Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИЛОВОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ РАСХОДОМЕРА КОРИОЛИСА

Область техники

Настоящее изобретение относится к силовому уравновешиванию расходомера Кориолиса.

Предшествующий уровень техники

Датчики вибрации трубок, таких как массовые расходомеры Кориолиса, обычно работают посредством определения движения вибрирующей трубки, которая содержит материал. Свойства, связанные с материалом в трубке, например массовый расход и плотность, могут быть определены посредством обработки сигналов от преобразователей движения, связанных с трубкой, когда режимы вибрации вибрирующей системы, заполненной материалом, в целом подвергаются воздействию объединенных характеристик массы, жесткости и затухания содержащей материал трубки и материала, содержащегося в ней.

Типичный массовый расходомер Кориолиса содержит одну или более трубок, которые оперативно соединены с трубопроводом или другой транспортной системой и транспортируют материал, например, текучие среды и шламы в системе. Каждую трубку можно рассматривать как имеющую набор режимов собственных колебаний, включая, например, режимы простого изгиба, крутящий, радиальный и связанных колебаний. При использовании расходомера Кориолиса для измерения массового расхода в трубке возбуждаются один или более режимов колебаний, когда материал проходит через трубку, и движение трубки измеряется в точках, разделенных промежутками, вдоль трубки. Возбуждение колебаний обеспечивается посредством привода, например, электромеханического устройства, такого как привод по типу звуковой катушки, который создает возмущения в трубке периодическим образом. Массовый расход может быть определен посредством измерения задержки времени или сдвигов фаз между движением в местоположениях преобразователя.

Время задержки очень мало, часто измеряется в наносекундах. Поэтому необходимо, чтобы выход преобразователя был очень точным. Точность преобразователя может быть подвержена риску из-за нелинейностей и асимметричностей в конструкции расходомера или движения, возникающего от посторонних сил. Например, массовый расходомер Кориолиса, имеющий неуравновешенные элементы, может сообщать вибрацию корпусу, фланцам и трубопроводу на частоте привода расходомера. Эта вибрация создает возмущение сигнала задержки времени, величина которого зависит от жесткости крепления. Поскольку жесткость крепления обычно неизвестна и может изменяться с течением времени и температуры, воздействия неуравновешенных элементов не могут быть скомпенсированы, и могут значительно влиять на работу расходомера. Воздействие этих неуравновешенных колебаний и изменений крепления можно уменьшить посредством использования конструкций расходомера, которые являются уравновешенными, и посредством использования технологий обработки сигнала, чтобы компенсировать нежелательные составляющие движения.

Уравновешенная вибрация, описанная выше, включает только одно направление вибрации - направление по оси Z. Направление по оси Z представляет собой направление, в котором трубки смещаются, когда они вибрируют. Другие направления, включая направление по оси Х вдоль трубопровода и направление по оси Y, перпендикулярное направлениям по осям Z и X, являются неуравновешенными. Система координат, на которую дается ссылка, является важной, поскольку расходомеры Кориолиса формируют вторичную синусоидальную силу в направлении по оси Y. Эта сила создает вибрацию расходомера в направлении по оси Y, которая является неуравновешенной, что приводит в результате к ошибке расходомера.

Одним источником этой вторичной силы является расположение массы узла привода расходомера. Типичный узел привода состоит из магнита, прикрепленного к одной трубке, и катушки из проводящей проволоки, прикрепленной к другой трубке. Вибрация по оси Y обусловлена тем, что центр масс магнита привода и центр масс катушки привода, не лежат на соответственных плоскостях X-Y осевой линии(й) расходомерной(ых) трубки(ок). Плоскости X-Y необходимо отделить промежутками друг от друга для того, чтобы удерживать трубки от взаимодействия друг с другом. Центры масс магнита и/или катушки смещены от их плоскостей, потому что катушка должна быть концентричной с концом магнита, чтобы она находилась в оптимальном положении в магнитном поле.

