專利名稱：振動型測量變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動型測量變換器，特別是適用于科里奧利質(zhì)量 流量計的振動型測量變換器。
背景技術(shù)：
為了確定管道中流動的介質(zhì)特別是液體的質(zhì)量流量，經(jīng)常使用一 種測量儀表，其利用振動型測量變換器以及與其相連的控制及調(diào)節(jié)電 子裝置，在介質(zhì)中產(chǎn)生科里奧利力并由這些力得到代表質(zhì)量流量的測 量信號。
這種科里奧利質(zhì)量流量計早已為人所知并在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。于
是，例如在EP-A317 340、 US-A 53 98 554、 US-A 54 76 013、 US-A 55 31 126、 US-A 56 91 485、 US-A 57 05 754、 US-A 57 96 012、 US-A 59 45 609、US-A 59 79 246、US-A 60 06 609、US-B 63 97 685、US-B 66 91 583、 US-B 68 40 109、 WO-A 99 51 946、 WO國A 99 40 394或WO-A 00 14 485
中記載的科里奧利質(zhì)量流量計，它們各自具有振動型測量變換器。每
一公開的測量變換器都包括單獨的直的測量管，其用于引導(dǎo)介質(zhì)并 在工作期間振動，這種測量管通過入口側(cè)通入的入口管件以及出口側(cè) 通入的出口管件與管道相通；激勵機(jī)構(gòu)，其激勵測量管在工作期間在
管平面中彎曲振蕩；和傳感器裝置，用于逐點檢測測量管的入口側(cè)及
出口側(cè)振蕩。
正如已知的，當(dāng)直的測量管被激勵執(zhí)行第一本征振蕩形式的彎曲 振蕩時，在流經(jīng)測量管的介質(zhì)中引起科里奧利力。這些力導(dǎo)致較高和/ 或較低階的第二本征振蕩形式的共面彎曲振蕩疊加在激勵的彎曲振蕩 上，從而在測量管的入口及出口端上檢測的振蕩還表現(xiàn)出依賴于質(zhì)量
流量的可測相差。
通常這種測量變換器，例如在科里奧利質(zhì)量流量計中使用的測量 變換器的測量管在工作期間被激勵為第一本征振蕩形式的瞬時振蕩頻 率，特別是在其被調(diào)節(jié)為恒定振幅的情況。由于這個諧振頻率特別地 還依賴于介質(zhì)的瞬時密度，利用市場上常見的科里奧利質(zhì)量流量計可 以除了測量質(zhì)量流量之外，還測量流動的介質(zhì)的密度。
直的測量管的一個優(yōu)點在于，例如它們可以在基本上任何安裝位 置被高度確定地清空殘留物，特別是在在線執(zhí)行了清潔處理之后。另 外，例如與Q形或螺旋形彎曲的測量管相比，這種測量管可以特別簡 單并因而更廉價地制造。以上述方式振動的直的測量管的另一優(yōu)點在 于，與彎曲的測量管相比，在測量操作期間基本沒有通過測量管在連 接的管道中產(chǎn)生扭曲振蕩。
另一方面，上述測量變換器的顯著缺點在于，由于振動的單個測 量管的交替的橫向偏轉(zhuǎn)，相同頻率的振蕩的橫向力可能作用于管道。 如今，這些橫向力僅能夠被非常有限地得到補(bǔ)償并且需要非常很高的 技術(shù)努力。
為了改進(jìn)測量變換器的動態(tài)平衡，特別是為了減少由振動的單個
測量管引起的作用于管道入口及出口端的橫向力，EP-A 317 340、 US-A 53 98 554、 US-A 55 31 126、 US-A 56 91 485、 US國A 57 96 012、 US-A 59 79 246、 US-A 60 06 609、 US-B 63 97 685、 US-B 66 91 583、 US-B 68 40 109或WO-A 00 14 485中公開的測量變換器包括反振蕩器，其單部件 或多部件實現(xiàn)，并且通過形成第一聯(lián)接區(qū)而在入口端固定至測量管， 通過形成第二聯(lián)接區(qū)而在出口端固定至測量管。這種反振蕩器實現(xiàn)為 束狀或者特別是為管狀或者實現(xiàn)為與測量管對齊的擺動體，其在工作 期間與測量管異相地特別是反相地振蕩，從而由測量管引起的橫向力 和/或橫向脈沖的影響可以被最小化，并且在一些情況中被完全抑制。
這種具有單個測量管和反振蕩器的測量變換器已經(jīng)得到證明，特 別是在待測介質(zhì)具有基本恒定密度或者密度僅輕微改變的情況中，艮P， 由測量管產(chǎn)生的橫向力和反振蕩器產(chǎn)生的反作用力作用于所連接管道 上的合力可以在最初被設(shè)置為零的情況。相反，在介質(zhì)密度在較寬范 圍波動的應(yīng)用情況，特別是在不同介質(zhì)依次流過的情況，特別是在US-A
55 31 126或US-A 59 69 265中公開的測量變換器基本上與沒有反振蕩 器的測量變換器具有相同的缺點，因為上述合力還依賴于介質(zhì)的密度 并且因而會顯著偏離零。換言之，由于依賴于密度的不平衡以及與之 相關(guān)聯(lián)的橫向力，至少由測量管和反振蕩器形成的測量變換器的內(nèi)部 件在工作期間全面偏離期望的靜態(tài)靜止位置。
例如在US-A 52 87 754、 US-A 57 05 754、 US國A 57 96 010或US-B
69 48 379中記載了減少依賴于密度的橫向力的一種可能。在所示測量 變換器的情況中，在振動的單個測量管產(chǎn)生的更中頻或高頻振蕩橫向 力被利用與測量管相比非常重的反振蕩器以及測量管與管道的可能的 相對較軟的聯(lián)接，即，被利用機(jī)械低通濾波器，而保持遠(yuǎn)離管道。然 而，這種測量變換器的一個很大缺點在于，獲得足夠魯棒的衰減所需 的反振蕩器質(zhì)量隨測量管額定直徑而超過成比例地增加。另一方面， 當(dāng)使用這種厚重反振蕩器時，必須保證測量變換器的最小本征頻率(其 隨著質(zhì)量增加而變得更低)仍然遠(yuǎn)離所連接管道的同樣非常低的本征 頻率。
例如在US-A 59 79 246、 US陽B 63 97 685、 US-B 66 91 583、 US-B 68 40 109、 WO-A 99 40 394或WO-A 00 14 485中建議了減少依賴于密度 的橫向力的其它實現(xiàn)可能。在所公開的補(bǔ)償機(jī)制的情況中，關(guān)鍵是通 過提供測量變換器的內(nèi)部件的各個部件的合適的交互，而擴(kuò)展反振蕩 器和偏移部分有效的帶寬。
特別地，在US-B 63 97 685中，公開了一種上述類型的測量變換
器，其中第一平衡質(zhì)量作為對于激勵振蕩的質(zhì)量平衡措施并且在補(bǔ)償 圓柱體垂直于縱軸的中央平面中與補(bǔ)償圓柱體相連，并且提供第二平 衡質(zhì)量和第三平衡質(zhì)量作為對于科里奧利振蕩的質(zhì)量平衡措施，第二 平衡質(zhì)量和第三平衡質(zhì)量實現(xiàn)為反振蕩器的末端區(qū)域。以這種方式， 實現(xiàn)了由科里奧利測量管和補(bǔ)償圓柱體構(gòu)成的振蕩系統(tǒng)在質(zhì)量方面對 于科里奧利測量管的激勵振蕩以及對于科里奧利測量管的科里奧利振 蕩都至少大體上得到平衡。
WO-A 00 14 485也記載了一種用于管道中流動的介質(zhì)的振動型測 量變換器，其中提供了入口側(cè)第一懸臂，其在位于第一和第二聯(lián)接
區(qū)之間的第三聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中與測量管聯(lián)接，并且質(zhì)心位于測量管的
區(qū)域中；和出口側(cè)第二懸臂，其在位于第一和第二聯(lián)接區(qū)之間的第四 聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中與測量管聯(lián)接，并且質(zhì)心位于測量管的區(qū)域中。兩條 懸臂各自用于執(zhí)行平衡振蕩，平衡振蕩使得橫向脈沖得到補(bǔ)償，并因 而使得由測量管、激勵機(jī)構(gòu)、傳感器裝置和兩條懸臂形成的內(nèi)部件的 質(zhì)心保持位置固定。另外，WO-A 99 40 394記載了一種上述類型的測 量變換器，其中提供用于產(chǎn)生在入口側(cè)逆著橫向力作用的反作用力的 第一懸臂，以及用于產(chǎn)生在出口側(cè)逆著橫向力作用的反作用力的第二 懸臂。在這種情況中，第一懸臂在第一聯(lián)接區(qū)的區(qū)域固定至測量管， 并在入口側(cè)固定至變換器外殼；第二懸臂在第二聯(lián)接區(qū)的區(qū)域固定至 測量管，并在出口側(cè)固定至變換器外殼，從而形成反作用力，使得盡 管有產(chǎn)生的橫向力，但測量管仍然保持固定在期望的靜態(tài)靜止位置。
