專利名稱：振動式傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種振動式傳感器，其特別地適用于科里奧利(Coriolis)質量流量計。
背景技術：
為了測定在管道中流動的流體特別是液體的質量流量比，經(jīng)常使用在流體中產(chǎn)生科里奧利力并依靠振動傳感器及與其連接的電子控制和測定器件從中得到一個代表質量流量比的測量信號的測量裝置。
這種Coriolis質量流量計為人所公知并且已在工業(yè)中使用了很長時間。例如EP-A 317 340，美國專利5,398,554、5,476,013、5,531,126、5,691,485、5,705,754、5,796,012、5,945,609，和5,979,246以及WO-A 99/51946、WO-A 99/40349，和WO-A00/14485，公開了具有響應管道中流動液體的質量流量比的振動傳感器的Coriolis質量流量計，它包括用來傳導振動運行的流體并且經(jīng)由入口端管部分和出口端管部分與管道相連通的單直流管；在運行中激勵流管在一個管面內進行彎曲振動的激勵器系統(tǒng)；和用來感測流管入口端和出口端的振動的傳感器系統(tǒng)。
如所公知的，直流管根據(jù)自然振動第一形態(tài)受激進入彎曲振動，在通過其中的流體內產(chǎn)生科里奧利力。這些力反過來導致根據(jù)自然振動第二形態(tài)的高級次和/或低級次共面彎曲振動疊加于受激彎曲振動上，從而通過傳感器系統(tǒng)所感測的入口端和出口端上的振動顯示出一個可測相差，同時它也取決于質量流量比。
通常，例如用于Coriolis質量流量計的這種傳感器的流管在運行中受激于自然振動第一形態(tài)的瞬時共振頻率，自然振動第一形態(tài)特別地具有持續(xù)不變的振幅。由于這種諧振也特別取決于流體的瞬時密度，因此商業(yè)上可用的質量流量計也可以用來測量移動流體的密度。
直流管的一個優(yōu)點是其可以具有高度可靠性地幾乎在裝置的任何位置不留殘余地排干，特別是在線進行的清洗操作之后。此外，這種流管非常簡易，從而比例如回旋狀或螺旋狀彎流管減少了生產(chǎn)費用。以上述方式進行振動的直流管優(yōu)于彎流管的另一有利之處是，在運行中幾乎不會在經(jīng)由流管連接的管道內產(chǎn)生扭轉振動。
這種傳感器在實際中存在一個顯著缺點，由于振動單流管反復橫向偏移，以相同頻率振蕩的橫向力就會作用于管道，而迄今為止可能用來抵消這些橫向力影響的方法非常有限并且具有很大的技術復雜性。
為了改善傳感器的動態(tài)平衡并且特別地減少通過振動單流管產(chǎn)生的作用于管道入口端和出口端上的橫向力，在EP-A 317 340，美國專利5,398,554、5,531,126、5,691,485、5,796,012，和5,979,246以及WO-A 00/14485中公開的傳感器每一個都包括至少一個固定于流管入口端和出口端上的單件或多件阻尼器。在運行中，設置成柱形和特別地管形或像一個與流管排成一列的物理擺的這種阻尼器異相于、特別地反相于各個流管進行振動，由此可以使通過流管和管道上的阻尼器所施加的側向橫向力的影響減少到最小或甚至抵消。
帶有阻尼器的這種傳感器經(jīng)證實在應用中有顯著效果，其中所測流體具有一個完全不變或僅有特別些微變化的密度，也就是在應用中綜合作用于連接管道的通過流管所產(chǎn)生的橫向力和通過阻尼器所產(chǎn)生的反作用力的合力可以容易地預調到零度。
如果用于具有大的變密度的流體，例如用于接連地測量不同流體，這種傳感器，特別是像在美國專利5,531,126或5,969,265中所公開的一種，盡管程度較輕但幾乎具有相同的缺點，如不帶有阻尼器的傳感器，由于上述的合力也取決于流體的密度因而會與零度有相當大的區(qū)別。換言之，在運行中，由于密度所決定的不平衡和相關的橫向力，即使流管和阻尼器組成整個系統(tǒng)也會非局部地從一個給定靜止位置發(fā)生偏移。