Расходомерная трубка, когда она приводится в вибрационное движение, на самом деле не смещается, но скорее циклично изгибается около местоположений, в которых она закреплена. Этот изгиб может быть аппроксимирован посредством поворота около точки(ек) крепления. Вибрацию тогда можно представить как цикличный поворот под малым углом около центра поворота, CR. Угловая амплитуда вибрации определяется из желаемой амплитуды вибрации в направлении по оси Z и расстояния d от центра поворота до центра трубки в местоположении привода. Угловая амплитуда вибрации Δθ определяется из следующего соотношения:

Смещение центра масс элемента привода (узла магнита или спирали) от осевой линии трубки приводит к тому, что центр масс элемента привода имеет компонент по оси Y его вибрации. Масса элемента привода обычно имеет смещение в направлении по оси Z, которое по меньшей мере эквивалентно радиусу трубки. Угловое смещение ϕ от осевой линии трубки не является незначительным. Масса элемента привода вибрирует около положения смещения с той же угловой амплитудой Δθ, что и расходомерная трубка. Аппроксимируя движение массы привода, как перпендикулярное к линии, соединяющей центр массы привода с центром поворота CR, движение массы привода в направлении по оси Y ΔY_m может быть определено из выражения:

Движение в направлении по оси Y массы элемента привода приводит к тому, что весь расходомер вибрирует в направлении по оси Y. Для сохранения количества движения требуется, чтобы для свободно подвешенного расходомера вибрация в направлении по оси Y всего расходомера была эквивалентной амплитуде колебаний в направлении по оси Y массы привода, умноженной на отношение массы привода к массе расходомера. Вибрация в направлении по оси Y всего расходомера является непосредственным результатом желаемой вибрации трубки по оси Z совместно с угловым смещением центров масс элементов привода. Эта взаимосвязь между желаемой вибрацией трубки и нежелательной вибрацией по оси Y всего расходомера обозначает, что затухание вибрации расходомера по оси Y гасит вибрацию расходомерной трубки по оси Z, и что жесткое крепление расходомера повышает частоту колебаний трубки, в то время как гибкое крепление трубки расходомера понижает частоту колебаний трубки. Изменение частоты колебаний трубки с повышением жесткости крепления наблюдалось экспериментально в расходомерах с большой амплитудой колебаний по оси Y. Это представляет собой проблему, потому что частота колебаний трубки используется для определения плотности текучей среды и частота также является указателем жесткости трубки. Изменения в жесткости трубки в связи с жесткостью крепления изменяют калибровочный коэффициент расходомера. Прямая взаимосвязь между вибрацией привода и окружающей средой также дает в результате нестабильный нуль (сигнал наличия потока, когда поток не присутствует) расходомера.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является решение проблемы, связанной с неуравновешенными вибрационными силами, путем создания расходомера Кориолиса, в котором использована уравновешивающая система, размер которой определен, и она расположена так, чтобы уравновесить систему привода.

Некоторые примеры уравновешивающей системы включают противовес по оси Y, расположенный на противоположной стороне расходомерной трубки, как элемент привода. Размер противовеса определен, и он расположен так, чтобы объединенный центр масс привода плюс противовес по оси Y лежал в плоскости X-Y осевой линии трубки.

В некоторых примерах уравновешивающее устройство, называемое актив-y-баланс, может быть размещено на трубке(ах) для потока. Актив-y-баланс содержит массу, соединенную с одним концом листовой рессоры, другой конец которой прикреплен к трубке для потока вблизи привода. Актив-y-балансы могут быть использованы на одной или на обеих трубках в зависимости от местоположений центров масс магнита и катушки и типа компоновки расходомера (т.е. с одной или двумя трубками).

Актив-y-баланс работает посредством использования движения трубки в направлении по оси Z, чтобы двигать массу актив-y-баланса в направлении по оси Y. Количество движения в направлении по оси Y актив-y-баланса может быть рассчитано так, чтобы уравновесить количество движения в направлении по оси Y компонентов привода, и чтобы посредством этого предотвратить вибрацию корпуса и окружающей среды. По принципу эквивалентности это также обеспечивает независимость расходомера от вибрации окружающей среды и затухания.

Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания расходомера Кориолиса, содержащего

по меньшей мере одну трубку для потока,

систему привода, соединенную по меньшей мере с одной трубкой для потока,

уравновешивающую систему, соединенную по меньшей мере с одной трубкой для потока, причем размер уравновешивающей системы определен и она расположена так, что количество движения уравновешивающей системы эквивалентно и противоположно количеству движения системы привода.

Предпочтительно, уравновешивающая система содержит противовес.

Предпочтительно, размер уравновешивающей системы определен, и она расположена так, что объединенный центр масс системы привода и уравновешивающей системы лежит вблизи плоскости осевой линии по меньшей мере одной трубки для потока.

