类直管型科里奥利质量流量计

摘要

类直管型科里奥利质量流量计，用于直接高精度测量质量流量，包括：两根结构完全相同后平行的类直管型测量管、激振器、两个检测器、四个定距板、两个法兰、两个端连接管、两个分流器和四个配重块；本发明有效提高了谐振式传感器的特性及品质因数，大大减小了流量计的体积，减小了流场影响、流动阻力小、低压损、安装及加工简单，测量管具有良好的动态平衡特性，并且可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量，将进一步扩大科里奥利质量流量计的应用范围，满足工业的发展对流量测量的准确度和范围的需求。对于节约原材料、降低生产成本、降低环境污染，提高利润率和产品质量有较大的促进作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种科里奥利质量流量计(CMF)，特别涉及一种类直管型科里奥利质量流量计，属于测试计量仪表领域，用于直接高精度测量质量流量。

背景技术

质量流量测量技术发展是当今国家科技在过程控制领域中发展的重点，为实现对各种介质在复杂环境条件下的高准确度、高可靠的测量，科里奥利质量流量计(CoriolisMass Flowmeter，CMF，又称科氏质量流量计)以其优越的性能，成为此领域的重要开展技术之一，且满足国家重大需求。CMF能够高准确度的直接测量管道内流体的质量流量，利用流体流过振动管道时产生的科里奥利效应对管道两端振动相位或幅度的影响来测量流过管道的流体质量，稳定性好、可靠性高、量程比大、适用于高粘度流体等特点。

科里奥利质量流量计是利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量的。目前，人们普遍采用振动管式科氏原理的流量计，主要是由一次仪表和二次仪表组成，其中一次仪表(即科里奥利质量流量传感器敏感单元a包括测量管a1、a2、激振器a5和拾振器a3、a4；二次仪表b包括闭环控制单元b1和流量解算单元b2，分别是一次仪表的控制和信号处理系统。一次仪表(即科里奥利质量流量传感器)是敏感部件，输出与被测流量相关的振动信号；闭环控制单元b1给激振器a5提供激振信号，使测量管维持在谐振状态，并且对测量管a1、a2的振动频率进行实时跟踪；流量解算单元b2对传感器拾振器a3、a4的输出信号进行处理并输出测量信息，从中确定被测流体的质量流量和密度。如图8所示。

传统的振动管式CMF按测量管的配置分，有单管型和双管型。单管型因易受外界振动的干扰，多用双管型，由于双管两管形状相同，固有频率相近，容易起振，但两管内被测介质的流动情况相同，上下振动的相位相反，科氏力产生的作用效果也相反，整个流量计总是处于受力平衡状态。实际上由于管端分配器不能保证两管内的流量绝对相等，因而也就无法保证两管中的沉积物及磨损也绝对一致，同时清洗时也难以保证两管同时得到彻底清洗，故测量时会引起零点漂移，产生附加误差。目前大多数产品仍是双管型，这种结构较容易实现相位测量，与目前的技术及工艺水平相适应。

按测量管的形状分，有弯管型和直管型。弯管型，主要由弯管段和直管段组合合成，在现有技术中公开了许多种形状的管型，有U型、Ω型△型、环型、C型、B型、T型、水滴型、蝇拍型。其管壁较厚，刚度小，受腐蚀影响较小；其谐振频率也较低，一般为70-120Hz；反映质量流量的相位差为毫秒级，电子信号较易处理；但弯管型易积存气体和流体残渣而引起附加误差，并且制作加工要比直管型复杂。在技术发展上，由于传统弯管型CMF传感器的体积尺寸、结构形状、性能特性等受安装环境及测量需求的约束，严重制约着发展的需求，要求其向小体积、低压损、高精度、高灵敏度、稳定性好、易加工等方向发展。CMF传感器主流技术与产品多为U型和△型测量管结构，其体积和压损较大。