例如在美國專利5,979,246中，在WO-A 99/40394中，或者在WO-A 00/14485中對減少由密度所決定的橫向力的可能性作出提議。WO-A 0014485特別公開了用于在管道中流動的流體的傳感器，所述的傳感器包括在運行中振動來傳導流體的流管，流管經(jīng)由入口管部分和出口管部分與管道相連通，而由于在其中產(chǎn)生橫向力所以振動流管至少暫時地從一個給定的靜止位置進行橫向位移，從而在傳感器中出現(xiàn)橫脈沖。
用來驅動流管的激勵系統(tǒng)；用來感測流管振動的傳感器系統(tǒng)；和固定于入口管部分的第一阻尼器，和固定于出口管部分的第二阻尼器，用來產(chǎn)生補償振動，有了如此的補償振動從而使橫脈沖得到補償，因此由流管構成的振動系統(tǒng)、激勵系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和兩個懸臂的重心保持在同一位置。
WO-A 99/40394公開了一個用于在管道中流動的流體的振動傳感器，所述的傳感器包括在運行中振動來傳導流體的流管，流管經(jīng)由入口管部分和出口管部分與管道相連通；和連接于流管入口端和出口端上具有在振動流管和阻尼器中所產(chǎn)生的橫向力的阻尼器；
連接于入口管部分和出口管部分的傳感器箱；用來驅動流管的激勵系統(tǒng)；用來感測流管振動的傳感系統(tǒng)；連接于入口端管部分和傳感器箱用來產(chǎn)生反作用力以抵消入口端上的橫向力的第一懸臂；以及連接于出口端管部分和傳感器箱用來產(chǎn)生反作用力以抵消出口端上的橫向力的第二懸臂，有了如此的反作用力從而流管不受所產(chǎn)生的橫向力的影響而保持在一個給定的靜止位置。
在上述包括在美國專利5,979,246中描述的那些傳感器中，一般通過預先和/或在運行中使阻尼器的振幅特別地使由幅度所決定的阻尼器的彈簧常數(shù)適應于流管振動，使得通過流管和阻尼器產(chǎn)生的力相互抵消，以解決由密度所決定的不平衡的問題。
例如在美國專利5,287,754、5,705,754，或5,796,010中描述了減小由密度所決定的橫向力的另一種可能性。在其中公開的傳感器內，依靠與流管相比非常重的阻尼器以及通過相對寬松地連接流管于管道，也就是特別地依靠機械低通過濾器，使由于以中頻或高頻振蕩的振動單流管所產(chǎn)生的橫向力來遠離管道。但是，這種傳感器存在一個大的缺點，就是需要獲得充分阻尼的阻尼器質量的增大與流管的標稱直徑不成比例。使用這種厚重部件，在一方面，要承擔生產(chǎn)過程中所增加的組裝成本和在管道中安裝測量裝置所增加的成本。在另一方面，必須始終確保傳感器隨著增大的質量而減少的最低自然頻率，遠非連接管道的同樣非常低的自然頻率。因此，在工業(yè)Coriolis質量流量計或Coriolis質量流量計-密度計中，并且特別地在用于測量液體的測量計中使用這種傳感器受限于小于或等于10mm的相對小的標稱直徑。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種特別地適合于Coriolis質量流量計或Coriolis質量流量計-密度計的傳感器，在運行中即使只使用一個單式特別地直的流管，它也能在一個廣泛的流體密度范圍內很好地保持動態(tài)平衡并且還具有較小質量。
為了實現(xiàn)此目的，本發(fā)明提供了一個用于管道中流動流體的振動式傳感器，所述的傳感器包括在運行中振動來傳導流體的流管，流管經(jīng)由入口端管部分和出口端管部分與管道相連通，并且由于在傳感器中產(chǎn)生橫脈沖所以振動流管至少暫時地從一個給定的靜止位置進行橫向位移；用來驅動流管的激勵系統(tǒng)；用來感測流管振動的傳感器系統(tǒng)；固定于入口端管部分用來產(chǎn)生使入口端管部分彈性變形的彎矩的第一懸臂；和固定于出口端管部分用來產(chǎn)生使出口端管部分彈性變形的彎矩的第二懸臂；有了如此的彎矩從而在變形入口端管部分和變形出口端管部分中產(chǎn)生反向于振動流管中所產(chǎn)生的橫脈沖的脈沖。