Предпочтительно, уравновешивающая система содержит противовес, соединенный по меньшей мере с одной трубкой для потока посредством листовой рессоры.

Предпочтительно, жесткость листовой рессоры и противовес обеспечивают частоту собственных колебаний уравновешивающей системы меньшую, чем частота привода расходомера.

Предпочтительно, уравновешивающая система вибрирует в противофазе по меньшей мере с одной трубкой для потока.

Предпочтительно, уравновешивающая система расположена на противоположной стороне по меньшей мере одной расходомерной трубки от элемента привода и с ориентацией по существу под 45° угловых к плоскости трубки для потока.

Предпочтительно, уравновешивающая система расположена на противоположной стороне по меньшей мере одной расходомерной трубки от элемента привода.

Предпочтительно, размер уравновешивающей системы определен и она расположена так, что количество движения уравновешивающей системы равно и противоположно количеству движения системы привода в направлении, перпендикулярном движению привода.

Еще одним объектом изобретения является способ для силового уравновешивания расходомера Кориолиса, имеющего по меньшей мере одну трубку для потока, заключающийся в том, что

соединяют систему привода по меньшей мере с одной трубкой для потока,

соединяют уравновешивающую систему по меньшей мере с одной трубкой для потока, и

располагают уравновешивающую систему и определяют ее размер так, что количество движения уравновешивающей системы равно и противоположно количеству движения системы привода.

Предпочтительно способ включает стадию, на которой формируют уравновешивающую систему с использованием противовеса.

Предпочтительно способ дополнительно содержит стадии, на которых располагают уравновешивающую систему и определяют ее размер так, что объединенный центр масс системы привода и уравновешивающей системы лежит вблизи плоскости осевой линии по меньшей мере одной трубки для потока.

Предпочтительно, на стадии соединения уравновешивающей. системы по меньшей мере с одной расходомерной трубкой используют листовую рессору.

Предпочтительно, выбирают жесткость листовой рессоры и противовеса так, что собственная частота уравновешивающей системы меньше, чем частота привода расходомера. Предпочтительно, осуществляют вибрацию уравновешивающей системы в противофазе по меньшей мере с одной трубкой для потока.

Предпочтительно, при расположении уравновешивающей системы

располагают уравновешивающую систему на противоположной стороне по меньшей мере одной трубки для потока от системы привода,

ориентируют уравновешивающую систему по существу под углом 45° к плоскости трубки для потока.

Предпочтительно, располагают уравновешивающую систему на противоположной стороне по меньшей мере одной трубки для потока от системы привода.

Предпочтительно, при расположении уравновешивающей системы и определении ее размера располагают уравновешивающую систему и определяют ее размер так, что количество движения уравновешивающей системы равно и противоположно количеству движения системы привода в направлении, перпендикулярном движению привода.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает общий вид расходомера Кориолиса, согласно изобретению;

фиг.2 изображает общий вид привода расходомера Кориолиса согласно изобретению;

фиг.3 изображает разрез по оси Х расходомерной трубки расходомера Кориолиса согласно изобретению;

фиг.4 изображает уравновешивающую систему в первом варианте воплощения изобретения;

фиг.5 изображает уравновешивающую систему во втором варианте воплощения изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На Фиг.1 представлен общий вид расходомера Кориолиса 5, содержащий узел 10 расходомера и электронный измерительный прибор 20. Электронный измерительный прибор 20 соединен с узлом 10 расходомера посредством проводов 100, чтобы обеспечить информацию о плотности, массовом расходе, объемном расходе, общем массовом расходе, температуре и другую информацию по каналу 26. Специалистам в этой области техники ясно, что настоящее изобретение может быть воплощено посредством использования любого типа расходомера Кориолиса независимо от числа приводов, тензодатчиков, расходомерных трубок или рабочего режима вибрации.

Узел 10 расходомера содержит пару фланцев 101 и 101', трубопроводы 102 и 102', привод 104, тензодатчики 105-105', трубки 103А и 103В для пропускания потока. Привод 104 и тензодатчики 105 и 105' соединены с трубками 103А и 103В.