直管型与弯管型相反，由于刚度大，谐振频率高，一般为700~1000Hz，且振幅很小，振幅小，约为60μm；由于频率较高，与工业上的一般机械振动频率相差较大，故不易受外界振动的干扰；不易存积气体及残渣，外形尺寸较小；为使谐振频率不至于过高，其管壁设计得较薄，约为弯管的1/4~1/2，因而耐磨及抗腐蚀能力差。但相位差为微秒级，电信号的处理较困难，严重限制了CMF的测量范围，并且这种传统振动直管式的CMF的灵敏度较低，且受温度波动影响。国内外研制和应用的直管型或类似直管型CMF，如公开的专利有：科里奥利质量流量计(专利申请号为00129058.4)，被制成以一个方向弯曲的弓形，此结构多为弯管，流速稳定差，且流体易在管内壁产生吸附和沉淀；安装及加工复杂、动态平衡特性差。

目前，所研制的CMF存在着一些制约因素：如CMF测量管设计的综合性能较差，管道安装不稳定，管型的机械实现较难；CMF对外界的振动干扰比较敏感；CMF系统不能用于测量低密度介质。在测量含气液体时，如果含气量太大会影响测量精度；测量管受设计、加工与安装工艺的影响，其动态平衡特性较差，直接影响CMF的性能，并且是不可逆的。

因此，设计一种结合传统弯管和直管优点的新型类直管型是十分必要的。本发明的类直管型科里奥利质量流量计，就是针对以上问题而设计的其体积小，流场影响小、流动阻力小、低压损、安装及加工简单，测量管具有良好的动态平衡特性，可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量，CMF的整体性能较高和测量范围宽。进一步丰富了CMF产品种类，增加核心竞争力，也是发展该类传感器的趋势之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种类直管型科里奥利质量流量计，大大减小了流量计的体积，减小了流场影响、流动阻力小、低压损、安装及加工简单，测量管具有良好的动态平衡特性，并且可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量，提高了CMF的整体性能和测量范围。

本发明的技术解决方案：类直管型科里奥利质量流量计，其特征在于包括：两根结构完全相同且平行的类直管型测量管、激振器、两个检测器、四个定距板、两个法兰、两个端连接管、两个分流器、外壳；

两个法兰分别对称位于流量计的最外两端，并分别与两个端连接管为一体成型加工而成；两个端连接管分别通过两个分流器与类直管型测量管连接，两个分流器将过程介质均匀地分配到两根平行的类直管型测量管中；

所述类直管型测量管的中间为第一部分直管段，且左右两半部相对于第一部分直管段中心线呈对称结构，第一部分直管段两侧分别依次连接第一部分圆弧管段、斜管段、第二部分圆弧管段、第二部分直管段，各部分均采用平滑圆弧过渡；

所述激振器由线圈与磁铁同轴配合使用，所述激振器安装在两个类直管型测量管中心轴线的位置，激振器的线圈通过固定件安装在一个类直管型测量管上，激振器的磁铁则安装在另一类直管型测量管上；

所述两个检测器由线圈与磁铁配合使用，位于所述第一部分圆弧管段的中心处；

在所述两根平行的类直管型测量管的两端分别焊接有两个定距板，四个定距板将两根平行的类直管型测量管固定；

所述的外壳与两端分流器的外端面焊接固定，具有支撑、保护及隔振的作用。

在所述两根平行的类直管型测量管上各配有两个配重块，每个配重块的位置及质量均可调，保证测量管良好的动态平衡特性。

所述类直管型测量管两端的两个定距板的最佳安装位置为：一个位于第二部分直管段与第二部分圆弧段的交界处，且与第二部分直管段垂直；另一个位于第二部分圆弧段的中心处，且与第二部分圆弧段的法线重合。