另外，本發(fā)明提供了一種用于管道中流動流體的振動式傳感器，所述的傳感器包括振動運行來傳導流體的流管，流管經(jīng)由入口端管部分和出口端管部分與管道相連通，并且由于在流管中產(chǎn)生橫向力所以振動流管至少暫時地從一個給定的靜止位置進行橫向位移；用來驅動流管的激勵系統(tǒng)；用來感測流管振動的傳感器系統(tǒng)；用來產(chǎn)生使入口端管部分彈性變形的彎矩的第一懸臂，所述的第一懸臂具有一個剛性連接于入口端的懸臂托架和成型于其上的懸臂塊；用來產(chǎn)生使出口端管部分彈性變形的彎矩的第二懸臂，所述的第二懸臂具有一個剛性連接于出口端的懸臂托架和成型于其上的懸臂塊；第一懸臂的懸臂塊和第二懸臂的懸臂塊都與流管、入口端管部分和出口端管部分隔開，并且第一懸臂的懸臂托架和懸臂塊以及第二懸臂的懸臂托架和懸臂塊如此相適應，從而使得盡管流管從其給定的靜止位置進行橫向位移，而位于入口端管部分區(qū)域內的第一懸臂的重心和位于出口端管部分區(qū)域內的第二懸臂的重心仍基本上保持在一個靜止位置。
在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例中，變形入口端管部分和變形出口端管部分基本上沿著與流管的橫向位移相反的方向彎曲。
在本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例中，流管是完全直的。
在本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例中，振動流管進行彎曲振動。
在本發(fā)明的第四優(yōu)選實施例中，兩個懸臂中的每一個至少與流管一樣重。
在本發(fā)明的第五實施例中，傳感器包括一個連接于流管入口端和出口端上的阻尼器。
在本發(fā)明的第六實施例中，阻尼器是管狀的。
在本發(fā)明的第七實施例中，流管至少部分地被阻尼器所圍繞。
在本發(fā)明的第八實施例中，流管和阻尼器是同軸的。
在本發(fā)明的第九實施例中，分離的質量塊連接于阻尼器。
在本發(fā)明的第十實施例中，凹槽成型于阻尼器內。
在本發(fā)明的第十一實施中，連接于阻尼器的質量塊是環(huán)形的并且與阻尼器同軸。
本發(fā)明的基本觀點是將振動流管的趨向干擾測量和/或對連接管道有擾動效應并且疊加于管的原始變形上，也就是疊加于將要測量的變形上的橫向位移運動轉化為使傳感器保持動態(tài)平衡的入口端和出口端管部分的反向變形。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，一方面，傳感器很好地保持平衡而不受可能發(fā)生的由于內部質量分布而在運行中產(chǎn)生的振動的影響，因而也不依賴于流體的密度，也就是僅由于其通過懸臂施力的內部結構，因此橫脈沖和橫向力可以在很大程度上遠離所連接的管道。在另一方面，內部變形力因此必然基本上不作用于傳感器，特別是管道上。
依照本發(fā)明的傳感器通過由于動力隔振，它可以做成很小型并很輕巧的這一事實來另外表現(xiàn)其特征。經(jīng)證實這種傳感器可以具有比例如依靠上述機械低通過濾器系統(tǒng)其內部橫向力平衡于同等范圍的傳感器的25更小的質量。因此，此傳感器特別地適于在較大標稱直徑，例如大于80mm的管道中進行測量。


本發(fā)明及其它的優(yōu)點通過參考以下結合附圖的實施例的描述會變得更加明了。在不同的附圖中使用同樣的標號來標明同樣的部分；如果有助于表述清楚，那么已給定的標號就不在其隨后的附圖中重復。在圖中圖1是帶有一個流管的Coriolis式傳感器的部分截面?zhèn)纫晥D；圖2是圖1中傳感器的改進的部分截面?zhèn)纫晥D；圖3a到3d示意性示出在圖1或圖2中的傳感器運行過程中流管的偏移線路；以及圖4示意性示出在圖1或圖2中的傳感器運行過程中流管的一部分。
