PL168889B1 - Oscylometryczny przepływomierz masowy - Google Patents

Abstract

Oscylometryczny przepływomierz masowy, zawierający co najmniej jedną rurkę z kanałem płynowym połączoną z układem wzbudzania drgań oraz zawierający czujnik pomiaru siły, znamienny tym, że rurka (2) z kanałem płynowymjest sztywno zamocowana w jarzmie (3) stanowiącym równoważnię ułożyskowanąkorzystnie sprężyście względem nieruchomego sztywnego korpusu podstawy (1) w punkcie obrotu (0) równoważni znajdującym się w osi symetrii (a-a) całego układu mechanicznego, przy czym dojarzma (3) przymocowanajestjedna strona czujnika pomiaru siły (14), a druga strona tego czujnika przymocowana jest do nieruchomego korpusu podstawy (1).

Description

Przedmiotem wynalazku jest oscylometryczny przepływomierz masowy z bezpośrednim pomiarem siły Coriolisa.

Znane są liczne konstrukcje przepływomierzy masowych, w których zastosowano efekt przyspieszenia Coriolisa do wytworzenia siły proporcjonalnej do masowego natężenia przepływu. W tych przepływomierzach na ogół powoduje się powstanie pulsujących odkształceń sprężystych proporcjonalnych do siły Coriolisa wywołanej przepływem płynu poddanych następnie pomiarowi za pomocą czujników tensometrycznych, pojemnościowych lub indukcyjnych.

W nielicznych rozwiązaniach dokonuje się bezpośredniego pomiaru siły Coriolisa. Takie podejście ma wiele zalet, bowiem bezpośredni pomiar siły eliminuje wiele źródeł błędów takich, jak zmienne w czasie własności sprężyste elementów drgających, histereza sprężysta. W rozwiązaniach z bezpośrednim pomiarem siły Coriolisa możliwe jest także stosowanie wyższych częstotliwości drgań, ponieważ czujniki siły są elementami o bardzo dużej sztywności.

W rozwiązaniu przepływomierzy firmy Micro Motion zastosowana jest drgająca U-rurka. Działają na nią w przeciwfazie pulsujące siły Coriolisa powodujące skręcanie rurki o pewien kąt, którego amplituda jest - przy założeniu stałej amplitudy drgań osi U-rurki - proporcjonalna do masowego natężenia przepływu. Pomiarowi podlega nie bezpośrednio powyższy kąt, a przesunięcie czasowe jakie powstaje między momentami przejścia ramion U-rurki przez położenie swobodne.

W innym rozwiązaniu drganiom poddawana jest rurka prosta. W obu połówkach rurki symetrycznie do osi drgań powstają siły Coriolisa asymetryzujące układ sił. Sygnały wyjściowe

168 889 z czujników przesunięcia są synfazowe dla zerowego natężenia przepływu. W przypadku natężenia przepływu różnego od zera pojawia się przesunięcie fazowe podlegające pomiarowi.

Sposób ukształtowania elementów drgających decyduje o czułości pomiarowej, odporności na zakłócenia mechaniczne i wytrzymałości zmęczeniowej układu pomiarowego. Zwłaszcza ten ostatni aspekt konstrukcji przepływomierza z efektem Coriolisa jest bardzo ważny. Dobór materiałów i ich właściwości sprężyste decydują o klasie przepływomierzy działających na zasadzie pomiaru odkształcenia spowodowanego działaniem siły Coriolisa.

Zgodnie z wynalazkiem oscylometryczny przepływomierz masowy zawiera rurkę z kanałem płynowym połączoną z układem wzbudzania drgań i sztywno zamocowaną w jarzmie. Jarzmo to stanowi równoważnię ułożyskowaną korzystnie sprężyście względem nieruchomego sztywnego korpusu podstawy w punkcie obrotu równoważni znajdującym się w osi symetrii całego układu mechanicznego. Do jarzma przymocowana jest jedna strona czujnika pomiaru siły, a druga strona tego czujnika przymocowana jest do nieruchomego korpusu podstawy.

W innym rozwiązaniu oscylometryczny przepływomierz masowy zawiera połączone przeciwsobnie dwa układy, z których każdy zawiera rurkę z kanałem płynowym sztywno zamocowaną w jarzmie stanowiącym równoważnię. Obie równoważnie ułożyskowane są względem siebie korzystnie sprężyście za pomocą zawieszki sprężystej znajdującej się w punkcie obrotu wspólnym dla obu równoważni, umieszczonym w osi symetrii całego układu.

