带有单一测量管的考雷里型质量流传感器

摘要

单管考雷里型质量流传感器，包括一振动系统，具有作为主振动器的单一直测量管，及不与流体接触而通过连接件与测量管连接的辅助振动器，振动系统在一固有振动频率中被至少一个激励器激励，使测量管以环形模式振动，还包括一支承管，测量系统与其在端部连接，并通过它与导管连接，还有用于测量管入口和出口侧振动的传感器。振动系统设计成动能至少为测量管的两倍。连接件设计成由考雷里力引起测量管环形模式振动尽可能少传给辅助振动器。

说明书

本发明涉及带有单一测量管的考雷里型质量流传感器，测量管以环形模式振动。

EP-A-317340公开了一种考雷里(Coriolis type)型传感器，它可装在导管中，在工作时要测量的流体通过它，该传感器包括：

一个振动系统，含有：

一个单一的直测量管，流体通过所述的测量管，和

沿质量管延伸的并在端部与测量管固定的两个节点块，节点块的重量分布成使得它们的重心位于测量管轴线的中心，

借助于至少一个激励器，在质量流传感器工作时振动系统被激励成弦形振动，    

一个支承件，更具体是一个支承管，通过波纹管，振动系统在端部与其连接，并且通过支承件振动系统与导管连接，和

至少一个用于测量管入口侧振动的传感器和至少一个用于测量管出口侧振动的传感器。

这种质量流传感器不能对所有的流体密度是完全动力学平衡的，并且不是特别紧凑的设计，它的总长度也不是尽可能短。

在EP-A-316 908(相应于US 4949583)及在H.Hagenmeyer等的文章“使用环形模式的先进的考雷里质量流测定器的设计”(在1994年6月格拉斯哥的“FLOMEKO94年7届国际流体测量会议”论文集中发表)中，说明了一种考雷里型质量流传感器，可装在一导管中，在工作中测量的流体通过传感器，所述的质量流传感器包括：

一个单一的直测量管，流体通过该测量管，和在质量流传感器工作中，所述的测量管在它的一个固有振动频率中被至少一个激励器激励使得测量管以环形模式振动，

一个支承件，更具体是一个支承管，测量管在端部与其连接，通过它振动管与导管连接，和

至少一个用于测量管入口侧振动的传感器及至少一个用于测量管出口侧振动的传感器。

但是，研究表明在非理想流体的情形下，特别是非均质流体，多组之流体，高粘度流体及高的可压缩性流体，这种振动管以环形模式振动的质量流传感器，具有相当大的测量误差，因此具有比上述的类型的以弦形方式振动的测量管的质量流传感器测量更加不精确。

这是因为特别是主振动器包括带有被测量流体的测量管，以不可逆的方式损失振动能量，例如通过声辐射到环境中，每周期损失的能量dE/E在实际振动模式中与振动系统的质量因素Q成反比

(dE/E)_周期～1/Q……(1)

本发明的目的是为了减小上述测量误差，也就是增加测量精度甚至对于上述非理想流体也能如此，因此要求使质量因素Q尽可能大。

为了实现本发明上述目的，本发明提供了一种考雷里型质量流传感器，可装在导管中，在操作时要测量的流体流过传感器，所述的传感器包括：

一个振动系统，含有

一单一的直测量管，流体通过所述的测量管，它起主振动器的作用，和

一辅助的振动器，它不与流体接触，并通过连接件与测量管机械连接，

在质量流传感器工作中所述的振动系统在它的一个固有振动频率中被至少一个激励器激励使得测量管以环形模式振动；

一个支承件，更具体是一个支承管，振动系统在端部与其连接，通过它振动系统与导管连接；和

至少一个用于测量管入口侧振动的传感器及至少一个用于测量管出口侧振动的传感器，

所述的振动系统设计成其动能至少为主振动器动能的两倍，和

所述的连接件设计及安排成使得由考雷里力引起的测量管的环形模式振动尽可能小地传给辅助振动器。

本发明基于认识到通过适当的机械设计改变上述比例式中dE这项不足以使质量因素足够大，但是通过增加上式(1)中的E这项可进一步增加质量因素，在本发明中通过加进辅助振动器实现这点。