所述两根平行的类直管型测量管的中心间距为2.5D-3D，D为类直管型测量管的外径。

所述定距板上有两个大小与类直管型测量管外径D相同的孔，两孔间的距离为2.5D~3D，真空钎焊的方式同时固定类直管型测量管。

本发明的原理：根据科里奥利效应，这两根类直管型测量管采用双重定距板在测量管两侧固定焊接，且两根测量管平行地、牢固地焊接在分流器，与端连接管连接，构成一个音叉，以消除外界振动的影响。两根测量管在电磁激励器的激励下，以其固有频率振动，且振动相位相反。由于测量管的振动效应，在管内流动的每一个流体微团得到一个科氏加速度，测量管便受到一与此加速度方向相反的科氏力。由于类直型测量管的进、出两侧所受到的科氏力方向相反，而使测量管发生扭转，其扭转程度与其扭转刚性成反比，而与管内瞬时质量流量成正比。位于测量管的进流侧和出流侧的两个电磁检测器在音叉每振动一周的过程中，检测出两路振动信号，两路信号的相位差与检测管的扭摆度，也即瞬时流量成正比。通过计算这些信号间的相位差，可计算出质量流量。

综上所述，本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明采用了新管型一类直管型，此结构形状有效提高了谐振式传感器的特性及品质因数，大大减小了流量计的体积，减小了流场影响、流动阻力小、低压损，可以测定粘度高、杂质含量高的液体质量流量，加工简单、成本低，进一步提高了CMF的整体性能和测量范围。

(2)本发明采用双重定距模式，即测量管的两侧各采用两个定距板，并与之真空钎焊进行连接固定。本发明中的定距板的最佳安装位置，由有限元分析中的模态分析和谐响应分析来确定，一个位于下部直管段与圆弧段的交界处，且与直管段垂直；另一个位于下段圆弧段的中心处，且与圆弧法线重合。使得测量管的谐振频率较高、稳定性好、抗震性强。

(3)本发明测量管上配有相应的配重块，配重块的位置及质量均可调。根据检测每个测量管的本身不平衡的特性，将不同质量的配重块放在测量管的相应位置上，使得测量管路的完全对称，测量管具有良好的动态平衡特性，保证传感器动态下的平衡。

(4)本发明的激振器和检测器均由线圈与磁铁配合使用，激振器安装在两根相对测量管的直管段中心处，检测器位于测量管的上端两侧圆弧管段的中心处。共同形成良好的闭环系统，使科里奥利传感器流量管具有稳定的固有频率工作状态，外部扰动的影响较小，自我调节能力强。

附图说明

图1为本发明的类直管型CMF结构示意图；

图2为本发明的类直管型CMF结构主视图；

图3为本发明的类直管型CMF结构俯视图；

图4为本发明单根类直管型测量管的机械结构示意图；

图5为本发明传感器的安装示意图；

图6为本发明双重定距板的安装结构示意图；

图7为本发明定距板的结构示意图；

图8为现有的典型双U型管CMF系统结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的类直管型CMF包括两个结构和尺寸完全相同的类直管型测量管1、2，激振器3，两个检测器4、5，四个定距板6、7、8、9，两个法兰10、11，两个端连接管12、13，两个分流器14、15、外壳16、四个配重块17、18、19、20。

两个法兰10、11分别位于类直管型CMF的最外端，两个端连接管12、13与两个法兰10、11为一体成型加工而成；两个端连接12、13与两个类直管型测量管1、2之间的部分称为分流器14、15。两个分流器将过程介质均匀地分配到两条测量管中。双流路的测量管是通过入口和出口段分流器进行分流和汇合。采用四个定距板6、7、8、9在类直管型测量管1、2两侧固定焊接，且两根类直管型测量管1、2平行地、牢固地焊接在分流器14、15，并与端连接管12、13连接。外壳16与两端分流器14、15的外端面焊接固定，具有支撑、保护及隔振的作用。

假定待测流体左侧流入、右侧流出。待测流体通过由法兰10连接的入口端连接管12进入分流器14，等量均匀的分成两路流体，进入到两个类直管型测量管1和2中，在另一侧两路流体通过分流器15汇聚到由法兰11连接的出口端连接管。

