專(zhuān)利名稱(chēng)：科里奧利流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種科里奧利流量計(jì)，更確切地說(shuō)，涉及一種具有一主體的科里奧利流量計(jì)，該主體包含一使流體在其中流動(dòng)的直的測(cè)流管以及固定到測(cè)流管兩端且與測(cè)流管同軸或平行的諧振元件；并且該流量計(jì)具有校正裝置，用于校正由于流體密度差別、測(cè)流管材料因溫度變形差別以及測(cè)流管和諧振元件溫度差別所引起的儀器計(jì)量誤差，輸出針對(duì)儀器計(jì)量誤差而校正的精確的質(zhì)量流信號(hào)。
眾所周知，科里奧利流量計(jì)是一種質(zhì)量流量計(jì)，其通過(guò)振動(dòng)測(cè)流管并檢測(cè)作用在測(cè)流管上的與流體的質(zhì)量流速率成比例的科里奧利力，測(cè)量在兩端支承的測(cè)流管中流動(dòng)的流體的質(zhì)量流速率。當(dāng)在測(cè)流管的中心部分沿與支承軸線(xiàn)垂直的方向按交變方式驅(qū)動(dòng)測(cè)流管時(shí)，按照在測(cè)流管二支承點(diǎn)和中心部分之間的對(duì)稱(chēng)位置處產(chǎn)生的相位差檢測(cè)該科里奧利力。
如果上述流量計(jì)的測(cè)量導(dǎo)管是單一直的測(cè)流管，可以按小的尺寸構(gòu)成，易于維護(hù)。然而，為了按照規(guī)定的幅值驅(qū)動(dòng)直的測(cè)流管可能需要很大的能量，而測(cè)定相位差所需的位移值則很小。因而，單一直的導(dǎo)管型流量計(jì)可能易于受到外部振動(dòng)的影響，并可能使信噪比降低。
為了解決上述問(wèn)題，本申清人先前提出了這樣一種科里奧利流量計(jì)，其具有同軸配置的雙層管壁式的導(dǎo)管，由其中流有被測(cè)流體的內(nèi)管(測(cè)流管)以及一個(gè)兩端固定在內(nèi)管外側(cè)上并具有附著有衡重的外管(諧振元件)組成，該衡重用于使外管的固有頻率等于內(nèi)管的固有頻率，按照一個(gè)具有恒定的數(shù)值的諧振頻率、以反相方式驅(qū)動(dòng)內(nèi)管和外管。
上述科里奧利流量計(jì)可以利用很小的能量驅(qū)動(dòng)使內(nèi)管按很大的幅度振動(dòng)，因而，可以高靈敏地檢測(cè)位移。這種小的直導(dǎo)管式流量計(jì)很小且易于維護(hù)。然而，這種流量計(jì)存在這樣一個(gè)問(wèn)題，即被測(cè)流體密度的變化引起內(nèi)管和外管的頻率值(frequency arnplitude)之比變化，從而當(dāng)控制內(nèi)管和外管的激振頻率使得驅(qū)動(dòng)頻率總是具有恒定值時(shí)，卻導(dǎo)致按照流體密度的反函數(shù)使儀器計(jì)量誤差產(chǎn)生變化。因而，仍然需要能高精度地測(cè)流寬范圍密度流體的質(zhì)量流速率的流量計(jì)。
此外，具有測(cè)流管和這樣種諧振元件的流量計(jì)，其中該諧振元件與測(cè)流管同軸或平行配置并且其兩端在測(cè)流管上支承，受到調(diào)節(jié)以便使其固有頻率等于測(cè)流管的固有頻率，由于外部溫度、流體溫度以及測(cè)流管和諧振元件之間的誤差的影響使諧振頻率變化的結(jié)果，在測(cè)流管和諧振元件之間可能產(chǎn)生頻率差。這一頻率差在按諧振方式驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)管型科里奧利流量計(jì)中在校正儀器計(jì)量誤差或測(cè)定被測(cè)流體的密度時(shí)會(huì)引起誤差。
由于上述科里奧利流量計(jì)的內(nèi)管在兩端可同軸連接到外部管道系統(tǒng)上，從而保證易于清潔它的內(nèi)部并易于在很小的空間內(nèi)安裝，因此該流量計(jì)很小且易于使用和維護(hù)。然而，該流量計(jì)通常必須結(jié)合各種具有不同溫度和密度的流體一同工作，這些流體在同軸的雙直管主體中的內(nèi)管中流動(dòng)。這可能改變流量計(jì)主體的固有頻率，使流量計(jì)的相位差測(cè)量系統(tǒng)的儀器計(jì)量誤差產(chǎn)生變化 因此，同軸的雙直管型科里奧利流量計(jì)需要校正由于其中的被測(cè)流體的物理性質(zhì)可能引起的儀器計(jì)量誤差。
