CN1153295A - 具有至少一个测量管的科氏型质量流量计 - Google Patents

Abstract

科氏型质量流量计，它通过例如法兰装在给定直径的导管中，使其与上述导管轴向准直，并流过要测量的液体。为改进和优化对导管的振动的不灵敏性，它包括：至少一个固定在法兰上的测量管；端部固定在相应法兰上的支承管；激励测量管共振的装置；用于检测测量管振动的沿测量管配置的速度传感器；沿与科氏力作用所在的平面相交的交线配置在支承管上的加速度传感器；将速度传感器的信号和加速度传感器的信号处理成基本上无干扰的质量流量信号的装置。

Description

具有至少一个测量管的科氏型质量流量计

本发明涉及科氏型质量流量计，该流量计包括至少一个用于测量流体的测量管。

本申请人的WO-A 95/03528(对应美国专利申请系列No，08/277 245)说明了一种利用法兰装在给定直径导管中使其与上述导管轴向准直的质量流量传感器，要测量的流体流过该导管，该流量传感器包括：

直的管，在法兰之间延伸，流过流体；

直的仿真管，平行于测量管延伸，不流过流体；

在入口侧的波节板和在出口侧的波节板，波节板中的一个使测量管的入口侧端部固定在仿真管的相应端部上，波节板中的另一个使测量管的出口侧端部固定在仿真管的相应端部上，使得测量管和仿真管并排配置；

支承管，其端部固定在相应法兰中；

一种装置，该装置只作用在仿真管上，以激励测量管共振；

加速度传感器，装在支承管上，提供一咱信号，通过该信号支承管的振动被减到最小。

本申请人的美国专利4 949 583公开了一种质量流量传感器，该传感器包括可被激励成其横截面发生蠕动振动的单一的直的测量管。

实际上已经证明，具有上述质量流量传感器的质量流量计在其对于振动的不灵敏性方面还不是最佳的。这些振动起源于例如其中安装质量流量传感器的导管，起源于例如使流体在导管中流动的振动泵。

为进一步改进和优化这种对起源于导管的振动的不灵敏性，本发明提供一种科氏型质量流量计，该流量计可以应用例如法兰装在给定直径的导管中，使其与上述导管轴向准直，要测量的流体通过该导管，该流量计包括：