具體實施例方式
圖1和圖2以側面示意圖示出一個振動式傳感器。傳感器用來在通過那里的流體中產(chǎn)生機械反作用力，例如質量流量比決定的科里奧利力，密度決定的慣力，和/或粘度決定的磨擦力，這些力作用于傳感器并且是可以測量的，特別是利用傳感器技術測量。由此采用本領域技術人員所熟悉的方式，可以從這些反作用力中得出流體的質量流量比m，密度ρ，和/或粘度η。
為了傳導流體，傳感器包括一個基本上是直的流管10，特別地，為一個單管，其在運行中圍繞靜止位置振蕩，并可重復發(fā)生彈性變形。
為此目的，流管被設置于第一支承系統(tǒng)20從而能夠振動運動，支承系統(tǒng)20連接于流管10的入口和出口端。對于支承系統(tǒng)20，可以使用例如一個支架或一根支管。支承系統(tǒng)20另外的優(yōu)選實施例將在下面進行說明。
為使流體流動穿過流管10，后者經(jīng)由入口端管部分11和出口端管部分12連接于一個導流管。流管10、入口端管部分11和出口端管部分12相互對準并與一個虛縱軸L對準，而且優(yōu)選的是單件構造，因此它們可以由一個例如單管半成品來制成；但是，如果需要的話，流管10和管部分11，12也可以由單件半成品制造然后連接在一起，例如焊接在一起。對于流管10，幾乎可以使用通常用于這種傳感器的任何材料，比如鐵，鈦，鋯等。
如果要使傳感器可以與管道分開，那么入口端管部分11和出口端管部分12上優(yōu)選地分別成型有第一凸緣13和第二凸緣14；如果需要的話，入口和出口端管部分11，12也可以直接與管道連接在一起，例如通過焊接或銅焊。
另外，如圖1中示意性所示，第二支承系統(tǒng)30可以連接于入口和出口端管部分11，12；優(yōu)選地，此第二支承系統(tǒng)可以設置成作為容納流管10的傳感器箱30’，參見圖1。
在運行中，流管10受激進入彎曲振動，特別是在一個自然共振頻率范圍內，從而在這種所謂的有效模式中，它基本上依照自然振動的第一形態(tài)進行偏移。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，流管10受激于與流管的所謂f1本征模式也就是對稱本征模式的自然共振頻率盡可能完全一致的振動頻率，在其中，如圖3中示意性所示，振動的空流管10具有一個單波腹。例如，在特種鋼流管10具有20mm的標稱、大約1.2mm的壁厚和大約350mm的長度的情況下，f1本征模式的共振頻率大約有850到900Hz。
當流體流過管道時，質量流量比m是非零的，科里奧利力通過以上述方式進行振動的流管10而產(chǎn)生于流體中?？评飱W利力作用于流管10上，因此導致流管10依照自然振動的第二形態(tài)的另外變形(未示出)，作為一個共面模式疊加于受激的有效模式上。這個變形可以利用傳感器技術來測定。流管10變形的瞬時形狀，特別是以振幅形式的形狀，也取決于瞬時質量流量比m。自然振動的第二形態(tài)，所謂的Coriolis模式，可以是例如反對稱f2本征模式，也就是具有兩個波腹的模式，并且/或者反對稱f4本征模式具有四個波腹，如在這種傳感器中經(jīng)常見到的情況。
當有效模式受激時，如所公知的，通過與彎曲振動相關的質量加速度在振動單流管10中產(chǎn)生橫向力Q1；因此，相應的側向橫脈沖出現(xiàn)在傳感器中。在例如大約0.03mm的振幅下，對于上述的特種鋼流管來說會產(chǎn)生一個大約100N的橫向力。
如果這些橫向力Q1不均衡，橫脈沖就保留在傳感器中。結果，經(jīng)由入口端管部分11和出口端管部分12裝配的流管10和與其連接的第一支承系統(tǒng)20一起將從給定的靜止位置進行橫向偏移。因此，橫向力Q1會至少部分地經(jīng)由入口端和出口端管部分11、12作用于所連接的管道并因此促使后者也進行振動。
為了將作用于管道上的這種振蕩橫向力Q1減少到最小，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，第一支承系統(tǒng)20設置成一個與流管10異相的阻尼器20’，特別地反相于流管10，并且因此它是優(yōu)選地柔性的。