根據(jù)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的之一是提供一種雙諧振直管或平行的諧振直管型科里奧利流量計(jì)，該流量計(jì)包括用于根據(jù)流體密度和導(dǎo)管諧振頻率之間的預(yù)定相互關(guān)系以及流體密度和儀器計(jì)量誤差之間的預(yù)定相互關(guān)系(兩者都存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中)自動(dòng)校正由于被測(cè)流體的密度變化引起的儀器計(jì)量誤差(位移)的裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種雙諧振直管或平行的諧振直管型科里奧利流量計(jì)，該流量計(jì)可以在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)對(duì)于多種已知密度的流體在諧振頻率和儀器計(jì)量誤差之間相互關(guān)系的預(yù)置數(shù)據(jù)，并具有根據(jù)被測(cè)流體的諧振頻率與所存儲(chǔ)的具有已知密度的流體的諧振頻率之差，自動(dòng)校正儀器計(jì)量誤差的裝置。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種雙諧振直管或平行的諧振直管型科里奧利流量計(jì)，其具有用于自動(dòng)補(bǔ)償由于則流管和諧振元件的彈性系數(shù)以及二階截面力矩(secondary sectional moments)不均勻的熱變化所引起的頻率差，測(cè)流管和諧振元件在材料和形狀方面彼此不同，因而由于溫度變化產(chǎn)生不同的變形。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種雙諧振直管或平行的諧振直管型科里奧利流量計(jì)，其具有用于自動(dòng)補(bǔ)償與由其中流有不同溫度流體的測(cè)流管的熱膨脹以及接近測(cè)流管配置的諧振元件的熱膨脹所引起的軸向載荷相對(duì)應(yīng)的頻率差的裝置。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種代表質(zhì)量流計(jì)算器的科里奧利流量計(jì)變換器，其通過(guò)與對(duì)先前校正和標(biāo)準(zhǔn)化的流體流量進(jìn)行計(jì)量而得到的參考值進(jìn)行比較，能方便地確定各自補(bǔ)償?shù)膬x器計(jì)量誤差，以便校正由于在同軸的雙直管型科里奧利流量計(jì)中流動(dòng)的流體溫度和密度效應(yīng)所引起的基本儀器計(jì)量誤差加上各種相關(guān)的儀器計(jì)量誤差。


圖1是用于解釋本發(fā)明的科里奧利流量計(jì)結(jié)構(gòu)的視圖。
圖2是用于解釋按照權(quán)利要求1限定的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的曲線(xiàn)圖。
圖3是用于解釋按照權(quán)利要求2限定的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的曲線(xiàn)圖。
圖4是用于解釋按照權(quán)利要求3、4限定的本發(fā)明的另一種科里奧利流量計(jì)的結(jié)構(gòu)的視圖。
圖5是用于解釋按權(quán)利要求5限定的本發(fā)明的科里奧利流量計(jì)變換器的視圖。
圖6是用于解釋按權(quán)利要求6限定的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的視圖。
下面以舉例的方式選取同軸雙導(dǎo)管組成主體的科里奧利流量計(jì)作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，并首先介紹它的工作情況。