至少一个测量管，在法兰之间延伸，固定在法兰上并流过流体；

支承管，其端部固定在相应法兰上；

激励一个或多个测量管进入共振的装置；

第一速度传感器和第二速度传感器，沿一个或多个测量管配置，用于测量一个或多个测量管的振动；

第一加速度传感器的第二加速度传感器，沿操作质量流量计期间与科氏力作用所在平面相交的交线配置在支承管上；

将速度传感器的信号和加速度传感器的信号处理成基本上消除干扰的质量流量信号的装置。

在本发明的优选实施例中，提供单一的直的测量管。在本发明的另一优选实施例中，提供了在一个平面内延伸的单一的弯曲的测量管。

在本发明的再一优选实施例中，将速度传感器的信号和加速度传感器的信号处理成质量流量信号的装置包括以下分支电路：

第一减法器，其减数输入连接到第一加速度传感器，其被减数输入连接到第二加速度传感器；

第二减法器，其减数输入连接到第一速度传感器，其被减数输入连接到第二速度传感器；

第一加法器，其第一输入连接到第一速度传感器，其第二输入连接到第二速度传感器；

第一乘法器，其第一输入连接到第一减法器的输出，在存在通过导管作用在质量流量计上的振动时利用校正法确定的第一校正因子被加在其第二输入上；

第二乘法器，其第一输入连接在第一加法器的输出，在不存在通过导管作用在质量流量传感器上的振动时由校正法确定的第二校正因子被加在其第二输入上；

积分器，其输入连接在第二减法器的输出上；

第二加法器，其第一输入连接在第一乘法器的输出上，其第二输入连接在积分器的输出上；

第一倒相器，连接在第二加法器的输出上；

第一双掷开关，其第一输入连接在第二加法器的输出上，其第二输入连接在第一倒相器的输出上；

第二倒相器，连接在第二乘法器的输出上；

第二双掷开关，其第一输入连接在第二乘法器的输出上，其第二输入连接在第二倒相器的输出上；

阈值开关，其信号输入连接在第二乘法器的输出上，其阈值输入接地，其输出连接在第一双掷开关和第二双掷开关的控制输入上；

第一低通滤波器，连接在第一双掷开关的输出上；

第二低通滤波器，连接在第二双掷开关的输出上，上述两个低通滤波器具有上截止频率，该频率比在其输入信号中存在的最高频率低约一个数量级；

除法器，其被除数输入连接在第一低通滤波器的输出上，其除数输入连接在第二低通滤波器的输出上，其输出提供质量流量信号。

在最近的实施例中，可以用一个单一的响应转动振动的加速度传感器取代第一减法器和加速度传感器。

下面参照附图更详细说明本发明，在附图中作为优选实施例示出质量流量计的机械部分和用于产生质量流量信号的分支电路。

图1是具有单一直测量管的质量流量计的机械部分的部分截面垂直纵向视图；

图2示出产生质量流量信号的分支电路；

图3示出图2部分支电路的改型线路。

图1是部分截面垂直纵向视图，图1示出的质量流量计机械部分即质量流量计的质量流量传感器1可以利用法兰2、3装在一定直径的导管(为清楚起见未示出)中，该导管传送待测量的流体。

本实施例的质量流量传感器1具有单一的直的测量管，该管的端部通过端板13、14固定在相应的法兰2、3上，测量管4的相应端部最好气密地固定在该端板上，例如用焊接、钎焊或采用轧机的压力结合法。在本申请人先有的还未出版的欧洲专利申请95 810199.0(对应于美国专利申请系列No.08/434070，1995年5月3日提出)中说明了这种压力结合。

按照本发明的另一方面，不用单一的直的测量管，而用一个在一个平面内延伸的单一的弯曲的测量管，例如用圆扇形的测量管。也可以应用两个或多个测量管，但最好采用两个测量管，或如上述的WO-A 95/03528(对应于美国专利申请系列No.08/277 245)中公开的那样，应用具有一个测量管和一个仿真管的质量流量传感器。

法兰2、3和端板13、14固定在支承管15上或该管内。图1中法兰2、3利用螺钉固定在支承管15上，在右上的横截面图中可以完全看到其中的一个螺钉5。端板13、14可以焊接到或钎焊到支承管15的内壁上，形成密封接合，特别是构成气密封闭。也可以将支承管15和端板13、14制成为整体件。

作为激励测量管4进入共振最好进入挠性共振的装置，驱动器组件16例如电动驱动器组件配置在法兰2、3和端板13、14之间的中间，位于支承管15和测量管4之间的空间中。它包括装在测量管4上的永久磁铁161和装在支承管15上的线圈162，永久磁铁161伸入该线圈中，可以在其中来回运动。激励测量管进入共振的装置还包手驱动器线路，这种驱动器线路已在先有技术例如本申请人的美国专利4 801 897中说明。

用于测量管4振动的第一速度传感器17和第二速度传感器18也装在支承管15和测量管4之间的空间中，这些传感器沿测量管4配置，最好与驱动器组件16即与测量管的中点隔开相同的距离。

如果速度传感器17、18与测量管4的中点的距离不同或它们的灵敏度不同，则形成的不平衡可以通过后面放大器的增益来补偿。

速度传感器17、18是例如在上述美国专利4 801897中说明的那种光学速度传感器。但是，速度传感器17、18最好是电动速度传感器，这种传感器各自包括装在测量管4上的永久磁铁171、181和固定在支承管15上的线圈172、182。永久磁铁171、181伸入线圈172、182，并可在其中来回移动。速度传感器17和18分别提供信号X₁₇和X₁₈。

第一加速度传感器19和第二加速度传感器20固定在支承管15上，沿操作质量流量计期间与科氏力作用所在平面相交的交线分开配置。加速度传感器19和20分别提供信号x₁₉和x₂₀。

在图1中，上述平面是纸的平面，因为驱动器组件16在纸的平面内激励测量管4进入挠性振动，所以科氏力在此平面内作用。因此上述交线是支承管15的边界线，在图1中示为151。两个加速度传感器19、20最好与支承管15的中点隔开相同的距离；这一距离不必与速度传感器17、18之间的上述距离完全相同。