阻尼器20’用來使傳感器對于一個預定流體密度值保持動態(tài)平衡到能夠達到盡可能完全地抵消在振動流管10中產(chǎn)生的橫向力Q1的程度，并因而使流管10幾乎不離開它的靜止位置，其中預定流體密度值為例如在傳感器運行過程中所期望的一個最頻繁值或一個臨界值，參照圖3a，3b。因此，在運行中，如圖3b中示意性所示，阻尼器20’也受激進入與流管10的彎曲振動基本上共面的彎曲振動。
為此目的，如圖1中所示，阻尼器20’優(yōu)選地以管的形式來實施，特別地是與流管10同軸的一個管。如果需要的話，例如像同樣在美國專利5,969,265，EP-A317，340，或者WO-A 00/14485中所示的阻尼器20’也可以以多部分組合件或通過分別連接于流管10入口端和出口端的兩個單獨的阻尼器來執(zhí)行，參照圖2。特別在后一種情況下，內支承系統(tǒng)20由入口端阻尼器和出口端阻尼器所構成，外支承系統(tǒng)30也可以以一個包括入口端子系統(tǒng)和出口端子系統(tǒng)的雙零件系統(tǒng)來實施，參照圖2。
為了容易地將阻尼器20’調節(jié)到與上述的密度值和流管的實際受激振動模式，在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，第一和第二分立質量塊201、202優(yōu)選地可分離地安裝于阻尼器20’上。質量塊201、202可以是例如旋緊于安置在流管上的長螺栓上的盤狀物，或是滑套在流管上的短管部分。另外，阻尼器20’上相應的質量分布可以通過構造例如縱向或環(huán)形槽來實現(xiàn)。適合于各自應用的質量分布可以通過本領域技術人員利用例如有限元方式和/或合適的校準測量來容易地測定。如果需要的話，當然也可以使用不止兩個質量塊201、212。在這點上應該注意，除了至少阻尼器20’和傳感器箱30’，支承系統(tǒng)20、30可以改裝在現(xiàn)有的管道上，例如像WO-A 99/51946或EP-A 1 150 104中所提議的那樣。
為了引起流管10的機械振動，傳感器還包括一個激勵系統(tǒng)40，特別地一個電力系統(tǒng)。激勵系統(tǒng)用來使由例如具有調節(jié)電流和/或調節(jié)電壓的電子控制器(未示出)提供的電激勵能Eexc轉化為以例如脈動的方式或者調和地作用于流管10上的激勵力Fexc，并且使管以上述方式彈性變形。激勵力Fexc可以是如圖1中示意性所示雙向的，或是非雙向的，并且可以采用本領域技術人員所熟悉的方式例如通過電流和/電壓調節(jié)電路來調節(jié)其振幅，例如通過一個鎖相環(huán)來調節(jié)其頻率。激勵系統(tǒng)可以是例如一個置于阻尼器20’上的帶有圓柱形激勵線圈的簡單螺線管，并通過適當?shù)募铍娏鳈M向運行，并帶有一個固定于流管10外部的永磁電樞，特別地處于其中點，并至少部分地依托在激勵線圈內。激勵系統(tǒng)40也可以由一個電磁鐵，或者如在WO-A99/51946中所示的例如一個振動激勵器來實施。
為了探測流管10的振動，可以使用像通常用于這種傳感器的傳感系統(tǒng)，在其中利用入口端第一傳感器50A和出口端第二傳感器50B來感測流管10的運動，并且以本領域技術人員所熟悉的方式分別把它們轉換為相應的第一和第二傳感器信號S1和S2。傳感器50A、50B可以是如圖1中示意性所示執(zhí)行相關振動測量的電力速度傳感器，或例如電力位移傳感器或加速度傳感器。運用阻力或壓力應變計的傳感器系統(tǒng)或光電傳感器系統(tǒng)可以被使用來代替電力傳感器系統(tǒng)。