圖1表示本發(fā)明的科里奧利流量計(jì)的結(jié)構(gòu)。在圖1中，該流量計(jì)包含內(nèi)管1、外管2、環(huán)形法蘭3、4、振動(dòng)器5，傳感器6、7、衡重8、雙振動(dòng)式導(dǎo)管10、驅(qū)動(dòng)電路20、諧振頻率檢測(cè)電路30、儀器計(jì)量誤差校正電路40、質(zhì)量流速率計(jì)算電路50和輸出端51。
該雙振動(dòng)式導(dǎo)管10由內(nèi)管1、外管2和衡重8組成。內(nèi)管1是一直的導(dǎo)管，它的軸線(xiàn)用0-0表示，管中流有被測(cè)流體。外管2在兩端具有環(huán)形法蘭3、4，利用二法蘭將外管同軸安裝在內(nèi)管1的外圓柱形表面上。衡重8固定在外管2的外壁的中心部分處。這一衡重8用于使外管2的固有頻率與內(nèi)管1的固有頻率相等。
衡重8的重量是可調(diào)的，以便根據(jù)包括用于驅(qū)動(dòng)雙管壁式導(dǎo)管的振動(dòng)器5的質(zhì)量和傳感器6和7的質(zhì)量的重量來(lái)確定固有頻率。
振動(dòng)器5由諸如附著到外管2上的線(xiàn)圈5a和同軸安裝到內(nèi)管1上的鐵芯5b組成。線(xiàn)圈5a利用驅(qū)動(dòng)電路20按閉環(huán)方式被激勵(lì)，來(lái)自?xún)蓚€(gè)傳感器6、7的其中之一的信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)電路20(下文將介紹)。內(nèi)管1和外管2按照恒定數(shù)值的諧振頻率以彼此反相的方式被驅(qū)動(dòng)。
傳感器6和7具有相同的標(biāo)準(zhǔn)特性，在雙管壁式導(dǎo)管10上相對(duì)于振動(dòng)器5以對(duì)稱(chēng)方式配置在相反的位置。傳感器6、7分別由線(xiàn)圈6a、7a和磁鐵6b、7b組成，分別以同軸方式安裝在外管2和內(nèi)管1上。它們用于檢測(cè)內(nèi)管1和外管2的相對(duì)位移。
振動(dòng)器5以交變方式驅(qū)動(dòng)內(nèi)管1，使之沿與軸線(xiàn)0-0垂直的方向按照規(guī)定數(shù)值的交變諧振頻率產(chǎn)生振動(dòng)。因而，在傳感器6和7的位置處科里奧利力沿相反的方向作用在內(nèi)管1上，在這種情況下，二傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)形成與該科里奧利力成比例的相位差ΔT。因此，這一相位差ΔT與質(zhì)量流速率Qm成比例。該相位差ΔT還與用于測(cè)流流體流速的內(nèi)管1的幅值δI成比例，并具有如下的表達(dá)式(1)ΔT＝KIδIQm…(1)其中KI是常數(shù)。
幅值δI是被測(cè)流體密度的函數(shù)并用如下方程(2)來(lái)表示δI=K21+K3+K4ρK5----(2)]]>其中K2到K5是恒定值。
即，流體密度的變化不可避免地伴隨內(nèi)管幅值OI的變化連同外管2相對(duì)于內(nèi)管1的幅值比的變化，即使利用振動(dòng)器5按照相同的幅值來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)管1和外管2。因而，根據(jù)方程(2)，內(nèi)管1的幅值δI按照密度ρ的一個(gè)反函數(shù)變化。
作用在內(nèi)管1上的總質(zhì)量通過(guò)將振動(dòng)器5、傳感器6、7以及內(nèi)管1本身的質(zhì)量值加在一起來(lái)確定。其上再加上在內(nèi)管1內(nèi)部流動(dòng)的密度為ρ的流體質(zhì)量，從而得到內(nèi)管1的單位質(zhì)量ΔmI。在這種情況下，固有頻率用f來(lái)表示，這一單位質(zhì)量ΔmI可以表達(dá)如下f=12πK6ΔmI+K7K8ΔmIδI2+K9δI2----(3)]]>其中K6到K9是恒定值。
ΔmI＝K10+K11·ρ…(4)其中K10和K11是恒定值。
其中流有密度為ρ的流體的內(nèi)管的固有頻率f只有在從方程(2)、(3)和(4)中消去內(nèi)管1的幅值δI的情況下才能作為密度ρ的函數(shù)F(ρ)來(lái)表示。