在前述測量變換器的情況中，包括在US-A 59 79 246中所記載的 測量變換器的情況中，原理上通過在工作之前和/或期間將反振蕩器的 幅度特性(特別是通過反振蕩器的依賴于幅度的可變彈性剛度)與測 量管振蕩相匹配，使得由測量管和反振蕩器產(chǎn)生的力基本彼此補(bǔ)償， 而解決了依賴于密度的不平衡的問題。
最終，在US-B 66 91 583和US-B68 40 109中，公開了測量變換
器，其中提供第一懸臂和第二懸臂，第一懸臂在第一聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中 基本剛性地固定至測量管、反振蕩器和入口管件，第二懸臂在第二聯(lián) 接區(qū)的區(qū)域中基本剛性地固定至測量管、反振蕩器和出口管件。
兩條懸臂，特別是關(guān)于測量管的中心對稱設(shè)置的懸臂在這里用于 當(dāng)振動的測量管連同反振蕩器以及還有兩個聯(lián)接區(qū)橫向偏離它們各自 的期望靜態(tài)靜止位置時，在入口及出口管件中產(chǎn)生動態(tài)的彎曲力矩， 該彎曲力矩被這樣構(gòu)成，使得在形變的入口管件以及形變的出口管件 中產(chǎn)生脈沖，該脈沖與振動的測量管中產(chǎn)生的橫向脈沖反向。兩條懸 臂為此這樣實現(xiàn)并設(shè)置在測量變換器中，使得位于入口管件的區(qū)域中 的第一懸臂質(zhì)心以及位于出口管件的區(qū)域中的第二懸臂質(zhì)心都基本位 置固定地保持在靜態(tài)靜止位置中，盡管測量管橫向偏離其期望的靜態(tài) 靜止位置。這種補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的基本原理在于，將振動的測量管的橫向位 移運(yùn)動轉(zhuǎn)換為入口及出口管件的反向形變，并基本消除該橫向位移運(yùn) 動，其中前述的橫向位移運(yùn)動否則將以干擾的方式作用于測量和/或連 接的管道并且疊加在其引起測量效應(yīng)的基本形變上，前述入口及出口 管件的反向形變動態(tài)地平衡測量變換器。通過合適地調(diào)整內(nèi)部件，可 以這樣構(gòu)成入口及出口管件的形變，使得橫向脈沖基本獨立于測量管 的瞬時振蕩幅度和/或頻率而彼此補(bǔ)償。以相應(yīng)的方式，還可以利用由 形變的入口管件和形變的出口管件產(chǎn)生的橫向力基本補(bǔ)償由振動的測 量管產(chǎn)生的橫向力。
然而，進(jìn)一步的調(diào)査顯示，盡管利用US-B 66 91 583和US-B 68 40 109建議的解耦機(jī)構(gòu)，原理上可以獲得關(guān)于抗干擾性的非常好的結(jié)果， 但是對于確定的應(yīng)用，特別是在那些介質(zhì)密度在非常寬的范圍波動的 應(yīng)用，利用公開的結(jié)構(gòu)，對于解耦機(jī)構(gòu)的帶寬太小，并因在測量變換 器抗干擾方面不能得到令人滿意的結(jié)果。然而，還可以確定，僅僅通 過諸如在US—A 52 87 754、 US—A 57 05 754、 US—A 57 96 010或US—B 69 48 379中建議的應(yīng)用相對較重的反振蕩器不能明顯改善US-B 66 91 583和US-B 68 40 109中給出的解耦機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明的目的是提供一種前述類型的測量變換器，特別是 適用于科里奧利質(zhì)量流量計或科里奧利質(zhì)量流量/密度計，其在工作中 在較寬介質(zhì)密度范圍上被很好地動態(tài)平衡并且其中測量管和反振蕩器 能夠具有相對較小的質(zhì)量。
為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明在于一種用于管道中流動的介質(zhì)的振動 型測量變換器。該測量變換器包括測量管，其在工作期間至少間歇 地振動并且用于引導(dǎo)介質(zhì)，其中測量管經(jīng)由通入入口側(cè)的入口管件以 及通入出口側(cè)的出口管件與管道連通；和反振蕩器，其在入口側(cè)固定 至測量管以形成第一聯(lián)接區(qū)，在出口側(cè)固定至測量管以形成第二聯(lián)接 區(qū)。測量變換器還包括第一懸臂，用于在入口管件中產(chǎn)生彎曲力矩， 其在第一聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中基本剛性地與入口管件和測量管連接，并且 其質(zhì)心位于入口管件的區(qū)域中；以及第二懸臂，用于在出口管件中產(chǎn) 生彎曲力矩，其在第二聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中基本剛性地與出口管件和測量 管連接，并且其質(zhì)心位于出口管件的區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，兩條懸臂各自的質(zhì)量都至少等于反振 蕩器的質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，兩條懸臂各自的質(zhì)量大于反振蕩器的 質(zhì)量的1.5倍。在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，兩條懸臂各自的質(zhì)量小于反 振蕩器的質(zhì)量的5倍，特別是不大于反振蕩器的質(zhì)量的3倍。
根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，反振蕩器的質(zhì)量至少為測量管的質(zhì)量 的5倍。
根據(jù)本發(fā)明的第四實施例，兩條懸臂各自的質(zhì)量至少為測量管的 質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的第五實施例，懸臂的長度至多為入口管件或出口管 件的長度的0.9倍。
根據(jù)本發(fā)明的第六實施例，兩條懸臂各自被構(gòu)造為基本為管狀或 者套筒狀。在這個實施例的進(jìn)一步發(fā)展中，懸臂各自的最大壁厚大于 反振蕩器的最大壁厚。進(jìn)一步，懸臂各自的最小壁厚大于反振蕩器的 最大壁厚。
根據(jù)本發(fā)明的第七實施例，測量管、入口管件及出口管件各自由 單個的整件的管的片段形成。
根據(jù)本發(fā)明的第八實施例，測量管基本是直的。在本發(fā)明的這個 實施例的進(jìn)一步發(fā)展中，反振蕩器同樣是直的，并且測量管和反振蕩 器基本彼此同軸。根據(jù)本發(fā)明的這個實施例的進(jìn)一步發(fā)展，懸臂各自 的長度至多為測量管的長度的0.5倍，特別是在這種情況中，各條懸臂
的長度小于測量管的長度的0.4倍。
根據(jù)本發(fā)明的第九實施例，測量管至少部分由反振蕩器圍繞。 根據(jù)本發(fā)明的第十實施例，反振蕩器也是管狀的。
根據(jù)本發(fā)明的第十一實施例，反振蕩器的內(nèi)徑大于50mm和/或壁 厚大于5 mm。
根據(jù)本發(fā)明的第十二實施例，入口管件和出口管件基本是直的。 在本發(fā)明的這個實施例的進(jìn)一步發(fā)展中，入口管件和出口管件基本彼 此對齊并且與測量變換器的虛擬連接兩個聯(lián)接區(qū)的縱軸對齊。在本發(fā) 明的這個實施例的另一進(jìn)一步發(fā)展中，測量管在工作期間至少間歇地 執(zhí)行圍繞彎曲振蕩軸的彎曲振蕩，該彎曲振蕩軸與縱軸基本平行，特別是一致。進(jìn)一步，測量管在工作期間至少間歇地執(zhí)行圍繞扭轉(zhuǎn)振蕩 軸的扭轉(zhuǎn)振蕩，該扭轉(zhuǎn)振蕩軸與縱軸基本平行，特別是一致。
根據(jù)本發(fā)明的第十三實施例，入口管件的長度以及出口管件的長 度各自至多為測量管的長度的0.5倍。在本發(fā)明的這個實施例的進(jìn)一步 發(fā)展中，入口管件的長度以及出口管件的長度都小于測量管的長度的
0.4倍。
在本發(fā)明的這個實施例的另一進(jìn)一步發(fā)展中，測量管在工作期間 至少間歇地以振蕩頻率振動，該振蕩頻率考慮了入口管件的長度以及
入口管件的彎曲剛度，大于丄|l^iiiiiZtL，其中Ln代表入口管件
的長度，rms代表第一懸臂的質(zhì)量，E^^代表入口管件的彎曲剛度， 它是由入口管件的材料的彈性模數(shù)Eu以及入口管件的軸向平面慣性 矩1 確定的。另外，測量管在填充了水時具有最低自然本征頻率，其
根據(jù)本發(fā)明的第十四實施例，空的測量管具有最低自然本征頻率， 其大于或約等于反振蕩器的最低自然本征頻率。在本發(fā)明的這個實施 例的進(jìn)一步發(fā)展中，填充了水的測量管的最低自然本征頻率至少為反 振蕩器的最低自然本征頻率的1.1倍。
根據(jù)本發(fā)明的第十五實施例，入口管件、出口管件和測量管基本 是直的，并且入口管件的長度以及出口管件的長度至多為測量管的長 度的0.5倍。在本發(fā)明的這個實施例的進(jìn)一步發(fā)展中，入口管件的長度 和出口管件的長度都小于測量管的長度的0.4倍。