为获得尽可能高的信号/噪声比，该距离必须尽量大。如果距离不同，上面关于速度传感器的说明同样适用。

尽可能靠近传感器用窄带滤波器过滤信号x₁₇…x₂₀使该信号除去干扰是合适的，该滤波器的中心频率是测量管4的振动频率。因此为此目的所用的带通滤波器的相应中心频率必需是可调的。

图1还示出固定在支承管15上的外壳21，该外壳特别用于保护与驱动器组件16、速度传感器17、18和加速度传感器19、20相连接的线路，但是为清楚起见，图中未示出这些线路。

外壳21具有颈状过渡部分22，用于安装质量流量计的整个驱动电路和计算电子电路的电子线路外壳23(仅示出一部分)固定在过渡部分22上。

如果过渡部分22和电子线路外壳23对支承管15的振动响应产生不利的影响，它们也可以与质量流量传感器1分开配置。在那种情况下，在电子线路和质量流量传感器1之间仅有导线连接。

图2示出将速度传感器17、18的信号x₁₇、x₁₈、加速度传感器19、20的信号x₁₉、x₂₀处理成基本上无干扰的质量流量信号的装置。这些装置包括在图2中的各种分电路。

第一加速度传感器19连接在第一减去器31的减数输入“-”，第二加速度传感器20则连接到该减法器31的被减数输入“+”。第一速度传感器17连接到第二减法器32的减数输入“-”，而第二速度传感器18则连接到该减法器32的被减数输入“+”。第一速度传感器17与连接到第一加法器33的第一输入“+”，而第二速度传感器18连接到该加法器的第二输入“+”。

第一减法器31的输出连接到第一乘法器35的第一输入，该乘法器的第二输入供给第一校正因子K₁，该因子在存在通过导管作用在质量流量计上的振动时由校正法确定。第一加法器33的输入连接在第二乘法器36的第一输入上，该乘法器的第二输入供给第二校正因子K₂，该因子在不存在通过导管作用在质量流量计上的振动时确定。

在用常规方法作完质量流量计之后用校正方法确定两个校正因子K₁、K₂，即将已知的质量流量与质量流量计对此已知的质量流量进行测量的流量值相比较，随后将该因子存入质量流量计中的存贮装置中，例如存入EEPROM(电可擦可编程只读存贮器)中或类似的半导体存贮器中。

积分器37的输入连接到第二减法器32的输出。第一乘法器35的输出连接在第二加法器34的第一输入“+”，该加法器34的第二输入“+”连接到积分器37的输出。

第二加法器34的输出连接到第一倒相器38的输入，如果模拟信号加在加法器34的输出上则该倒相器被执行例如乘-1的步骤，或者如果数字信号加在加法器34的输出上则倒相器执行数字倒相器。

第二加法器34的输出和第一倒相器38的输出分别连接在第一双掷开关39的第一和第二输入上。

第二乘法器36的输出连接在第二倒相器40的输入上，象第一倒相器38一样，如果模拟信号加在第二乘法器36的输出上则第二倒相器40被执行乘-1的步骤，或如果数字信号加在第二乘法器36的输出上则第二倒相器被执行数字倒相器。

第二乘法器36的输出连接在阈值开关42的信号输入上，后者的阈值输入接地。阈值开关42的输出控制双掷开关39和41。

第一倒相器38、第一双掷开关39和阈值开关42具有第一同步检测器的作用，而第二倒相器40、第二双掷开关41和阈值开关具有第二同步检测器的作用。可以用峰值检测器代替第二同步检测器，峰值检测器的输入必需连接在第二乘法器36的输出，该检测器或者是半波整流器，或者是全波整波器。

双掷开关39和41的输出分别连接到第一和第二低通滤波器43和44。两个低通滤波器分别具有的上截止频率比滤波器输入信号中，即双掷开关39和41的输出信号中存在的最高频率分别低约一个数量级。

第一低通滤波器43的输出连接到除法器45的被除数输入，其除数输入连接到第二低通滤波器44的输出。除法器45的输出提供质量流量信号q。

图3示出图2部分线路的改型。可以用一个加速度传感器19¹代替图2的第一减法器31和图1的两个加速度传感器19、20来测量转动振动，该传感器19¹最好装在支承管15的中间，在图1中用虚线表示。它连接到第一乘法器35的第一输入上。