Obie rurki usytuowane równolegle połączone są ze sobą za pomocą trójników, z których jeden znajduje się od strony wlotu, a drugi od strony wylotu obu rurek, przy czym jedna gałąź każdego z trójników jest sztywno zamocowana w korpusie podstawy, a dwie pozostałe dołączone są każda do innej rurki.

W innym rozwiązaniu obie rurki usytuowane równolegle, połączone są szeregowo tak, że strumienie przepływające przez nie są współbieżne.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie oscylometryczny przepływomierz z jedną rurką w jednej równoważni, fig. 2 przedstawia taki przepływomierz z przykładowym wykonaniem zawieszenia sprężystego ogólnie pokazanym na fig. 1, a fig. 3 i fig. 4 przedstawiają przepływomierz z dwiema równoważniami i dwiema rurkami z kanałami płynowymi.

Rurka z kanałem płynowym 2 w oscylometrycznym przepływomierzu pokazanym na fig. 1 i 2 jest sztywno zamocowana w jarzmie 3 stanowiącym jednocześnie równoważnię ułożyskowaną sprężyście za pomocą zawieszki 8 w korpusie podstawy 1. Punkt obrotu 0 równoważni wypada w osi a-a symetrii układu mechanicznego.

Rurka 2 jest pobudzana do drgań za pomocą wzbudnika w postaci siłownika elektromagnetycznego 5.

Pomiar prędkości drgań następuje w czujniku magnetoelektrycznym stanowiącym zespół ruchomego magnesu 6 zamocowanego do rurki 2 i nieruchomych cewek 7 w korpusie podstawy

I dających sygnał elektryczny proporcjonalny do prędkości V środkowego punktu rurki drgającej. Sygnał ten wzmocniony we wzmacniaczu 9 podawany jest na regulator P1D 10 i stanowi wielkość regulowaną. Na drugie wejście regulatora podawany jest sygnał wartości zadanej prędkości Vo. Jednocześnie sygnał prędkości podawany jest do wejścia mnożarki analogowej

II spełniającej rolę wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu. Do drugiego wejścia mnożarki jest podawany sygnał wyjściowy z regulatora. Sygnał wyjściowy z mnożarki poprzez wzmacniacz mocy 12 z dodatkowym wejściem sumacyjnym spełniający jednocześnie rolę konwertera napięcia na prąd, podawany jest do uzwojeń siłownika elektromagnetycznego 5. Zwora siłownika jest sztywno zamocowana do drgającej rurki płynowej 2. Jest to typowy układ wzbudzania drgań rezonansowych. Dodatkowy sygnał prądu podkładu io podawany na wejście sumacyjne wzmacniacza-konwertera 12 pozwala na symetryczne pobudzanie układu drgającego sygnałem sinusoidalnym z małą zawartością harmonicznych.

Jeśli natężenie przepływu masowego q_m w rurce płynowej jest równe zero, układ wykonuje drgania, którym towarzyszy całkowicie symetryczny rozkład sił bezwładności, co wynika z symetrii układu mechanicznego względem osi a-a. Pojawienie się przepływu masowego q_m zakłóca symetrię układu. Na każdy element płynu poruszający się w rurce działają siły Coriolisa dF1 z lewej części rurki i dFp z prawej części rurki, wytwarzające moment dążący do obrócenia

168 889 rurki. W podanym przykładzie przy ruchu rurki do góry rysunku moment sił Coriolisa będzie dążył do obrotu równoważni w prawo wytwarzając siłę reakcji mierzoną za pomocą czujnika 14 najlepiej typu piezoelektrycznego, na przykład kwarcowego. Są to czujniki o bardzo dużej sztywności i pomiar siły można uznać w takim przypadku za bezprzesunięciowy. Sygnał wyjściowy czujnika siły będący ładunkiem elektrycznym jest podawany na wzmacniacz elektrometryczny 13, którego napięciowy sygnał wyjściowy u0 stanowi właściwy sygnał wyjściowy układu pomiarowego (u0~ qm).