Фланцы 101 и 101' прикреплены к трубопроводам 102 и 102'. Трубопроводы 102 и 102' прикреплены к противоположным концам распорной детали 106. Распорная деталь 106 обеспечивает промежуток между трубопроводами 102 и 102', чтобы предотвратить нежелательные вибрации в расходомерных трубках 103А и 103В. Когда узел 10 расходомера вставлен в систему трубопровода (не показана), который транспортирует материал, подлежащий измерению. Материал входит в узел 10 расходомера через фланец 101, проходит через входной разветвленный трубопровод 102, где общее количество материала направляется так, что он входит в трубки 103А и 103В, проходит через трубки 103А и 103В и обратно в выходной трубопровод 102', где он выходит из узла 10 расходомера через фланец 101'.

Трубки 103А и 103В выбраны и соответственно смонтированы на входном трубопроводе 102 и выходном трубопроводе 102', чтобы иметь по существу то же распределение массы, моменты инерции и модули упругости относительно осей изгиба W-W и W'-W' соответственно. Трубки проходят наружу от трубопроводов в основном параллельно.

Трубки 103А-В приводятся в движение посредством привода 104в противоположных направлениях относительно их соответственных осей изгиба W и W' и того, что обозначено, как первый выход из режима изгиба расходомера. Привод 104 может содержать одно из множества хорошо известных приспособлений, например магнит, закрепленный на расходомерной трубке 103А, и противоположную спираль, закрепленную на расходомерной трубке 103В. Переменный ток проходит через противоположную спираль, чтобы заставить обе трубки вибрировать. Соответственный сигнал для привода передается посредством электронного измерительного прибора 20 по проводу 110 к приводу 104. Описание по фиг.1 рассматривается только как пример работы расходомера Кориолиса, и не предназначено для ограничения объема настоящего изобретения.

Электронный измерительный прибор 20 передает сигналы датчика по проводам 111 и 111' соответственно. Электронный измерительный прибор 20 вырабатывает сигнал для привода, который подается по проводу 110 и заставляет привод 104 приводить в вибрационное движение трубки 103А и 103В. Электронный измерительный прибор 20 обрабатывает левый и правый сигналы скорости от тензодатчиков 105, 105' для расчета массового расхода. Канал 26 имеет средства входа и выхода, посредством которых оператор взаимодействует с электронным измерительным прибором 20.

На Фиг.2 представлен общий вид системы привода 104 для предпочтительного варианта осуществления расходомера Кориолиса 5. В предпочтительном варианте осуществления привод 104 представляет собой узел катушки и магнита. Специалисту в этой области техники ясно, что могут быть использованы другие типы системы привода.

Привод 104 содержит узел 210 магнита и узел 220 катушки. Крепежные скобы 211 выступают наружу в противоположных направлениях от узла 210 магнита и узла 220 катушки. Крепежные скобы 211 представляют собой крылья, которые выступают наружу из плоского основания и имеют по существу изогнутую кромку 290 на нижней стороне, которая сформирована для того, чтобы в нее входили трубки 103А или 103В. Изогнутые кромки 290 крепежных скоб 211 привариваются или прикрепляются каким-либо образом к трубкам 103А и 103В, чтобы прикреплять привод 104 к расходомеру Кориолиса 5.

Узел 210 магнита имеет держатель 202 магнита, служащий основанием. Крепежные скобы 211 выступают от первой стороны держателя 202 магнита. Стенки 213 и 214 выступают наружу от наружных кромок второй стороны держателя 202 магнита. Стенки 213 и 214 управляют направлением магнитного поля магнита 203, перпендикулярного к виткам катушки 204.

Магнит 203 представляет собой по существу цилиндрический магнит, имеющий первый и второй конец. Магнит 203 пригнан к втулке магнита (не показана). Втулка магнита и магнит 203 прикреплены ко второй поверхности держателя 202 магнита, чтобы закрепить магнит 203 в узле 210 магнита. Магнит 203 обычно имеет полюс (не показан), прикрепленный к его второй стороне. Полюс магнита (не показан) представляет собой колпачок, который пригнан ко второму концу магнита 203, чтобы направлять магнитные поля в катушку 204.

Узел 220 катушки включает катушку 204 и катушку 205. Катушка 205 прикреплена к кронштейну 211. Катушка 205 имеет бобину, проходящую от первой поверхности, вокруг которой намотана катушка 204. Катушка 204 закреплена на бобине 205, противоположной магниту 203. Катушка 204 соединена с проводом 110, который подводит переменный ток к катушке 204. Переменный ток заставляет катушку 204 и магнит 203 притягиваться друг к другу и отталкиваться, что в свою очередь заставляет трубки 103А и 103В вибрировать противоположно друг другу.

