирами первой группы с подвижной рамой, и их монтаж с обеспечением совпадения осей максимальной жесткости шарниров седьмой группы с плоскостями, расположенными перпендикулярно оси прямолинейного центрального участка и пересекающими подвижную раму в местах крепления шарниров второй группы, позволяют исключить передачу внеосевых усилий от периферийных участков, к шарнирам шестой группы в случаях изменения геометрии шарниров первой группы (например, эпизодических искривлений осевой линии упругих перемычек цилиндрической формы - сильфонов) под действием компрессионных нагрузок со стороны потока измеряемой массы. При отсутствии шарниров седьмой группы внеосевые нагрузки могут вызвать деформацию шарниров шестой группы в направлениях осей минимальной жесткости и, как следствие, вызвать передачу усилий от петлевых участков к прямолинейному центральному участку.

Предлагаемым изобретением достигнут технический результат, заключающийся в повышении точности измерений путем стабилизации на протяжении интервала времени работы устройства пространственного и напряженного состояния прямолинейного центрального участка за счет исключения передачи на последний силовых воздействий через подвижную раму, вызванных температурными и компрессионными деформациями смежных участков трубопровода.

Изобретение может быть использовано в кориолисовых преобразователях, предназначенных для работы в трубопроводах природного газа (метана) низкого давления (0,05…2,0 МПа). Вибрационный преобразователь содержит трубопровод, изогнутый S-образно в плоскости изгиба. С концами прямолинейного центрального участка трубопровода жестко, а с основанием - плоскими шарнирами, связана рама. Датчик силы Кориолиса посредством размещенных с двух его сторон плоских шарниров установлен между кронштейном, жестко установленным на середине центрального участка, и рамой. На центральном участке, на равном удалении от его середины, закреплены два дополнительных кронштейна, связанные с рамой плоскими шарнирами, образующими механизм для плоскопараллельного перемещения центрального участка. Пары дополнительных плоских шарниров закреплены симметрично середине центрального участка, соответственно, между рамой и серединами петлевых участков S-образного трубопровода, и его периферийными участками. Части центрального участка между креплениями рамы и дополнительных кронштейнов, а также части периферийных участков трубопровода между креплением на основании и плоскими шарнирами выполнены в виде сильфонов. Изобретение повышает точность измерения путем стабилизации пространственного и напряженного состояния центрального участка за счет исключения передачи на него силовых воздействий, вызванных температурными и компрессионными деформациями смежных участков трубопровода. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Упругая чувствительная система устройства для измерения массового расхода потока, содержащая изогнутый S-образно в плоскости изгиба и жестко закрепленный концами на основании упругий трубопровод с прямолинейным центральным участком, раму с перемычками, связанную с концами прямолинейного центрального участка трубопровода жестко, а с основанием - плоскими шарнирами, ось минимальной жесткости которых перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода, жестко установленный на середине прямолинейного центрального участка трубопровода кронштейн, между которым и рамой установлен датчик силы Кориолиса посредством размещенных с двух сторон этого датчика вдоль оси его чувствительности двух плоских шарниров, ось максимальной жесткости которых перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода, отличающаяся тем, что в нее введены два дополнительных кронштейна и три пары дополнительных плоских шарниров, причем дополнительные кронштейны жестко закреплены на прямолинейном центральном участке с двух сторон на равном удалении от его середины и связаны с рамой, соответственно, плоскими шарнирами первой дополнительной пары, ось минимальной жесткости которой перпендикулярна плоскости изгиба трубопровода, плоские шарниры второй дополнительной пары закреплены, соответственно, между серединами петлевых участков S-образного трубопровода и рамой симметрично середине прямолинейного центрального участка, плоские шарниры третьей дополнительной пары закреплены, соответственно, между периферийными участками S-образного трубопровода и рамой, симметрично середине прямолинейного центрального участка, а оси минимальной жесткости второй и третьей пары дополнительных плоских шарниров расположены в плоскости изгиба трубопровода, при этом места крепления шарниров второй дополнительной пары к сторонам рамы и сами эти стороны рамы размещены, соответственно, в плоскостях этих шарниров, параллельных оси прямолинейного центрального участка трубопровода, а места крепления к раме плоских шарниров, связывающих ее с основанием, и места крепления к раме шарниров третьей дополнительной пары размещены, соответственно, в плоскостях этих шарниров, перпендикулярных оси прямолинейного центрального участка трубопровода.

2. Упругая чувствительная система по п.1, отличающаяся тем, что шарниры первой дополнительной пары выполнены в виде комбинаций плоских упругих элементов.

3. Упругая чувствительная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что части прямолинейного центрального участка трубопровода между жесткими креплениями рамы и, соответственно, жесткими креплениями дополнительных кронштейнов, и/или части периферийных участков трубопровода между жестким креплением на основании и плоскими шарнирами третьей пары выполнены в виде упругих вставок цилиндрической формы из материала с жесткостью, меньше жесткости материала трубопровода, или сильфонов.

4. Упругая чувствительная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что части периферийных участков трубопровода выполнены S-образно изогнутыми.