根據(jù)本發(fā)明的第十六實施例，第一懸臂的圍繞第一懸臂虛擬第一 旋轉(zhuǎn)軸的第一質(zhì)量慣性矩與第一懸臂的圍繞第一懸臂虛擬第二旋轉(zhuǎn)軸 的第二質(zhì)量慣性矩之比小于5，特別地小于2，其中所述第一旋轉(zhuǎn)軸位
于第一聯(lián)接區(qū)中，所述第二旋轉(zhuǎn)軸基本平行與測量管縱軸。另外，第 二懸臂的圍繞第二懸臂虛擬第一旋轉(zhuǎn)軸的第一質(zhì)量慣性矩與第二懸臂 的圍繞第二懸臂虛擬第二旋轉(zhuǎn)軸的第二質(zhì)量慣性矩之比小于5，特別地 小于2，其中所述第一旋轉(zhuǎn)軸位于第二聯(lián)接區(qū)中，所述第二旋轉(zhuǎn)軸基本 平行與測量管縱軸。進(jìn)一步，兩個第一質(zhì)量慣性矩各自至少為0.01
kg 1112和/或兩個第二慣性質(zhì)量慣性矩各自至少為0.01 kg m2。根據(jù)本 發(fā)明的這個實施例的另一發(fā)展，各個懸臂的第一慣性質(zhì)量矩與其各自 質(zhì)量之商小于0.03 1112并且特別是在0.001 m2 0.01 1112的范圍。另外， 各個懸臂的上述商與測量管的橫截面面積之比小于10。特別地在這種 情況中，對于兩條懸臂，上述商位于0.5 5的范圍。
根據(jù)本發(fā)明的第十七實施例，各條懸臂至少部分直接固定在反振 蕩器上。
根據(jù)本發(fā)明的第十八實施例，各條懸臂具有至少一個縱向槽。
根據(jù)本發(fā)明的第十九實施例，各條懸臂利用螺旋連接固定在反振 蕩器上。
根據(jù)本發(fā)明的第二十實施例，各條懸臂是利用推上反振蕩器的套 筒形成的。在本發(fā)明的這個實施例的進(jìn)一步發(fā)展中，各個形成懸臂的 套筒具有至少一個環(huán)形槽。進(jìn)一步，兩條懸臂中任一條的至少一個環(huán) 形槽與相應(yīng)懸臂的慣性主軸基本同軸，特別是同中心。
根據(jù)本發(fā)明的第二H"^—實施例，測量管的內(nèi)徑大于40 mm和/或壁 厚大于2 mm。
根據(jù)本發(fā)明的第二十二實施例，測量變換器還包括傳感器裝置， 用于至少監(jiān)測測量管的振蕩。
根據(jù)本發(fā)明的第二十三實施例，測量變換器還包括激勵裝置，用 于至少驅(qū)動測量管。
根據(jù)本發(fā)明的第二十四實施例，測量管至少間歇地以振蕩頻率振 動，該振蕩頻率至少為測量變換器的可振蕩內(nèi)部件的最低自然本征頻 率的1.5倍，該內(nèi)部件至少是利用測量管、反振蕩器、入口管件、出口 管件以及兩條懸臂形成的。在本發(fā)明的這個實施例的另一發(fā)展中，內(nèi) 部件的最低自然本征頻率基本由懸臂、測量管和反振蕩器的質(zhì)量以及 入口及出口管件的有效彎曲剛度確定，該有效彎曲剛度與入口及出口
管件的形變相對抗地作用，所述形變是由聯(lián)接區(qū)橫向偏離靜態(tài)靜止位 置以及隨之而來的懸臂圍繞其各自質(zhì)心的扭曲而得到的。
另外，本發(fā)明在于一種在線測量儀表，其例如實施為科里奧利質(zhì) 量流量計、密度計、粘度計等，用于測量和/或監(jiān)控管道中流動的介質(zhì) 的至少一個參數(shù)，例如質(zhì)量流量、密度和/或粘度，其中上述類型的測 量變換器位于該在線測量儀表中。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，特別是與US-A 52 87 754、 US-A 57 05 754、 US-A 57 96 010或US_B 69 48 379中建議的較重反振蕩器相比，通過 略微增加內(nèi)部件的質(zhì)量，顯著改進(jìn)測量變換器的平衡，并因此也能夠 顯著改進(jìn)其抗干擾性。本發(fā)明的測量變換器的突出之處在于，其即使 對于經(jīng)由連接的管道而可能耦合入的干擾振蕩也有很強(qiáng)的抗干擾能 力。還發(fā)現(xiàn)，例如與內(nèi)部橫向力被利用在US-A 52 87 754、 US-A 57 05 754、 US-A 57 96 010或US-B 69 48 379中提到的簡單機(jī)械低通系統(tǒng)而 同等質(zhì)量地得到補(bǔ)償?shù)臏y量變換器相比，這種測量變換器能夠具有明 顯更低的質(zhì)量。另外，由于動態(tài)振蕩解耦，它可以非常緊湊地實現(xiàn)。 于是，測量變換器特別適用于在額定直徑例如大于50 mm的管道中進(jìn) 行測量。然而，測量變換器還適用于在較大額定直徑(例如，大于40mm)
的管道中進(jìn)行測量。


現(xiàn)在根據(jù)附圖中顯示的實施例解釋本發(fā)明及進(jìn)一步的優(yōu)點。相同 的部件在附圖中具有相同的附圖標(biāo)記。如果有助于清楚，在后續(xù)的附 圖中省略已經(jīng)提到的附圖標(biāo)記。附圖中
圖1顯示了可插入管道中的在線測量儀表，用于測量管道中引導(dǎo) 的介質(zhì)的至少一個參數(shù)；
圖2以透視側(cè)視圖顯示了適用于根據(jù)圖1的在線測量儀表的振動 型測量變換器的一個實施例，所述測量變換器包括測量管、反振蕩器、 入口側(cè)懸臂和出口側(cè)懸臂；
圖3以側(cè)視圖顯示了部分根據(jù)圖2的測量變換器；
圖4顯示了根據(jù)圖2的測量變換器的第一截面；
圖5顯示了根據(jù)圖2的測量變換器的第二截面；
圖6a) d)示意性顯示了以橫向彎曲振蕩模式振蕩的測量管和反振 蕩器的彎曲線；
圖7a、 b示意性顯示了根據(jù)圖2的測量變換器的懸臂的一個實施 例；和
圖8示意性顯示了具有根據(jù)圖6c)振動的測量管的測量變換器的截面。
具體實施例方式
圖1顯示了可插入管道的在線測量儀表，例如科里奧利質(zhì)量流量 計、密度計、粘度計等，其用于測量和/或監(jiān)控管道中流動的介質(zhì)的至 少一個參數(shù)，例如質(zhì)量流量、密度、粘度等。在線測量儀表為此包括 振動型測量變換器，待測介質(zhì)在工作期間流經(jīng)該測量變換器。圖2-5 示意性顯示了這種測量變換器的實施例。另外，原理機(jī)械結(jié)構(gòu)及其操 作方式與US-B 66 91 583或US-B 68 40 109中公開的測量變換器類似。 測量變換器用于在其中流過的介質(zhì)中產(chǎn)生機(jī)械反作用力，例如依賴于 質(zhì)量流量的科里奧利力、依賴于密度的慣性力和/或依賴于粘度的摩擦 力，它們可測量地、特別是可由傳感器檢測地反作用于測量變換器。 以本領(lǐng)域已知的方式，可以從這些反作用力測量例如質(zhì)量流量m、密
度p和/或粘度Tl。
為了引導(dǎo)介質(zhì)，測量變換器包括在這里為單個的基本直的測量管 10，其在工作期間振動并因而圍繞靜態(tài)靜止位置振蕩地重復(fù)彈性形變。
為了最小化作用于測量管io的干擾影響，并且為了減少從測量變 換器到連接的管道傳遞的振蕩能量，測量變換器中還具有反振蕩器20，
其在這種情況中基本平行于測量管IO延伸。如圖3所示，它固定至測 量管10，使得在入口側(cè)形成限定測量管IO入口端的第一聯(lián)接區(qū)11#， 在出口側(cè)形成限定測量管10出口端的第二聯(lián)接區(qū)12#。反振蕩器20可 以是管狀或盒狀的，并且可以例如在入口端和出口端與測量管io相連， 使得它基本與測量管10同軸，正如圖2和3所示，從而反振蕩器20 包圍測量管IO。另外，在當(dāng)前實施例中，反振蕩器20比測量管IO重 很多。
為了能被待測介質(zhì)流過，測量管IO通過在入口側(cè)通入第一聯(lián)接區(qū) 的區(qū)域中的入口管件11以及通過在出口側(cè)通入第二聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中的 出口管件12連接至管道(未顯示)，該管道引入或引出介質(zhì)，特別地， 出口管件12基本與入口管件11相同。入口管件11和出口管件12在 所示實施例中基本是直的并且彼此、與測量管10以及與虛擬連接聯(lián)接 區(qū)的虛擬縱軸L對齊。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，入口管件ll的長度 L 以及出口管件12的長度Lu都至多為測量管10的長度L1()的0.5倍。 為了能夠提供盡可能緊湊的測量變換器，入口管件11的長度Ln和出 口管件12的長度Lu都小于測量管IO的長度Lh)的0.4倍。
以具有優(yōu)點的方式，測量管IO、入口管件11和出口管件12可以
整件形成，從而例如單個的管狀半成品能夠用于它們的制造。作為替 代，測量管10、入口管件11和出口管件12分別由單獨的一件管的片 段形成，如果需要，它們還可以由單獨的隨后連接(例如焊接)在一 起的半成品制造。