如重復所述，對于一個單一流體密度值，流管10也可以通過阻尼器200來保持動態(tài)平衡，但最好是對于一個非常有限的流體密度范圍，參照圖13b。但是，在密度ρ內的振動過程中，流管10將會從它的靜止位置進行橫向位移，在圖3a到3d中通過縱軸L來體現(xiàn)，也就是在處于高于上述流體密度值的高密度ρ時沿著其自身振動的方向位移，如圖3c示意性所示，而在處于低于流體密度值的低密度ρ時沿著可以由阻尼器20’實施的內支承系統(tǒng)20振動的方向位移，如圖3d中所示。
為了改善傳感器的動態(tài)平衡，特別地適合于具有很大變密度ρ的流體，傳感器還包括一個盡可能剛性地固定于入口管部分11的第一懸臂15和一個盡可能剛性地固定于出口管部分12并優(yōu)選地與懸臂15形狀相同的第二懸臂16。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地相對于流管10的中線對稱設置的兩個懸臂15和16，當振動流管10連同阻尼器20’(如果有的話)從它的靜止位置進行橫向位移時，用來分別在流管10的入口管部分11和出口管部分12，特別是流管10的鄰接處，動態(tài)地產(chǎn)生彎矩。為此目的，懸臂15和懸臂16被完全和/或不完全地分別連接在入口管部分11的出口端11#和出口管部分12的入口端12#，例如通過焊接或夾緊。
如圖1和2中示意性所示，兩個懸臂15、16如此優(yōu)選地盡可能接近流管10安置于傳感器中，從而使懸臂15的重心M15和懸臂16的重心M16被隔開，并且特別地與流管10處于一條直線。按照此方式，通過設置于各自的固定點即出口端11#和入口端12#，偏心地也就是不在關聯(lián)的重心M15、M16上的懸臂15、16來產(chǎn)生慣性力矩。這些慣性力矩反過來促使懸臂15、16圍繞其各自的幾乎固定的重心M15、M16振蕩，因而推動出口端11#另外圍繞垂直于流管10的橫向位移運動和縱軸L的第一虛轉軸D15發(fā)生扭轉，以及入口端12#圍繞一個基本上平行于第一虛轉軸的第二虛轉軸D16發(fā)生扭轉，參見圖3c和3d。
在圖4中放大顯示的出口端11#的扭轉促使至少部分的入口端管部分11另外發(fā)生彎曲，它與流管10的位移運動V的方向相反，并且與一個單軸的、橫向力自由的、因此剪應力自由的彎曲相對應；類似地，出口管部分12沿與位移運動V相反的方向彎曲。
根據(jù)本發(fā)明的檢驗結果，入口端和出口端管部分11、12的這種彎曲可以通過例如計算機輔助模擬計算或通過實驗測量加以最優(yōu)化，以使上述振動流管10內的橫向力Q1完全地或至少部分地通過由彎曲產(chǎn)生的反作用力Q2得到平衡，從而不再有通過振動流管10和可能同樣振動的內支承系統(tǒng)20所產(chǎn)生的橫向力作用于連接管道上。由合成彎矩引起的連接管道的任何變形可以通過支承系統(tǒng)30，例如通過一個適當?shù)母邠隙葎偠鹊纳鲜鰝鞲衅飨?0’來容易地加以抑制。
本發(fā)明也以令人驚奇的識別技術而證實通過不受上述有效模式中的流管10的瞬間振動幅度和/或頻率限制的入口管部分11和出口管部分12的適當變形，也就是通過相應偏移線路的適當形式，沿縱軸L的每單位長度的力值和動量值可以如下方式置于傳感器中，即可以產(chǎn)生與振動流管10中產(chǎn)生的橫脈沖反相的橫脈沖使它們相互抵消，因而振動流管10產(chǎn)生的橫向力Q1可以通過由變形入口端管部分11和變形出口端管部分12產(chǎn)生的橫向力Q2基本上得到平衡。
在本發(fā)明另外的優(yōu)選實施例中，懸臂15如此成型并連接于流管10，即其重心M15基本上位于入口端管部分11一半長度的區(qū)域，而懸臂16如此成型并連接于流管10，即其重心M16基本上位于出口端管部分12一半長度的區(qū)域。
為了產(chǎn)生慣性力矩，如圖1中所示，懸臂15具有一個帶有成型于其上、遠離出口端11#的懸臂塊15B的懸臂托架15A，類似地，懸臂16具有一個帶有成型于其上遠離入口端12#的懸臂塊16B的懸臂托架16A。懸臂塊15B和16B如此設定從而能夠響應流管10的橫向偏移、因此分別響應于入口和出口端11#和12#的橫向偏移而發(fā)生扭轉，但是懸臂塊在以懸臂15、16的具體機械幾何參數(shù)為基礎上，以平移的方式基本上保持在各自的靜止位置。通過相應的方式，盡管流管10從其給定的靜止位置進行橫向位移，兩個懸臂15、16各自的重心M15和M16仍基本上保持在它們的靜止位置；因而把它們作為產(chǎn)生上述彎矩的懸臂15、16轉動的中心。