图2和3的线路要求其中的分线路是可以处理加速度传感器和速度传感器的呈模拟形式的模拟信号的电路。但是用相应的数字电路代替这种模拟电路是在本发明的范围内，如上述关于倒相器38的说明。

但是为此必须用提供数字信号的相应传感器代替加速度传感器和速度传感器，或者在加速度传感器和速度传感器之后必须接上模一数转换器。

图2和3的线路和它们的操作是基于下面说明的本发明人的认识。对于质量流量计1的操作条件，可以确定三种不同的振动模式，这些振动模式可以分别赋与一个(数学上的)复数振动振幅(复数是数学上的复数)。

这些复数振动振幅分别用大写字母例如一般用Y表示。而相应的实际测量信号的有关振幅用对应的小写字母即例如用y表示。因此以下的一般关系成立：

y＝Re{Y·exp(jΩt)}＝|Y|·cos〔Ωt+arc(Y)〕    (1)

Y＝|Y|·exp〔j·arc(Y)〕        (2)

在方程(1)和(2)中： $j=\sqrt{-1}$

Ω＝2πf，f是测量管4的振动频率；

t＝时间变量；

R_e＝一种算符，它提供复数振幅的实数部分；

| |＝一种算符，它提供复数振幅的绝对值；

arc＝一种算符，它提供复数振幅的相位。

现在回到质量流量计的上述振动模式，测量管4具有包含(复数)偏转振幅A_A的驱动模式和包含(复数)偏转振幅A_C，的科氏模式，而支承管15具有包括(复数)偏转振幅A_R的转动模式。

对于科氏模式的偏转振幅A_C，可以确定以下的激励方程：

A_C＝K_C〔jΩQK_CAA_A-(jΩ)²K_CRA_R〕

＝QK_CK_CAV_A-K_CK_CRB_R

＝V_C/(jΩ)             (3)

据此，(复数)质量流量Q是：

Q＝〔V_C/(jΩ)+K_RB_R〕/(K_AV_A)

＝(A_C+K_RB_R)/(K_AV_A)

＝A_C，/(K_AV_A)                 (4)

在方程(3)、(4)及以下的方程中：

K_A＝测量管激励振动的(实数)传输系数，它必须用上述校正法确定，因此等于上述校正因子K₂；

K_C＝测量管4的科氏模式的(实数)传输系数；

K_R＝支承管15的诱发干扰的转动振动的(实数)传输系数，它必用上述校正方法确定，因此等于上述校正因子K₁；

K_CA＝在测量管4的驱动模式和科氏模式之间耦合的(实数)系数；

K_CR＝在支承管15的转动模式和测量管4的科氏模式之间耦合的(实数)系数；

V_A＝在驱动模动模式中的测量管4的速度(复数)振幅；

V_C＝在科氏模式中的测量管4的速度(复数)振幅；

B_R＝在转动模式中的支承管15的角加速度(复数)振幅；

A_c，＝在科氏模式中的测量管4的校正的(复数)偏转振幅。

从速度传感器17、18的信号x₁₇、x₁₈的(复数)振幅X₁₇、X₁₈和从加速度传感器19、20的信号x₁₉、x₂₀的(复数)振幅X₁₉、X₂₀可以得到复数量V_A，V_C，B_R，方法是利用下列方程：

V_A＝X₁₈+X₁₇            (5)

V_C＝X₁₈-X₁₇            (6)

B_R＝X₂₀-X₁₉            (7)

(复数)质量流量Q的实数部分R_e(Q)给出(实数)质量流量q：

q＝R_e(Q)＝|A_C’|/(K_A |V_A|)    (8)

从下面不是理想对称的质量流量传感器的振动激励方程可以得到一般系统的关系：

A_C＝K_C〔QL_csV_A-M_rsB_R-M_rdB_A-D_rdV_A

-S_rdA_A-M_rdB_T+QL_cdV_C〕                (9)

解Q得：

Q＝A_C/(K_CL_csV_A)+M_rsB_R/)L_csV_A)+M_rdB_A/(L_csV_A)

+D_rd/L_cs+S_rdA_A/(L_csV_A)+M_rdB_T/(L_csV_A)

-QL_cdV_C/(L_csV_A)                                (10)