正如圖2和3示意性示出的，本發(fā)明的測量變換器還包括第一懸 臂15和第二懸臂16，其中第一懸臂在第一聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中與入口管件 11和測量管10聯(lián)接并且質(zhì)心Mu位于入口管件11的區(qū)域中，第二懸 臂在第二聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中與出口管件12和測量管10聯(lián)接并且質(zhì)心M^ 位于出口管件12的區(qū)域中。換言之，兩個特別是基本相同構(gòu)造的、如 果需要甚至等同的懸臂15、 16這樣設(shè)置在測量變換器中，使得各自的 質(zhì)心M15、 M^與測量管10相距，特別是在其運(yùn)動范圍中。于是，兩 條懸臂15和16偏心地保持在入口及出口管件上并相應(yīng)地偏心地保持 在測量管10和反振蕩器20上。在本發(fā)明的另一實施例中，懸臂15這 樣形成并安裝在測量管10上，使得其質(zhì)心M,5基本位于入口管件11 的一半長度的區(qū)域，并且懸臂16這樣形成并安裝在測量管10上，使 得其質(zhì)心M^基本位于出口管件12的一半長度的區(qū)域。為了獲得盡可 能緊湊的測量變換器，在本發(fā)明的一個實施例中，這樣構(gòu)造各個懸臂 15、 16，使得其長度Li5、 1^分別最多為入口管件11的長度Ln和出 口管件12的長度L12的0.9倍并且/或者最多為測量管10的長度L10的 0.5倍。特別地，進(jìn)一步這樣構(gòu)造各個懸臂15、 16，使得其長度盡可能 小于測量管10的長度L1Q的0.4倍
正如從圖l和3清楚看到的，由測量管IO、反振蕩器20、入口管 件ll、出口管件12以及兩條懸臂15、 16形成的測量變換器內(nèi)部件可 振蕩地支持在變換器外殼30中，該變換器外殼介質(zhì)密閉地且基本壓密 地包圍內(nèi)部件，變換器外殼30相應(yīng)地固定至入口及出口管件11、 12 遠(yuǎn)離聯(lián)接區(qū)的末端。對于測量變換器要可拆卸地安裝到管道上的情況， 分別在入口管件11和出口管件12上形成第一和第二法蘭13、 14。在 這種情況中，法蘭13、 14可以也形成為變換器外殼30的整體部件。 如果需要，入口及出口管件ll、 12也可以例如通過熔焊或銅焊而直接 與管道連接。
為了制造上述內(nèi)部件的各個部件，可以使用這種測量變換器常用
的任何材料，例如，鋼、鉭、鈦、鋯等，或者可以使用這些材料的合 適的組合。例如，已經(jīng)證明對于測量管10以及入口管件11和出口管 件12使用鈦是特別適合的；然而，例如出于成本節(jié)約的原因，對于反
振蕩器20和懸臂15、 16以及對于變換器外殼30，使用鋼是具有優(yōu)點
的。為了能夠盡可能簡單且成本低廉地制造懸臂以及最終制造測量變
換器，兩條懸臂15、 16可以例如各自基本為管狀或套筒狀，從而其可 以基本上利用推到反振蕩器20上的套筒特別是金屬套筒而形成，特別 是對于反振蕩器20已經(jīng)與測量管IO相連的情況。根據(jù)進(jìn)一步的發(fā)展， 每一個在這種情況中形成各個懸臂15、 16的套筒具有至少一個環(huán)形槽。 正如從圖2和3清楚看到的，在當(dāng)前實施例中，至少兩條環(huán)形槽中的 每一個都與相應(yīng)懸臂15、16的基本平行于縱軸L的慣性主軸基本同軸， 特別是共中心。作為將上述套筒用于懸臂15、 16的替代，懸臂還可以 與反振蕩器20 —起例如利用單獨的管狀半成品整件制造或者利用兩個 半管而兩件地制造。
在測量變換器的工作期間，正如開始已經(jīng)提到的，測量管IO被激 勵至少間歇地橫向彎曲振蕩，特別是在自然諧振頻率的范圍內(nèi)，從而 它以所謂的有效模式基本根據(jù)第一自然本征振蕩形式彎曲。在這種情 況中，彎曲振蕩基本上與彎曲振蕩軸橫切，該彎曲振蕩軸與縱軸L基 本平行，特別是一致。在本發(fā)明的一個實施例中，測量管10被激勵具 有振蕩頻率fexe，該頻率盡可能精確地對應(yīng)于測量管10的所謂fl本征 模式的自然諧振頻率，即對稱本征模式，其中如圖6b) 6d)示意性 顯示的，振動的但沒有介質(zhì)流過的測量管IO相對于垂直于縱軸的中央 軸基本對稱地彎曲并且具有基本單一的振蕩波腹。同樣，正如在圖6b 中示意性顯示的，反振蕩器20也在測量變換器工作期間被激勵彎曲振 蕩，該彎曲振蕩與測量管IO的彎曲振蕩基本共面但基本反相。對于介 質(zhì)在管道中流動并且因而質(zhì)量流量m不為零的情況，利用以上述方式 振動的測量管IO在流經(jīng)的介質(zhì)中感應(yīng)科里奧利力。這些力反過來作用 于測量管10并因而引起附加的測量管10的可由傳感器檢測的形變(這 里沒有顯示)，該形變對應(yīng)于第二自然本征振蕩形式，其基本共面地
疊加在激勵的有效模式上。測量管IO的形變的瞬時特性，特別是其幅
度，也依賴于瞬時質(zhì)量流量m。正如在這種測量變換器的情況中常見
的，用作第二本征振蕩形式的所謂科里奧利模式可以例如是具有兩個
振蕩波腹的不對稱f2本征模式的本征振蕩形式和/或具有四個振蕩波腹 的不對稱f4本征模式的本征振蕩形式。
進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，這樣確定測量管IO和反振蕩 器20的尺寸，使得空的測量管lO具有最低自然本征頻率f,o，其大于 或約等于反振蕩器20的最低自然本征頻率f2。。特別地，這樣確定測量 管10和反振蕩器20的尺寸，使得充滿水的測量管10具有最低自然本 征頻率fie,H2o，該頻率至少等于反振蕩器20的最低自然本征頻率f20。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，測量管10和反振蕩器20在它們的振蕩特 性方面這樣彼此調(diào)節(jié)，使得測量管10當(dāng)完全充滿水時的最低本征頻率 f10， H20也至少為反振蕩器20的最低自然本征頻率f2。的1.1倍。在測量 管10由鈦制成、額定直徑DN約為55mm、長度L^約為570 mm且壁 厚約為2.5mm的情況，空的測量管的fl本征模式的自然諧振頻率fu)， Air 將約為550 Hz，而充滿水的測量管的fl本征模式的自然諧振頻率f10， H2o,約為450 Hz。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，這樣確定測量管10和反振蕩器20的 尺寸，使得反振蕩器20的質(zhì)量m2Q至少為測量管10的質(zhì)量m1Q的5倍。 在使用由鋼制成、外徑約為100mm、壁厚約為10mm的管的情況中， 考慮上述方式確定尺寸的測量管，反振蕩器20的質(zhì)量m2o將為大約10 kg的量級。
在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，特別是在如US-B 68 40 109所示的測
量變換器的情況中，測量管io在工作期間至少間歇地執(zhí)行圍繞扭轉(zhuǎn)振
蕩軸的扭轉(zhuǎn)振蕩，該扭轉(zhuǎn)振蕩軸與縱軸L基本平行，特別是與其一致。 扭轉(zhuǎn)振蕩軸、彎曲振蕩軸以及縱軸L可以一致，這在這種測量變換器 中非常常見。對于上述測量管10，例如將得到大約750Hz的范圍中的
扭轉(zhuǎn)振蕩最低自然諧振頻率。
為了產(chǎn)生測量管10的機(jī)械振蕩，即彎曲振蕩和/或扭轉(zhuǎn)振蕩，測 量變換器還包括激勵裝置40，特別是電動激勵裝置。這用于將電子激 勵能量E^轉(zhuǎn)換為激勵力Fexe，所述激勵能量是從控制電子裝置(未顯 示)饋送的且具有受控電流和/或受控電壓，所述激勵力例如脈沖地或 諧波地作用于測量管10并且以前述方式令測量管10彈性形變。在這 種情況中，如圖4示意性示出的，激勵力F^可以是雙向的，或者也可 以是單向的，并且可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式，例如利用電流 和/或電壓控制電路而在幅度上得到調(diào)節(jié)，并且例如利用鎖相環(huán)而在頻 率上得到調(diào)節(jié)。
激勵裝置可以是例如螺線管裝置，其差動地作用于測量管10和反
振蕩器20，其具有圓柱激勵線圈和永磁電樞，該圓柱激勵線圈固定至 反振蕩器20并且相應(yīng)的激勵電流在工作期間流經(jīng)該激勵線圈，該永磁 電樞至少間歇地插入激勵線圈并在外部特別是居中地固定至測量管 10。另外，激勵裝置40可以例如實施為電磁體，或者例如WO-A 99 51 946所示實施為地震激勵器。為了檢測測量管IO的振蕩，可以使用例 如這種測量變換器常用的傳感器裝置，以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式 利用入口側(cè)第一傳感器50A以及利用出口側(cè)第二傳感器50B，測量管 10的運(yùn)動被檢測并被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的第一和第二傳感器信號Sp S2。例 如差動地測量相對于反振蕩器的振蕩的電動速度傳感器、或者電動路 徑傳感器或加速度傳感器可以用作傳感器50A和50B。作為電動傳感 器裝置的替代或者補(bǔ)充，其它利用電阻或壓電應(yīng)力儀表測量的傳感器 或者光電傳感器可以用于檢測測量管10的振蕩。