该振动系统的质量因素Q′可表达为振动频率f的函数：

1/Q′＝C₁f^-1/2+2C₂f^S，……(2)

式中C₁，C₂为常数，s是2-4之间的一个数。第一项说明了粘度导致的能量损失，第二项是由于声发射的能量损失。仅仅从数学上看，随着频率增加，第二项很快压过第一项，但是本发明提供的辅助振动器实质上使频率f保持低。

在本发明的一个最佳实施例中，所述的测量管以(2，1)环形模式振动，所述的辅助振动器包括四根梁，相对测量管的轴线平行地对称地设置，并与支承件和测量管的端部连接，和各梁被设在各梁中部的连接件与所述的测量管的中部连接。

按照本发明最佳实施例的一个有利特点，所述的辅助振动器是在它两端之间设有四个纵向槽的管。

通过本发明，单管环形模式质量流传感器的优点，也就是例如它们完全的动力平衡能力和紧凑的设计，即使在测量管具有较大的公称宽度，特别大于50mm时，对上述非理想流体也能保留这些优点。

通过参照附图对本发明的实施例的详细说明，会对本发明更加清楚，附图中类似的元件标以类似的标号，附图中：

图1是质量流传感器的纵向垂直局部剖视图；

图2是沿图1中A-A线截取的通过测量管及支承件的剖面图；

图3是沿图1中B-B线截取的通过测量管及支承件的剖面图；

图4是沿图1中C-C线截取的通过测量管及支承件的剖面图；和

图5是图1的质量流传感器局部剖去的透视图。

在图1中示出质量流传感器1的纵向垂直局部剖视图，图2-4中示出其三个不同的垂直于轴线的剖面图，而图5示出透视图。图5中，个别区域只部分示出，使得被外部件包住的内部件可见。因此图5不再另外说明，它只是以透视图示出单个部件及有关的特点。

质量流传感器1可以装进一定尺寸的导管(为简化起见未示出)中或与其连接，例如通过法兰2、3与流过要测量的流体的导管连接。

质量流传感器具有一个振动系统，它包括作为主振动器的一根单一的直测量管4，液体流过该测量管，和一个辅助的振动器5，它不与流体接触。在图中，辅助振动器5最好是具有四个纵向槽的管形，使得在槽51₁，51₂，51₃，51₄的槽区得到四条梁52₁，52₂，52₃，52₄(参见图4)。

通过辅助振动器5的机械设计，振动系统的动能至少为主振动器，即测量管4的动能的两倍。

辅助振动器5通过连接件与测量管4机械连接，连接件设计及安排成使得由考雷里力(Coriolis force)引起的测量管4的环形模式尽可能小地传给辅助振动器5。

在图中所示的最佳实施例中，设有4个这样的连接件6₁，6₂，6₃，6₄。它们位于测量管4的中部，并沿着其周边各隔开90°(参见图3)。

测量管端4，最好是真空气密地，固定在辅助振动器5的各端5₈，5₉，固定可用焊接、钎焊或使用压辊进行的压力焊，这种压力焊在本申请人以前申请的尚未公开的欧洲专利申请EP 95 810 199.0(相应于1995年5月3日申请的美国专利申请US系列号08/434070)中已说明。

辅助振动器5的端部5₈，5₉依次又固定在支承件的相应的端部，支承件最好设计成一个支承管7(如附图中所示)。

为了把辅助振动器5的谐振部分与非谐振部分，即端部5₈，5₉，隔开，在过渡区从谐振部分到各端部设有环形槽5₆，5₇，这些环形槽设在靠近辅助振动器5的外表面处。

在实施例中，测量管4，设有具有四个槽形成四根梁51₁，52₂，51₃，51₄的形式的辅助振动器5，以及支承管7安排成同轴的(见图2-5)。

法兰2，3连到测量管4，支承管7，和辅助振动器5的各端，也就是通过螺钉9连到这些零件形成的相应的公共端面8(见图5)，一个螺钉9可在图1的右上角的剖面图中看到。

在操作中，具有测量管4及辅助振动器5的振动系统在其一次天然的振动频率中被激励器激励，使得测量管4以一个环形模式振动，最好是(2，1)型环形模式。相反，辅助振动器5的梁52₁，52₂，52₃，52₄通过连接件6₁，6₂，6₃，6₄被激励成仅仅一个弦形的柔性振动。