兩個懸臂15、16中的每一個優(yōu)選地夾緊于一端，即也如圖1到4所示它們僅分別連接于出口和入口端11#和12#。然而，為了減少任何不必要的振動模式，如圖4中示意性所示可以設置另外的彈簧和/或阻尼元件固定于各自的懸臂塊15B、16B以及傳感器箱30’，來使懸臂15、16的重心M15和M16在它們各自的靜止位置保持穩(wěn)定。
對具有上述特種鋼流管的傳感器進行的實驗表明，例如，懸臂塊15B、16B中的每一個對于任何的橫向位移都應該是盡可能遲鈍，特別地相比于流管10，因此應該有利地選擇為流管10質量的大約5倍大。而令人驚訝的是兩個懸臂塊15B、16B和它們的懸臂托架15A、16A可以是成比例的、幾乎與在運行中所預期的振動流管10的振動頻率無關；這不僅必須確保懸臂塊15B制作得盡可能重，特別地要重于流管10，而且如上面所指出的，懸臂托架15A、16A要制作得盡可能剛硬。
為使將發(fā)生扭轉的懸臂塊具有盡可能小的阻力，懸臂15和16優(yōu)選地以如下方式成型并連接于流管10，即上述慣性力矩和各自關聯(lián)的懸臂塊15B、16B的商盡可能低。經(jīng)研究顯示，如果流管10如上所述用特種鋼制成，懸臂15和16應該如此成型并分別連接于入口端管部分11和出口端管部分12，即上述商低于10-4kg·m2/kg。此商可以方便地通過把懸臂15B和16B設置成加長的棱柱形或圓柱形來非常精確地設定，在圖3a到3d和4中通過它們各自的橫截面加以表現(xiàn)，并且經(jīng)經(jīng)由懸臂15A和16A分別把它們以如下方式連接到入口端和出口端管部分11和12，即相應于關聯(lián)的懸臂塊15B和16B的最小主慣性矩的各自的慣量主軸平行于上述轉軸D15、D16。
上述商也可加以動態(tài)地最小化來作為流管10的橫向位移運動V的函數(shù)。為了實現(xiàn)之，在本發(fā)明另外的優(yōu)選實施例中，懸臂15B和16B至少部分地做成易曲的，例如通過構造如圖1中示意性所示大致平行于轉軸D15、D16的凹槽。
此外，懸臂15和16優(yōu)選地設計成這樣從而其托架15A和16A分別具有比入口端和出口端管部分11和12的撓度剛度更大的撓度剛度，并且優(yōu)選地至少三倍于之。為此目的，懸臂15A、16A可以是例如管狀的，如關于阻尼器20’已述的那樣；因而，它們可以分別連接于入口端和出口端管部分11和12，與流管10共軸并且與阻尼器20’成一直線，如果提供有后者的話。在這種情況下，懸臂托架15A、16A和阻尼器20’可以由單管狀半成品制成一個部分或者由例如兩個半管制成兩個部分。上述的撓度剛度比也可以例如通過選擇適當長度的入口端和出口端管部分11、12來確定。
然而，使發(fā)明者感到意外的是，經(jīng)證實適合于入口端管部分11和出口端管部分12的彎矩也可以通過懸臂托架15A、16A在某些限制內有效地彈性變形來充分精確地產(chǎn)生。因而懸臂塊15B、16B可以設計成受限幾乎不發(fā)生扭轉，停留在其給定的靜止位置，優(yōu)選地相對遠離流管10。在上述情況下懸臂15A、16A是管狀的，托架可以是例如縱槽形用來設置其撓度剛度和上述商。
從以上說明容易明了，根據(jù)本發(fā)明的傳感器通過大量可能的設置來表現(xiàn)其特征，這些設置使本領域技術人員能夠特別地依照外部或內部安裝尺寸的說明書來獲得在流管10和如果提供有的阻尼器20’之內逐漸形成的橫向力的高質量平衡。
權利要求