在本發(fā)明的另一實施例中，如圖2 4所示，激勵裝置40被這樣 構(gòu)造并設(shè)置在測量變換器中，使得激勵裝置40在工作期間同時地特別 是差動地作用于測量管10和反振蕩器20。在圖4所示的實施例中，激 勵裝置40為此具有至少一個第一激勵線圈41a，其在工作期間至少間
歇地被激勵電流或激勵電流分量流過，激勵線圈41a固定至與測量管 10相連的杠桿41c并且通過該杠桿以及在外部固定至反振蕩器20的電 樞41b而差動地作用于測量管10和反振蕩器20。這種設(shè)置的優(yōu)點還在 于，反振蕩器20以及變換器外殼100的橫截面能夠保持得較小，并且 可以容易地接近激勵線圈41a,特別是在組裝期間。另外，激勵裝置40 的這個實施例的另一優(yōu)點在于，可能使用的線圈杯41d，特別是額定寬 度大于50 mm的重量不再可忽略的線圈杯，同樣可固定至反振蕩器20 并因而對于測量管IO的諧振頻率基本沒有影響。然而，這里要注意的 是，如果需要，激勵線圈41a也可以由反振蕩器20支持并且電樞41b 由測量管IO支持。
以相應(yīng)的方式，傳感器裝置50也可以這樣設(shè)計并設(shè)置在測量變換 器中，使得它差動地檢測測量管10和反振蕩器20的振動。在圖5所 示實施例中，傳感器裝置50包括傳感器線圈51a，其固定至測量管IO 并在這里設(shè)置在傳感器裝置50的所有慣性主軸之外。傳感器線圈51a 盡可能接近固定至反振蕩器20的電樞51b并且與其磁耦合，使得在傳 感器線圈中感應(yīng)依賴于可變的測量電壓，其受到測量管IO和反振蕩器 20之間相對位置和/或相對距離改變的旋轉(zhuǎn)和/或橫向相對運(yùn)動的影響。 基于傳感器裝置51a的這種設(shè)置，可以以具有優(yōu)點的方式同時檢測上述 扭轉(zhuǎn)振蕩以及可能的激勵的彎曲振蕩。如果需要，傳感器線圈51a可以 為此固定至反振蕩器20，并且與其耦合的電樞51b以相應(yīng)的方式固定 至測量管10。
正如上面多次提到的，在激勵有效模式的情況中，以上述方式振 動的單個測量管10由于伴隨彎曲振蕩的質(zhì)量加速度而產(chǎn)生已知的橫向 力Q1;以相應(yīng)方式，在測量變換器中產(chǎn)生橫向脈沖。例如，在大約0.03 mm振幅的情況中，在上述不銹鋼測量管的情況中將產(chǎn)生大約100 N的 橫向力。對于這些橫向力Qi不能得到補(bǔ)償?shù)那闆r，這導(dǎo)致懸掛在入口 管件11和出口管件12之上的測量變換器內(nèi)部件被相應(yīng)地橫向推離其 期望的靜態(tài)靜止位置。相應(yīng)地，橫向力Q!通過入口及出口管件11、 12
至少部分作用于連接的管道，并且因而管道將同樣被引起振動。正如 之前解釋的，測量管10也可以被利用反振蕩器20基本上僅對于單一
的介質(zhì)密度值并且最好在非常窄的介質(zhì)密度范圍上被動態(tài)地平衡；參 見圖6b。于是，在波動的介質(zhì)密度p的情況中，測量管10以及基本上 整個內(nèi)部件橫向移出在圖6a d中以縱軸L表示的靜止位置，并且在 低于介質(zhì)密度值的較低密度p的情況中，在其自身的振蕩運(yùn)動的方向 上，正如圖5c示意性示出的；或者在高于上述介質(zhì)密度值的較高密度 p的情況中，在反振蕩器20的振蕩運(yùn)動的方向上，正如圖6d中示意性 示出的。結(jié)果，反振蕩器20更多地用于對于恰好一個預(yù)先確定的介質(zhì) 密度值(例如，在測量變換器工作期間期望的最常出現(xiàn)的密度值或者 臨界的介質(zhì)密度值，例如，水的密度)動態(tài)平衡測量變換器，使得在 振動的測量管中產(chǎn)生的橫向力Qj皮盡可能完全補(bǔ)償，并且測量管基本 不離開其靜態(tài)靜止位置；參見圖6a、 6b。為了能夠盡可能可簡單操作 地將反振蕩器20調(diào)節(jié)至上述介質(zhì)密度值以及測量管10的實際激勵的 振蕩形式，本發(fā)明的一個實施例中，為反振蕩器20提供特別是可拆卸 的離散質(zhì)量工件201、 212。質(zhì)量工件201、 202可以是例如外部旋至固 定在測量管上的突出螺栓的圓盤，或者推到測量管IO上的短的管狀工 件。另外，例如通過形成縱向槽或環(huán)形槽，也可以形成反振蕩器20上 相應(yīng)的質(zhì)量分布?？梢岳帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式，例如利用有 限元計算和/或利用實驗測量而確定適用于特定應(yīng)用的質(zhì)量分布。當(dāng)然，
如果需要，還可以使用多于所示出的兩個質(zhì)量工件201、 202。
為了進(jìn)一步改進(jìn)測量變換器的動態(tài)平衡，特別是在具有顯著波動 的密度p的介質(zhì)的情況中，并且考慮對于US-B 66 91 583或US-B 68 40 109中公開的彎曲和/或扭轉(zhuǎn)振蕩的解耦原理，懸臂15基本剛性地聯(lián)接 至入口管件ll、反振蕩器20和測量管10，并且懸臂16基本剛性地聯(lián) 接至出口管件12、反振蕩器20和測量管10。在這種情況中，特別是 盡可能靠近測量管10設(shè)置的懸臂15、 16可以分別與內(nèi)部件的其他元 件例如反振蕩器20材料接合以及合型和/或力接合地連接。相應(yīng)地，懸 臂可以例如被熔焊、錫焊、銅焊、夾鉗和/或按壓。以這種方式，利用
懸臂15、 16，創(chuàng)建第一質(zhì)量慣性矩J15x、 J16x，其同等偏心地(即，不 在相關(guān)的質(zhì)心Mis、 Mw上)作用于各自固定位置。這些第一質(zhì)量慣性
矩J15x、 J^x不是各個懸臂15、 16的主慣性矩。作為例子，各個懸臂 15、 16可以至少部分直接固定至反振蕩器20。
對于上述懸臂15、 16夾鉗在反振蕩器20和/或相關(guān)聯(lián)連接管件上 的情況，懸臂可以例如利用相應(yīng)的螺旋連接固定。于是圖7a、 b顯示了 對于懸臂15，對于上述類型的懸臂的具有優(yōu)點的夾鉗連接。在這種情 況中，懸臂在推到反振蕩器20之后，利用至少兩個相互平行的貫穿螺 栓15a、 15b和相應(yīng)螺母15c、 15d而固定，其中兩個貫穿螺栓15a、 15b 位于在懸臂15的彼此相對的側(cè)面中的貫穿孔15e、 15f中。為了防止螺 母15c、 15d的無意松動，如果需要，它們可以在組裝之后另外以合適 的方式(例如，利用金屬粘合和/或例如通過錫焊和/或銅焊)而與相應(yīng) 的貫穿螺栓材料接合地連接。為了保證以貫穿螺栓15a、 15b和反振蕩 器20中可接受的張緊力在懸臂15和反振蕩器20之間盡可能好的力連 接，這里顯示的變型中還提供了徑向貫穿的縱向縫隙15g、 15h，其基 本與縱軸L對齊并且至少位于朝向反振蕩器20和測量管IO的前部上。
在兩個聯(lián)接區(qū)11#、 12#橫向運(yùn)動的情況中，例如由于測量管10 和反振蕩器20之間依賴于密度的不平衡和/或由于從外部耦合入測量 變換器的千擾振蕩，在懸臂15方面在入口管件11中以及在懸臂16方 面在出口管件12中產(chǎn)生彎曲力矩，它們由于懸臂15、 16的偏心性以 及質(zhì)量慣性而定向，使得與其相關(guān)聯(lián)的入口及出口管件11、 12的形變 與聯(lián)接區(qū)11#、 12#的橫向運(yùn)動反向。換言之，懸臂15、 16被這樣形成
并測定，使得由此得到的第一質(zhì)量慣性矩J&、Ji6x圍繞虛擬旋轉(zhuǎn)軸Di5x、
D16x，該旋轉(zhuǎn)軸垂直于縱軸L延伸但是與各懸臂的平行于縱軸的慣性主 軸相距，這允許懸臂15、 16在聯(lián)接區(qū)11#、 12#加速橫向位移的情況中 扭曲，但是相關(guān)的質(zhì)心Mu、 16保持至少橫向地基本位置固定在所屬的 靜態(tài)靜止位置，該靜態(tài)靜止位置是基于懸臂15、 16的具體的機(jī)械幾何 特性而分配的。結(jié)果，每一質(zhì)心M15、 M,6基本上形成懸臂15、 16的
形成彎曲力矩的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)點。
懸臂15、 16的質(zhì)量慣性矩J15、 Jw以上述方式偏心地作用于各個 固定位置，于是(由于測量管lO圍繞各個位置固定的靜止的質(zhì)心Mu、 Mw的擺動的加速橫向偏移運(yùn)動V)強(qiáng)迫得到各個相關(guān)聯(lián)的固定位置的 附加扭曲，其圍繞垂直于這個橫向偏移運(yùn)動V以及縱軸L的虛擬的第 一旋轉(zhuǎn)軸D&或者圍繞基本平行于第一旋轉(zhuǎn)軸的虛擬第二旋轉(zhuǎn)軸D16x; 參見圖6c和d。正如在圖8中再次放大顯示的，基本上整個入口側(cè)第 一聯(lián)接區(qū)11#特別是入口端的扭曲反過來至少逐段地引起入口管件11 的與測量管IO的偏移運(yùn)動V相對的附加彎曲，其基本對應(yīng)于單軸的無 橫向力的且因而基本無剪切應(yīng)力的彎曲；以類似的方式，出口管件12 與偏移運(yùn)動V相對地彎曲。