作为把测量管4激励成这种谐振的环形模式的振动的装置，在实施例中设有两个电动激励器11，12，和两个电动探测器13，14。激励器11，12和探测器13，14设置在两端面8之间的中部沿着支承管7的周边(见图1，3，5)。

激励器11，12和探测器13，14位于支承管7的相应的横截面的直径处，它们相互垂直。

各激励器11，12和探测器13，14包括一相应的永久磁铁11₁，12₁，13₁，14₁，安装在辅助振动器5上，和相应的线圈11₂，12₂，13₂，14₂，安装在支承管7上，永久磁铁延伸进相应的线圈中及在其中作往复运动。因此，两个相对的永久磁铁也位于上述的横截面的直径处，象两个相对的连接件6₁，6₂和6₃，6₄那样。

为了激励测量管4的环形模式，激励器11，12的线圈11₂，12₂，由探测器13，14的线圈13₂，14₂发出的信号控制的适当的驱动电路送出的驱动电流供电。该电路的细节不属于本发明的范围，本发明只涉及质量流传感器的机械设计。

另外，至少一个传感器设置用以测量管4的入口振动，至少一个传感器用以测量管的出口振动。这些传感器沿着测量管4间隔着，最好是离激励器同样的距离。

在实施例中，第一对电动传感器21，22设在入口侧，第二对电动传感器设在出口侧。这两个电动传感器沿着测量管4的周边设在横截面直径处，并且沿测量管轴向与各激励器对齐，如图1，2，5所示。因此，例如激励器11和传感器21位于与质量流传感器的轴线平行的直线上。

各传感器包括一永久磁铁21₁，22₁，31₁，32₁安装在测量管4上，和一线圈21₂，22₂，31₂，32₂安装在支承管7上。永久磁铁延伸进各线圈中，并可在其中来回活动。

传感器产生的信号在合适的计算电路中处理成质量流信号，与驱动电路一样，其细节也超出本发明的范围。

图1还示出了外壳41，其固定到支承管7上，特别用于保护与激励器及传感器连接的线(为简化起见未示出)。外壳41具有颈形过渡部分42，其上固定着用来接收质量流传感器1的完整的驱动及计算电路电子仪器的电器外壳43(仅部分示出)。

下面是两个装备的质量流传感器A，B的特征值(测量管4是钛制的，辅助振动器5是钢1.4301)示于两表中。

在表2中：

“仅仅测量管4”是不带与之机械连接的辅助振动器的以(2，1)型环形模式振动的测量管；

E_kin4＝仅仅测量管的动能；

E_kin4+5＝整个振动系统的动能；

E_ela4＝仅仅测量管的弹性能；

E_ela4+5＝整个振动系统的弹性能。

                           表1

    A    B    测量管4的直径    84mm    84mm    测量管4的壁厚    2mm    2mm  四根梁52₁，52₂，52₃，52₄的横截面  60×15mm  40×10mm  测量管4和四根梁52₁…的振动长度  各500mm  各500mm

                                表2

                      A    流体密度kg/m³仅仅测量管4的频率Hz整个振动系统的频率Hz    E_kin4+5/E_kin4    E_ela4+5/E_ela4  0  757  345  20.9  4.3  500  548  337.9  11.4  4.3    995    452    331.1    8.1    4.3    1500    392    324.6    6.3    4.3                      B    流体密度kg/m³仅仅测量管4的频率Hz整个振动系统的频率Hz    E_kin4+5/E_kin4    E_ela4+5/E_ela4  0  757  311  9.8  1.6  500  548  297.6  5.6  1.6    995    452    285.8    4.1    1.6    1500    392    275.2    3.4    1.6

从表2可见在振动系统的恒定振幅下，通过辅助振动器与测量管的连接，可以达到振动系统动能相当大的增加及振动频率相当大的改变。这就给出了公式(2)要求的频率的减小。