如图1所示，本发明的四个配重块17、18、19、20，相应放在两个类直管型测量管1、2上，每个测量管的第一部分直管段21上的不同位置配有两个相应的配重块，使得测量管路的完全对称，保证传感器动态下的平衡。

如图1所示，两根类直管型测量管1、2在电磁激励器3的激励下，以其固有频率振动，且振动相位相反。位于两个类直管型测量管1、2的进流侧和出流侧的两个检测器4、5(检测器为电磁检测器)检测出两路振动信号，两路信号的相位差与测量管的扭摆度，也即瞬时流量成正比。通过计算这些信号间的相位差，可计算出质量流量。

检测器4、5由线圈与磁铁同轴配合使用，安装在两根平行的类直管型测量管1、2的上部两侧圆弧管段22、23的中心位置，与两根平行的类直管型测量管1、2的中心对称。

激振器3安装在测量管的中心轴线的位置，它的线圈通过固定件安装在一个测量管1上，磁铁则安装在另一测量管2上。激振器3，用于激振测量管，通过闭环控制系统，使测量管处于简谐振动状态。本发明采用的激振器由线圈与磁铁配合使用，分别安装在两根相对测量管的第一直管段21中心处，使科里奥利传感器流量管发生固有频率振动。线圈驱动后，会使流量管以其正常频率进行振动。

如图4所示，本发明的两个类直管型测量管1、2的中间为第一部分直管段21，在第一部分直管段21两侧分别依次连接第一部分圆弧管段22、23，斜管段24、25，第二部分圆弧管段26、27，第二部分直管段28、29，左右两半部相对于第一部分直管段21中心线呈对称结构。各部分均采用平滑圆弧过渡，减小流场影响、流动阻力小。两个类直管型测量管1、2的中间采用第一部分直管段21可以稳定流速，且流体不易在振动管内壁产生吸附和沉淀；斜管段24、25能够提高科氏效应，提高灵敏度和量程范围。此结构具有结构简单、体积小、易清洗、磨损较小等优点，且宜于自排空和清洁。因此可以测定粘度高、杂质含量高的油、浆体等的质量流量。

两个类直管型测量管1、2的管材一般采为316L不锈钢、钛、哈氏合金、及其它材质的管材，本发明对管材的要求不高，因此可以采用价格低廉的316L不锈钢管。本发明的两根测量管1、2为平行，外径为D，两平行测量管中心的间距为2.5D～3D。

如图4、5所示，本发明类直管型测量管1、2两端的两个定距板6、7、8、9的最佳安装位置为：一对定距板6、9位于第二部分直管段28、29与第二部分圆弧段26、27的交界处，且与第二部分直管段28、29垂直，如图5点31处；另一对定距板7、8位于第二部分圆弧段26、27的中心处，且与第二部分圆弧段26、27的法线重合，如图5点32处。弯管段的圆弧角度a为45°。检测器4、5分别安装在两根平行的类直管型测量管1、2的上部两侧圆弧管段22、23的中心位置33、34点处，与两根平行的类直管型测量管1、2的中心对称；激振器3安装在测量管的中心轴线的位置点35处。

如图6所示，在类直管型测量管1、2的两侧各采用两个定距板6、7、8、9。定距板通过真空钎焊的方式同时固定两个类直管型测量管1、2，而且不会引起变形，使得两根类直管型测量管1、2的特性完全相同，同时提供流量测量所需的有限扭曲和弯曲双重定距板在直管段位置的变化将改变传感器的谐振频率，所以根据所设计的频率来确定双重定距板在直管段的位置，减小了内部测量管的振动耦合，并使得测量管的抗震性强。

如图7所示，本发明的每个定距板上有两个大小与类直管型测量管1、2外径D相同的孔，两孔间的距离为类直管型测量管1、2的距离，一般为2.5D～3D。