正如圖1 4中顯示的，兩條懸臂15、 16在一側(cè)固定；即，僅僅 在聯(lián)接區(qū)11#、 12#的區(qū)域中固定。為了抑制可能的不期望的振蕩模式， 還可能如圖8示意性示出的，提供彈性和/或衰減元件，其還用于將懸 臂15和16的質(zhì)心Mu、 Mw穩(wěn)定在各自的靜止位置。這些附加的元件 例如垂直于主振蕩平面，或者正如這里顯示的，基本位于主振蕩平面 中，各自固定至懸臂質(zhì)量以及變換器外殼30。
包括測量管、反振蕩器、入口及出口管件以及懸臂在內(nèi)的內(nèi)部件 的尺寸，以及受其影響的入口及出口管件11、 12的彎曲，可以例如利 用計算機(jī)支持的仿真計算或者利用實驗測量而被優(yōu)化，使得由彎曲產(chǎn)
生的反作用力Q2在盡可能寬的介質(zhì)密度波動范圍上完全或至少大部分
補(bǔ)償在振動的測量管10中的上述橫向力Qi，并且使得除了在變換器外 殼30以及連接的管道上之外，基本沒有由振動的測量管10以及可能 的由整個振蕩的內(nèi)部件引起的橫向力。由于這種方式產(chǎn)生的彎曲力矩 而在連接的管道上的可能的形變可以例如由變換器外殼30的適當(dāng)高的 彎曲剛度而抑制。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，由激勵裝置驅(qū)動的測量管IO在工作期 間周期地和/或至少間歇地以振蕩頻率f^振動，該頻率至少為測量變 換器的可振蕩內(nèi)部件的最低自然本征頻率的1.5倍，正如已經(jīng)提到的， 所述最低自然諧振頻率至少是利用測量管10自身、反振蕩器20、入口
管件ll、出口管件12以及兩條懸臂15、 16形成的。換言之，有效模 式的自然諧振頻率應(yīng)當(dāng)至少為內(nèi)部件的最低自然本征頻率的1.5倍，但 盡可能大于2倍。對于這里給出的內(nèi)部件的尺寸，在空測量管的情況 中，其最低自然本征頻率應(yīng)例如為大約250 Hz或更小，但是在水充滿 測量管的情況中，它將是200Hz的量級或者更低。
進(jìn)一步的調(diào)査顯示，這個上述的需求可以有效地實現(xiàn)，特別是同 時保持US-B 66 91 583或US-B 68 40 109中公開的解耦原理，并且特 別是與66 91 583或US-B 68 40 10中公開的測量變換器相比，在抗干 擾性上有顯著改進(jìn)，并且因而顯著改進(jìn)上述類型的在線測量儀表的測 量精度，其中這樣實現(xiàn)兩條懸臂15、 16，使得它們具有比測量管IO的 質(zhì)量mK)明顯要大的質(zhì)量mt5、 11116并且至少在反振蕩器20的質(zhì)量m2() 的量級。于是，對于本發(fā)明的測量變換器，進(jìn)一步提出，這樣確定反 振蕩器20和懸臂15、 16的尺寸，使得兩條懸臂15、 16中每一條的質(zhì) 量mu、 1!116至少等于反振蕩器20的質(zhì)量1112()。根據(jù)本發(fā)明的另一實施 例，兩條懸臂15、 16中的每一條的質(zhì)量mu、 11116大于反振蕩器20的 質(zhì)量m2o的1.5倍。于是根據(jù)使用的測量管的額定直徑，兩條懸臂15、 16各自的質(zhì)量mu、 m^能夠大于測量管lO的質(zhì)量mK)的10倍。另夕卜， 在這種情況中可以進(jìn)一步確定，當(dāng)兩條懸臂15、 16各自的質(zhì)量mj5、 11116小于反振蕩器20的質(zhì)量1112()的5倍或者至少對于額定直徑大于50 mm的測量管至多僅僅為反振蕩器20的質(zhì)量Hi2o的3倍時，可以獲得 關(guān)于抗干擾性的良好結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，兩條懸臂15、 16各自這樣定大小，使 得它們各自的質(zhì)量11115、 mw大于5 kg，特別是大于10 kg，但是小于 50kg。為了提供足夠大的質(zhì)量m15、 m16，在本發(fā)明的另一實施例中，每 一懸臂15、 16的最大壁厚大于反振蕩器20的最大壁厚。另外，在當(dāng) 前實施例中，這樣確定每一懸臂15、 16的尺寸，使得其最小壁厚大于 反振蕩器20的最大壁厚，從而不僅可以實現(xiàn)相應(yīng)的高質(zhì)量mu、 m16， 而且與測量管10和反振蕩器20相比，對于各條懸臂15、 16還實現(xiàn)了 相應(yīng)較高的彎曲剛度。
在本發(fā)明的另一實施例中，至少測量管IO和懸臂15、 16這樣彼
此匹配，從而充滿水的測量管10具有最低自然本征頻率fu)，H2()，其至 少滿足
<formula>formula see original document page 30</formula>
其中E"是入口管件11的材料的彈性模數(shù)，lu是入口管件11對 于上述內(nèi)部件的振蕩的有效或平均的軸向平面慣性矩。這個平面慣性 矩是以已知的方式基于以下關(guān)系得到的<formula>formula see original document page 30</formula>
在這種情況中，表達(dá)式E^In/L3,,代表由入口管件11確定的對于 內(nèi)部件的振蕩給定的彈簧常數(shù)，其等于(至少對于內(nèi)部件的基本對稱 的構(gòu)造)以類似方式確定的出口管件12的彈簧常數(shù)。結(jié)果，在結(jié)構(gòu)基 本對稱的情況中，有以下關(guān)系
<formula>formula see original document page 30</formula>
在另一實施例中，對于測量管IO在工作期間至少間歇地振動的主
要振蕩頻率f^，有
<formula>formula see original document page 31</formula>于是，以這種方式，入口及出口管件以及懸臂15、 16的質(zhì)量mw、 11116這樣彼此匹配，使得內(nèi)部件的最低自然本征頻率被限定為低于在工 作期間期望的依賴于待測介質(zhì)密度的測量管10振蕩頻率fexe。
為了實現(xiàn)這一點，并且為了實現(xiàn)懸臂15、 16盡可能沒有延遲的扭
曲以及解耦機(jī)構(gòu)的高帶寬，懸臂15和16還這樣形成并固定至測量管
10，使得上述第一質(zhì)量慣性矩J15x、 J^被各個所屬懸臂質(zhì)量nn5或m^
所除得到的商盡可能小。實驗調(diào)査還顯示，當(dāng)各懸臂15、 16的質(zhì)量慣
性矩Ji5x、 Ji6與其質(zhì)量mu、 11116的商J15x/m15、 Umi6保持小于0.03 m2
特別是在0.001 m2 0.01 r^的范圍內(nèi)時，特別是即使使用例如大于10
kg的相對較重并因而難以移動的懸臂15、 16，也能夠獲得測量變換器
的較高的抗干擾性，同時保持同樣高的動態(tài)性。進(jìn)一步，通過調(diào)査上
述不同額定直徑的測量變換器的振蕩特性，可以確定，當(dāng)懸臂15的上
述商J15x/m15以及第二懸臂16的上述商116)(/11116與測量管的橫截面積
A1Q (這里為平面的)之比保持盡可能小時，特別是小于10時，能夠獲
得關(guān)于抗干擾性和動態(tài)性的較好結(jié)果?？紤]這個情況，在本發(fā)明的另
一實施例中，依賴于為實際測量變換器選擇的測量管額定直徑DN而這
樣構(gòu)造懸臂15、 16并確定其尺寸，使得懸臂15至少滿足條件
0.5 < <5并且懸臂16至少滿足條件0.5<^ <5。
mi5 ' A10 m16 ' A10
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，懸臂15、 16還這樣構(gòu)成，使得兩個第 一質(zhì)量慣性矩J15x、 J^都至少為0.01 kg m2。
對于上述測量變換器要以雙模式工作(即，測量管IO既至少間歇 地執(zhí)行彎曲振蕩也至少間歇地執(zhí)行扭轉(zhuǎn)振蕩)的情況，除了各個懸臂
15、 16圍繞相關(guān)旋轉(zhuǎn)軸D15x、 D版的質(zhì)量慣性矩J15x、 J版之外，非常 重要的還有懸臂15、 16的第二質(zhì)量慣性矩J15z、 J16z,其與加速扭曲圍 繞基本平行于縱軸L的虛擬旋轉(zhuǎn)軸D15z、 D^相對作用。對于實施例中 顯示的測量變換器，其中懸臂既與入口及出口管件對齊也與測量管和 反振蕩器對齊，質(zhì)量慣性矩J&、 J^基本對應(yīng)于各懸臂15、 16的三個 主慣性矩之一并且旋轉(zhuǎn)軸D&、 D^基本對應(yīng)于相關(guān)聯(lián)的慣性主軸。根 據(jù)本發(fā)明的另一實施例，這樣確定懸臂15、 16的尺寸，使得各條懸臂 15、 16的第一質(zhì)量慣性矩J15x、 J,6x與其第二質(zhì)量慣性矩J15z、162之比 J15x/J15z、 J^/J^小于5，特別是小于2。至少對于上述情況，兩個第一 質(zhì)量慣性矩J^、J^至少為0.01 kg 1112，而且兩個第二質(zhì)量慣性矩J15z、 J^至少為0.01 kg m2。