На Фиг.3 представлен упрощенный вид в сечении по оси Х трубки 103. Трубка 103 прикреплена к приводу 104. Привод 104 смещен от трубки 103 на ϕ. Трубка 103 движется в направлении по оси Z с амплитудой ΔZ. Когда трубка 103 смещается в направлении оси Z, поскольку она закреплена, это заставляет ее поворачиваться около центра поворота CR с угловой амплитудой Δθ.

Привод 104 и его центр масс СМ поворачивается с той же угловой амплитудой Δθ, что и трубка 103. Однако из-за угла смещения ϕ центр масс СМ элемента привода вибрирует вверх и вниз от линии L. Это создает вертикальное движение ΔY_m, центра масс СМ элемента привода.

На Фиг.4 представлена уравновешивающая система 400 (первый вариант воплощения изобретения). Уравновешивающая система 400 содержит противовесы 401 и 402, соединенные с трубками 103А и 103В. Соединение противовесов 401 и 402 может быть выполнено различными способами, включая механическое крепление, пайку или склеивание. Противовес 401 имеет центр масс СМ_b1. Размер противовеса 401 определен и он расположен так, что его центр масс СМ_b1, объединенный с центром масс СМ_с узла катушки, создает в результате объединенный центр масс CCM₁, который расположен на плоскости X-Y трубки 103А. Противовес 402 имеет центр масс СМ_b2. Размер противовеса 402 определен и он расположен так, что его центр масс СМ_b2, объединенный с центром масс СМ_м узла магнита, создает в результате объединенный центр масс ССМ₂, который расположен на плоскости X-Y трубки 103В. Конкретные свойства противовесов таковы, что масса, умноженная на скорость противовеса, эквивалентна и противоположна массе, умноженной на скорость узла привода в направлении по оси Y, для каждой расходомерной трубки, согласно уравнению

Другими словами, количество движения противовеса противоположно количеству движения узла привода, прикрепленного к трубке

На Фиг.5 представлена уравновешивающая система 500 согласно другому варианту воплощения изобретения. Уравновешивающая система 500 содержит противовесы 501 и 502, соединенные с трубками 103А и 103В посредством листовых рессор 504 и 505. Листовая рессора 504 ориентирована приблизительно под углом 45° к плоскости X-Y и соединена с противоположной стороной трубки, т.е. узлом 220 катушки. Жесткость листовой рессоры 504 и масса противовеса 501 выбираются так, чтобы собственная частота колебаний актив-y-баланса в его первом режиме вибрации (режим трамплина) была меньше частоты колебаний привода расходомера. При частоте собственных колебаний меньше частоты возбуждения (привода), противовес 501 имеет тенденцию двигаться в противофазе с трубкой 103А. Таким образом, когда трубка 103А движется влево (направление по оси -Z), противовес 501 актив-y-баланса движется вправо (+Z) относительно трубки. Но, поскольку листовая рессора 504 расположена под углом к плоскости X-Y, противовес 501 ограничен посредством листовой рессоры 504 в движении вправо и вниз (+Z и -Y). Это целесообразно, поскольку, когда трубка 103А движется влево, смещенный узел 220 катушки движется влево и вверх (+Z и +Y). Посредством расчета массы и скорости рессоры так, что количество движения в направлении по оси Y (масса, умноженная на скорость) актив-y-баланса равно и противоположно количеству движения в направлении по оси Y смещенных элементов привода, внешняя вибрация в направлении по оси Y всего расходомера может быть почти исключена. Те же принципы конструкции относятся к трубке 103В.

Второй пример имеет дополнительное преимущество. Поскольку противовесы 501 и 502 подвешены от трубок 103А и 103В посредством листовых рессор 504 и 505, они вибрируют в противофазе с трубками 103А и 103В, в результате очень малая часть их массы присоединяется к трубкам 103А и 103В.

Приведенные выше примеры не ограничиваются компенсацией смещения массы привода. Например, деформация литых разветвленных трубопроводов под действием сил трубок может вызвать вибрацию фланцев расходомера в направлении по оси Y. Если эта вибрация фланцев находится в одной фазе с вибрацией, которая вызывается смещением массы привода, тогда противовес может быть увеличен, чтобы компенсировать дополнительную вибрацию, связанную с деформацией трубопровода. Аналогично, если вибрация фланцев, связанная с деформацией трубопровода, находится в противофазе с вибрацией, которая вызывается смещением массы привода, противовес может быть сделан меньшим.