Odcinki rurki płynowej 4 pomiędzy równoważnią a korpusem podstawy nie wpływają na rezultat pomiaru pod warunkiem, że ich sztywność jest pomijalnie mała w stosunku do sztywności czujnika siły. Łatwo zauważyć, że na wynik pomiaru nie będą miały wpływu własności sprężyste drgającej rurki płynowej a także własności mechaniczne rurki doprowadzającej płyn do równoważni. Ważne jest jedynie, by amplituda prędkości drgań miała stałą wartość, co zależy jedynie od stabilności wzbudzającego układu elektrycznego. Praktycznie nie odkształcana rurka doprowadzająca także nie ma wpływu na wynik pomiaru. Elementy opisanego przepływomierza mogą być wykonane nawet z tworzyw sztucznych o dużej histerezie sprężystej i plastycznej. Ponieważ elektryczny sygnał wyjściowy z układu jest sygnałem przemiennym o wartości średniej równej zero również dryft zera układu elektronicznego nie ma wpływu na rezultat pomiaru. Jedyna wada rozwiązania przedstawionego na fig. 1 i fig. 2 polega na dynamicznym niewyrównoważeniu układu. Warunkiem poprawnego działania układu jest bowiem zapewnienie, by moment bezwładności korpusu podstawy względem środka obrotu ułożyskowania równoważni był dostatecznie duży, tzn. by dla częstotliwości drgań rurki można było traktować położenie korpusu podstawy jako stałe, niepodlegające przemieszczeniom. Jest to warunek łatwy do spełnienia w przypadku małych średnic rurek płynowych a zwłaszcza wtedy, gdy korpus podstawy jest sztywno związany z dużą masą np. stołu laboratoryjnego, rurociągu mocowanego do elementów konstrukcji budowlanych itp.

Niedogodność tę eliminuje kosztem pewnej komplikacji konstrukcji przepływomierza rozwiązanie przedstawione na fig. 3 i fig. 4.

Wprowadzenie dwu równoważni 3a, 3b, z dwiema rurkami 2a, 2b z kanałami płynowymi związanych ze sobą obrotowo najlepiej za pomocą zawieszki sprężystej 8 i wprowadzenie w drgania w przeciwfazie dwu rurek 2a, 2b z kanałami płynowymi całkowicie równoważy dynamicznie układ. Można to zrealizować rozdzielając przepływ za pomocą trójników 15, 16 (fig. 3) lub łącząc szeregowo rurki płynowe tak, że strumienie przepływające przez nie są współbieżne (fig. 4). Rozwiązanie z fig. 4 tym się wyróżnia, że natężenie przepływu masowego qmjest w obu rurkach drgających 2a i 2b dokładnie to samo. Natomiast nierównomierny podział przepływu (qmi + qm2) w rurkach płynowych 2a, 2b w rozwiązaniu z fig. 3 powoduje pewne niewyrównoważenie dynamiczne układu.

168 889

fig. 2

168 889

fig. 3

168 889

fig. 4

168 889

j fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Oscylometryczny przepływomierz masowy, zawierający co najmniej jedną rurkę z kanałem płynowym połączoną z układem wzbudzania drgań oraz zawierający czujnik pomiaru siły, znamienny tym, że rurka (2) z kanałem płynowym jest sztywno zamocowana w jarzmie (3) stanowiącym równoważnię ułożyskowaną korzystnie sprężyście względem nieruchomego sztywnego korpusu podstawy (1) w punkcie obrotu (0) równoważni znajdującym się w osi symetrii (a-a) całego układu mechanicznego, przy czym do jarzma (3) przymocowana jest jedna strona czujnika pomiaru siły (14), a druga strona tego czujnika przymocowana jest do nieruchomego korpusu podstawy (1).
2. 2. Oscylometryczny przepływomierz masowy zawierający co najmniej jedną rurkę z kanałem płynowym połączoną z układem wzbudzania drgań oraz zawierający czujnik pomiaru siły, znamienny tym, że zawiera połączone przeciwsobnie dwa układy, z których każdy zawiera rurkę (2a, 2b) z kanałem płynowym, sztywno zamocowaną w jarzmie (3a, 3b) stanowiącym równoważnię, przy czym obie równoważnie (3a, 3b) ułożyskowane są względem siebie korzystnie sprężyście za pomocą zawieszki sprężystej (8) usytuowanej w punkcie obrotu (0) wspólnym dla obu równoważni, znajdującym się w osi symetrii całego układu.
3. 3. Oscylometryczny przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że dwie rurki (2a, 2b) usytuowane równolegle połączone są ze sobą za pomocą trójników, z których jeden (15) znajduje się od strony wlotu, a drugi (16) od strony wylotu obu rurek, przy czym jedna gałąź każdego z trójników jest sztywno zamocowana w korpusie podstawy (1), a dwie pozostałe dołączone są każda do innej rurki.
4. 4. Oscylometryczny przepływomierz według zastrz. 2, znamienny tym, że dwie rurki (2a, 2b) usytuowane równolegle, połączone są szeregowo tak, że strumienie przepływające przez nie są współbieżne.