在本發(fā)明的另一實施例中，懸臂15、 16圍繞各自旋轉(zhuǎn)軸D15x、 D16x 的最低彎曲剛度大于入口管件11和出口管件12相對于相同旋轉(zhuǎn)軸D^ 或D版的彎曲剛度Eu.In、 E12.I12。對于上述情況，各懸臂15、 16的 相應(yīng)長度Lu、 "6也被選擇得明顯小于入口管件11的長度Lu和出口 管件12的長度L,2,可以保證，各條懸臂15、 16的相應(yīng)彈簧常數(shù)總是 大于入口管件11的上述與Eu.In/L3u成比例的彈簧常數(shù)以及出口管件 12的相應(yīng)彈簧常數(shù)(~E12 I12/L312 )。
為了將懸臂15、 16所需的質(zhì)量、質(zhì)量慣性矩和/或彎曲剛度最優(yōu) 地匹配實際預(yù)定的值，特別是由測量管10和/或反振蕩器20給定的值， 作為上述環(huán)形槽的替代或者補(bǔ)充，還可以在各條懸臂中提供與縱軸L 基本對齊的縱向槽15i、 15j，正如圖7a和7b基于懸臂15顯示的。
正如可以從以上解釋容易地看出的，本發(fā)明的測量變換器的突出 之處在于，具有多種調(diào)節(jié)的可能性，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員特別是在制 定了外部或內(nèi)部安裝尺寸之后也能夠高質(zhì)量地補(bǔ)償在測量管10以及可 能還有反振蕩器20中產(chǎn)生的橫向力。上述參數(shù)，特別是質(zhì)量11115、 m16、 第一及第二慣性矩J15x、 J^以及由此獲得的比例可以相應(yīng)地在較寬范
圍內(nèi)適應(yīng)測量管IO實際的額定直徑DN以及為測量變換器提供的安裝 長度。本發(fā)明的測量變換器既適用于具有小于10 mm的相當(dāng)小額定直 徑DN的測量管，也特別適用于口徑大于50 mm的管道以及與其相關(guān) 聯(lián)的測量管具有大于40 mm額定直徑的情況。
權(quán)利要求
1.振動型測量變換器，用于管道中流動的介質(zhì)，該測量變換器包括-測量管(10)，其在工作期間至少間歇地振動并且用于引導(dǎo)介質(zhì)，其中測量管(10)通過入口側(cè)通入的入口管件(11)以及出口側(cè)通入的出口管件(12)與管道連通；-反振蕩器(20)，其在入口側(cè)固定至測量管以形成第一聯(lián)接區(qū)(11#)，在出口側(cè)固定至測量管(10)以形成第二聯(lián)接區(qū)(12#)；以及-第一懸臂(15)，用于在入口管件(11)中產(chǎn)生彎曲力矩，--該第一懸臂在第一聯(lián)接區(qū)(11#)的區(qū)域中基本剛性地與入口管件(11)和測量管(10)連接，并且--該第一懸臂具有位于入口管件(11)的區(qū)域中的質(zhì)心M15；和-第二懸臂(16)，用于在出口管件(12)中產(chǎn)生彎曲力矩，--該第二懸臂在第二聯(lián)接區(qū)(12#)的區(qū)域中基本剛性地與出口管件(12)和測量管(10)連接，并且--該第二懸臂具有位于出口管件(12)的區(qū)域中的質(zhì)心M16。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量變換器，其中兩條懸臂(15， 16) 各自的質(zhì)量mu， mw都至少等于反振蕩器(20)的質(zhì)量m20。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量變換器，其中反振蕩器(20)的質(zhì) 量1112()至少為測量管(10)的質(zhì)量niK)的5倍。
4. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中兩條懸臂(15， 16)各自的質(zhì)量11115， 11116至少為測量管(10)的質(zhì)量m^的10倍。
5. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中兩條懸臂(15， 16)各自的質(zhì)量11115， m!6大于反振蕩器(20)的質(zhì)量m2Q的1.5倍。
6. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中兩條懸臂(15， 16)各自的質(zhì)量11115， 11116小于反振蕩器(20)的質(zhì)量m2o的5倍。
7. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中兩條懸臂(15， 16)各自的質(zhì)量mu， mw最多為反振蕩器(20)的質(zhì)量1112()的3倍。
8. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中測量管(10) 至少部分由反振蕩器(20)圍繞。
9. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中反振蕩器(20) 是管狀的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量變換器，其中反振蕩器(20)的 內(nèi)徑大于50 mm和/或壁厚大于5 mm。
11. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中測量管(IO)、 入口管件(11)及出口管件(12)各自由單個的整件的管的片段形成。
12. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中兩條懸臂(15， 16)各自基本為管狀或者套筒狀。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的測量變換器，其中各條懸臂的最大壁 厚大于反振蕩器(20)的最大壁厚。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的測量變換器，其中各條懸臂(15， 16) 的最小壁厚大于反振蕩器(20)的最大壁厚。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的測量變換器，其中測量管在工作期間 至少間歇地執(zhí)行圍繞彎曲振蕩軸的彎曲振蕩，該彎曲振蕩軸與縱軸(L) 基本平行，特別是一致。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的測量變換器，其中測量管(10)基本 是直的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的測量變換器，其中測量管(10)和反 振蕩器(20)彼此基本同軸。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的測量變換器，其中各條懸臂(15， 16)的長度Lu， L^最多為測量管(10)的長度I^的0.5倍。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16 18之一所述的測量變換器，其中各條懸臂 (15， 16)的長度L^， L^小于測量管(10)的長度LK)的0.4倍。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16 19之一所述的測量變換器，其中測量管在 工作期間至少間歇地執(zhí)行圍繞扭轉(zhuǎn)振蕩軸的扭轉(zhuǎn)振蕩，該扭轉(zhuǎn)振蕩軸 與縱軸(L)基本平行，特別是一致。
21. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中入口管件(11 ) 和出口管件(12)基本是直的。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的測量變換器，其中入口管件(11)和 出口管件(12)基本彼此對齊并且與測量變換器的虛擬連接兩個聯(lián)接 區(qū)的縱軸(L)基本對齊。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的測量變換器，其中各條懸臂U5， 16)的長度L15， "6最多為入口管件(11)或出口管件(12)的長度 Lu， "2的0.9倍。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21 23之一所述的測量變換器，其中入口管件 (ll)的長度L 以及出口管件(12)的長度Li2各自最多為測量管(10) 的長度LK)的0.5倍。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21 24之一所述的測量變換器，其中入口管件 (11)的長度Ln以及出口管件(12)的長度Lu都小于測量管(10)的長度Lkj的0.4倍。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21 25之一所述的測量變換器，其中測量管 (10)在工作期間至少間歇地以振蕩頻率f^振動，對于該振蕩頻率考慮了入口管件(ll)的長度L 以及入口管件(ll)的彎曲剛度Eu *Iu， 有
27.根據(jù)權(quán)利要求16 26之一所述的測量變換器，其中充滿了水 的測量管(10)具有最低自然本征頻率f1Q，對于該本征頻率考慮了入 口管件(11)的長度Ln以及入口管件(11)的彎曲剛度Eu 'Iu，有
28. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求1所述的測量變換器，其中空的測量 管(10)具有最低自然本征頻率f1C)，其大于或約等于反振蕩器(20)的最低自然本征頻率f20。
29. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中充滿了水的 測量管(10)的最低自然本征頻率fn)至少為反振蕩器(20)的最低自 然本征頻率f2。的1.1倍。
30. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中第一懸臂(15)具有第一質(zhì)量慣性矩J15x，其圍繞位于第一聯(lián)接區(qū)中的虛擬的第一旋轉(zhuǎn) 軸D^;還具有第二質(zhì)量慣性矩J15z，其圍繞基本平行于測量管縱軸的 虛擬的第二旋轉(zhuǎn)軸D&;以及其中第二懸臂(16)具有第一質(zhì)量慣性矩 J16x，其圍繞位于第二聯(lián)接區(qū)中基本平行于第一旋轉(zhuǎn)軸D^的虛擬的第 二旋轉(zhuǎn)軸D^;還具有第二質(zhì)量慣性矩J16z，其圍繞基本平行于測量管 縱軸的虛擬的第二旋轉(zhuǎn)軸D16z。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的測量變換器，其中各條懸臂(15， 16) 的第一質(zhì)量慣性矩J15x， J^x與其各自的第二質(zhì)量慣性矩J15z， J^之比 JI5x/J15z， J^/J^小于5，特別地小于2。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的測量變換器，其中兩個第一質(zhì) 量慣性矩J15x， J^x各自至少為0.01 kg 1112和/或兩個第二慣性質(zhì)量慣性 矩Jl5z， Ji6z各自至少為0.01kg'm2。
33. 根據(jù)權(quán)利要求30 32之一所述的測量變換器，其中各個懸臂 (15， 16)的第一慣性質(zhì)量矩J15x， J版與其各自質(zhì)量m15， mw之商Ji5x/nM5，J^/m!6小于0.03 m2，并且特別是在0.001 m2 0.01 1 2的范圍。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的測量變換器，其中第一懸臂(15)的 所述商J15x/m15以及第二懸臂(16)的所述商J!6x/I^6與測量管的橫截 面面積Am之比小于10。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的測量變換器，其中第一懸臂(15)滿足條件0.5<J'5x<5，并且第二懸臂(16)滿足條件0.5<;他 <5。 m15 ' A10 mI6' A10
36. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中各條懸臂(15， 16)至少部分直接固定在反振蕩器(20)上。
37. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中各條懸臂(15， 16)是利用推上反振蕩器(20)的套筒形成的。
38. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中各個形成懸 臂(15， 16)的套筒具有至少一個環(huán)形槽。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的測量變換器，其中兩條懸臂(15， 16) 中任一條的所述至少一個環(huán)形槽與相應(yīng)懸臂(15， 16)的慣性主軸基 本同軸，特別是同中心。
40. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中各條懸臂(15， 16)具有至少一個縱向槽(15i， 15j)。
41. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中各條懸臂U5， 16)利用螺旋連接(15a， 15b， 15c， 15d， 15e， 15f)固定在反振蕩器(20)上。
42. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中測量管(10) 的內(nèi)徑大于40 mm和/或壁厚大于2 mm。
43. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，還包括傳感器裝 置(50)，用于監(jiān)測至少測量管(10)的振蕩。
44. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，還包括激勵裝置 (40)，用于至少驅(qū)動測量管(10)。
45. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器，其中測量管(10) 至少間歇地以振蕩頻率fexc振動，該振蕩頻率至少為測量變換器的可振 蕩內(nèi)部件的最低自然本征頻率的1.5倍，該內(nèi)部件至少是利用測量管(10)、反振蕩器(20)、入口管件(11)、出口管件(12)以及兩 條懸臂(15， 16)形成的。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的測量變換器，其中內(nèi)部件的最低自然 本征頻率基本由懸臂(15， 16)、測量管(10)和反振蕩器(20)的 質(zhì)量m15， m16， m1()， m20以及入口及出口管件(11， 12)的有效彎曲 剛度確定，該有效彎曲剛度與入口及出口管件(11， 12)的形變相對 抗地作用，所述形變是由聯(lián)接區(qū)橫向偏離靜態(tài)靜止位置以及隨之而來 的懸臂圍繞其各自質(zhì)心M^ M^的扭曲而得到的。
47. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測量變換器在在線測量儀表中 的應(yīng)用，該在線測量儀表特別是科里奧利質(zhì)量流量計、密度計、粘度 計等，用于測量和/或監(jiān)控管道中流動的介質(zhì)的至少一個參數(shù)，特別是 質(zhì)量流量m、密度p和/或粘度ri。
全文摘要
測量變換器包括測量管，其在工作期間至少間歇地振動并且用于引導(dǎo)介質(zhì)，其中測量管經(jīng)由通入入口側(cè)的入口管件以及通入出口側(cè)的出口管件與管道連通；和反振蕩器，其在入口側(cè)固定至測量管以形成第一聯(lián)接區(qū)，在出口側(cè)固定至測量管以形成第二聯(lián)接區(qū)。測量變換器還包括第一懸臂，用于在入口管件中產(chǎn)生彎曲力矩，其在第一聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中基本剛性地與入口管件和測量管連接，并且其質(zhì)心位于入口管件的區(qū)域中；以及第二懸臂，用于在出口管件中產(chǎn)生彎曲力矩，其在第二聯(lián)接區(qū)的區(qū)域中基本剛性地與出口管件和測量管連接，并且其質(zhì)心位于出口管件的區(qū)域中。根據(jù)本發(fā)明的測量變換器特別適用于具有大于50mm的較大額定直徑的測量管。
文檔編號G01N9/00GK101360976SQ200680051096
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月15日
發(fā)明者克里斯蒂安·許策, 恩尼奧·比托, 格哈德·?？颂? 沃爾夫?qū)さ吕漳? 萊昂哈德·普羅布斯特, 邁克爾·富克斯, 阿爾弗雷德·里德, 雷納·洛倫茨, 馬丁·安克林-伊姆霍夫 申請人:恩德斯+豪斯流量技術(shù)股份有限公司