1.一種用于管道中流動流體的振動式傳感器，所述的傳感器包括在運行中振動來傳導流體的流管，所述的流管經(jīng)由入口端管部分和出口端管部分與管道相連通，并且由于在傳感器中產(chǎn)生橫脈沖所以所述的振動流管至少暫時地從一個給定的靜止位置進行橫向位移；用來驅動流管的激勵系統(tǒng)；用來感測流管振動的傳感器系統(tǒng)；固定于入口端管部分用來產(chǎn)生使入口端管部分彈性變形的彎矩的第一懸臂；和固定于出口端管部分用來產(chǎn)生使出口端管部分彈性變形的彎矩的第二懸臂，有了如此所述的彎矩，從而在變形入口端管部分和變形出口端管部分中產(chǎn)生反向于振動流管中所產(chǎn)生的橫脈沖的脈沖。
2.權利要求1中所述的傳感器，其特征在于，變形入口端管部分和變形出口端管部分基本上沿著與流管的橫向位移相反的方向進行彎曲。
3.如權利要求1和2至少一個中所述的傳感器，其特征在于，第一懸臂具有一個剛性固定于入口端的懸臂托架和成型于其上的懸臂塊；第二懸臂具有一個剛性固定于出口端的懸臂托架和成型于其上的懸臂塊。
4.一種用于管道中流動流體的振動式傳感器，所述的傳感器包括振動運行來傳導流體的流管，所述的流管經(jīng)由入口端管部分和出口端管部分與管道相連通，并且由于在流管中產(chǎn)生橫向力所以所述的振動流管至少暫時地從一個給定的靜止位置進行橫向位移；用來驅動流管的激勵系統(tǒng)；用來感測流管振動的傳感器系統(tǒng)；用來產(chǎn)生使入口端管部分彈性變形的彎矩的第一懸臂，所述的第一懸臂具有一個剛性連接于入口端的懸臂托架和成型于其上的懸臂塊；和用來產(chǎn)生使出口端管部分彈性變形的彎矩的第二懸臂，所述的第二懸臂具有一個剛性連接于出口端的懸臂托架和成型于其上的懸臂塊，第一懸臂的懸臂塊和第二懸臂的懸臂塊都與流管、入口端管部分和出口端管部分隔開，并且第一懸臂的懸臂托架和懸臂塊以及第二懸臂的懸臂托架和懸臂塊如此相互適應，從而使得盡管流管從其給定的靜止位置進行橫向位移，而位于入口端管部分區(qū)域內的第一懸臂的重心和位于出口端管部分區(qū)域內的第二懸臂的重心仍基本上保持在一個靜止位置。
5.如權利要求1到4至少一個中所述的傳感器，其特征在于，流管基本上是直的。
6.如權利要求1到5至少一個中所述的傳感器，其特征在于，振動流管進行彎曲振動。
7.如權利要求1到6至少一個中所述的傳感器，其特征在于，兩個懸臂中的每一個至少與流管一樣重。
8.如權利要求1到7至少一個中所述的傳感器，其特征在于，傳感器包括一個連接于流管入口端和出口端上的阻尼器。
9.如權利要求8中所述的傳感器，其特征在于，阻尼器是管狀的。
10.如權利要求5和8中所述的傳感器，其特征在于，流管至少部分地被阻尼器所圍繞。
11.如權利要求10中所述的傳感器，其特征在于，流管和阻尼器是同軸的。
12.如權利要求8到11至少一個中所述的傳感器，其特征在于，凹槽成型于阻尼器內。
13.如權利要求8到12至少一個中所述的傳感器，其特征在于，分離的第一和第二質量塊連接于阻尼器。
14.如權利要求13中所述的傳感器，其特征在于，連接于阻尼器的質量塊是環(huán)形的并且與阻尼器同軸。
全文摘要
為了傳導流體，傳感器具有一個在應用中通過激勵系統(tǒng)使其振動并依靠傳感器系統(tǒng)探測其入口端和出口端振動的流管。響應于振動流管中產(chǎn)生的橫向力，后者至少暫時地從一個給定的靜止位置進行橫向位移。為提高傳感器的動態(tài)平衡，第一懸臂和第二懸臂分別剛性地固定于入口端管部分和出口端管部分。依靠懸臂，入口端和出口端管部分由于流管的橫向位移而發(fā)生變形。這會產(chǎn)生至少部分地抵消振動流管中所產(chǎn)生的橫向力的反作用力。所提議的傳感器的一個優(yōu)點是即使在流體密度之內的振動過程中它也會很好地保持平衡。
文檔編號G01F1/00GK1502037SQ02808062
公開日2004年6月2日 申請日期2002年2月28日 優(yōu)先權日2001年4月24日
發(fā)明者阿爾弗雷德·里德, 沃爾夫岡·德拉姆, 岡 德拉姆, 阿爾弗雷德 里德 申請人:恩德斯+豪斯流量技術股份有限公司