在方程(9)和(10)中：

B_T＝在平移模式中的支承管15的加速度(数复)振幅；

M＝测量管4的质量；

D＝振动系统的阻尼；

S＝测量管4的刚度；

L＝科氏模式的阻尼；另外：

第一下标c＝涉及科氏模式；

第一下标r＝涉及测量管4；

第二下标S＝对称分量；

第二下标d＝非对称分量。

同步解调器抑制不与V_A同相的信号分量，即抑制方程(10)中的第三、五、七项，所以：

q＝R_e(Q)＝A_C/(K_CL_CSV_A)+M_rsB_R/(L_csV_A)

+D_rd/L_cs+M_rdB_T/(L_csV_A)    (11)

式中：

第1项＝被测物理量；

第2项＝由于测量管4和转动模式的对称质量部分而形成的无用分量；

第3项＝由于测量管4的非对称阻尼分量而形成的无用分量；

第4项＝由于测量管4和平移模式的非对称质量部分而形成的无用分量。

从根据方程(1)到(11)说明的关系可以清楚看出，用位置传感器或加速度传感器代替速度传感器17、18是在本发明的范围内，速度信号必须利用分支电路从相应的传感器输出信号产生，在位置传感器的情况，该电路对时间微分一次，或者在加速度传感器的情况下，对时间积分一次。

另外，利用位置或速度传感器代替加速度传感器19、20是在本发明的范围内，加速度信号必须利用分支电路从相应的传感器输出信号产生，在位置传感器的情况下，分支电路对时间微分两次，或者在速度传感器的情况下对时间微分一次。

用适当的可编程微处理器执行图2和3中个别分支电路的功能也在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种科氏型质量流量计，它可以利用例如法兰安装在给定直径的导管中，使得与该导管轴向准直，要测量的流体流过该导管，该质量流量计包括：

至少一个测量管，在法兰中间延伸并固定在法兰上而且通过流体；

支承管，该支承管的端部固定在相应的法兰上；

激励一根测量管或激励多根测量管进入共振的位置；

第一速度传感器和第二速度传感器，用于测量一根测量管或多根测量管的振动，沿一根或多根测量管配置；

第一加速度传感器和第二加速度传感器，沿操作质量流量计期间与科氏力作用所在的平面相交的交线配置在支承管上；

将速度传感器的信号和加速度传感器的信号处理成基本上无干扰的质量流量信号的装置。

2.如权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，它包括单个的直的测量管。

3.如权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，它包括单一的弯曲的在一个平面内延伸的测量管。

4.如权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，将速度传感器的信号和加速度传感器的信号处理成质量流量信号的装置包下分支电路：

第一减法器，其减数输入连接于第一加速度传感器，被减数输入连接于第二加速度传感器；

第二减法器，其减数输入连接于第一速度传感器，其被减数输入连接于第二速度传感器；

第一加法器，其第一输入连接于第一速度传感器，其第二输入连接于第二速度传感器。

第一乘法器，其第一输入连接于第一减法器的输出，在存在通过导管作用在质量流量计上的振动时由校正法确定的第一校正因子加在其第二输入上；

第二乘法器，其第一输入连接于第一加法器的输出上，在不存在通过导管作用在质量流量计上的振动时由校正法确定的第二校正因子加在其第二输入上；

积分器，其输入连接在第二减法器的输出上；

第二加法器，其第一输入连接于第一乘法器的输出，其第二输入连接于积分器的输出；

第一倒相器，连接于第二加法器的输出；

第一双掷开关，其第一输入连接于第二加法器的输出，第二输入连接于第一倒相器的输出；

第二倒相器，连接于第二乘法器的输出；

第二双掷开关，其第一输入连接于第二乘法器的输出，其第二输入连接于第二倒相器的输出；

阈值开关，其信号输入连接于第二乘法器的输出，其阈值输入接地，其输出连接于第一双掷开关和第二双掷开关的控制输入；

第一低通滤波器，连接于第一双掷开关的输出；

第二低通滤波器，连接于第二双掷开关的输出，上述两个低通滤波的上截止频率约低于其输入信号中发生的最高频率一个数量级；

除法器，其被除数输入连接到第一低通滤波器的输出，其除数输入连接到第二低通滤波器的输出，其输出提供质量流量信号。

5.如权利要求4所述的质量流量计，其特征在于，第一减法器和加速度传感器可以仅用一个测量转动振动的加速度传感器代替。

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