f＝F(ρ)…(5)因而，如果利用諧振頻率檢測(cè)器30來(lái)檢測(cè)由驅(qū)動(dòng)電路20以諧振方式驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)器的頻率f，可以根據(jù)方程(5)確定流體密度(ρ)。
假如流體密度ρ和內(nèi)管1的諧振頻率f(即固有頻率)之間的相互關(guān)系是已知的，根據(jù)方程(5)由所測(cè)的諧振頻率ft可以確定流體密度ρt。當(dāng)流體密度ρt確定時(shí)，根據(jù)所存儲(chǔ)的密度和儀器計(jì)量誤差之間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)可以校正儀器計(jì)量誤差。
本發(fā)明通過(guò)確定第一相互關(guān)系(流體密度-諧振頻率)和第二相互關(guān)系(流體密度一儀器計(jì)量誤差)、存儲(chǔ)測(cè)量的數(shù)據(jù)、通過(guò)將由流體流量測(cè)量而得到的諧振頻率與第一相互關(guān)系數(shù)據(jù)比較確定流體密度、通過(guò)將所得密度與第二相互關(guān)系數(shù)據(jù)比較由所得到的密度確定儀器計(jì)量誤差以及補(bǔ)償所測(cè)定的儀器計(jì)量誤差，能夠校正由于流體密度變化所引起的儀器計(jì)量誤差。
圖2(A)和2(B)是用于解釋本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。圖2(A)是表示流體密度ρ和諧振頻率f之間相互關(guān)系的曲線(xiàn)圖(曲線(xiàn)A)。圖2(B)是表示流體密度ρ和儀器計(jì)量誤差E之間相互關(guān)系的曲線(xiàn)圖(曲線(xiàn)B)。
圖2(A)中的曲線(xiàn)A是通過(guò)取流體密度ρ作為橫坐標(biāo)(水平軸)以及諧振頻率f作為縱坐標(biāo)(豎直軸)繪制的。這一與方程(5)的函數(shù)相關(guān)的曲線(xiàn)是先前通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)確定的并且作為第一相互關(guān)系數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器計(jì)量誤差校正電路40中。圖2(B)中的曲線(xiàn)(B)是通過(guò)取流體密度ρ作為橫坐標(biāo)以及儀器計(jì)量誤差作為縱坐標(biāo)繪制的。這一曲線(xiàn)是根據(jù)方框(2)和(1)通過(guò)計(jì)算或者根據(jù)一定條件通過(guò)實(shí)驗(yàn)先前確定的，這一條件即將在規(guī)定溫度下具有參考密度ρ0的例如為水的流體取作為參考流體，對(duì)于這種參考流體將儀器計(jì)量誤差E0定義為0(E0＝0)。在儀器計(jì)量誤差校正電路40中將該特性數(shù)據(jù)作為第二相互關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。由圖2(A)中的曲線(xiàn)A根據(jù)測(cè)量的諧振頻率ft確定流體密度ρt，然后由圖2(B)中的曲線(xiàn)B確定與所確定的流體密度ρt相對(duì)應(yīng)的儀器計(jì)量誤差Et。計(jì)算并校正所確定的儀器計(jì)量誤差E0與參考值E0的偏差ΔE。
可以將儀器計(jì)量誤差和頻率差Δf(介于一種流體的諧振頻率f和具有參考密度的參考流體的參考諧振頻率f0之間的差)進(jìn)行存儲(chǔ)并用于校正儀器計(jì)量誤差。本發(fā)明通過(guò)對(duì)于多種具有有同密度值的流體預(yù)先確定和存儲(chǔ)儀器計(jì)量誤差偏差與諧振頻率差(與參考流體的諧振頻率相比)之間的關(guān)系、通過(guò)將由流體流量測(cè)量而得到的諧振頻率與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較確定頻率差、測(cè)定也可以校正由于流體密度變化所引起的儀器計(jì)量誤差。
圖3是用于解釋本發(fā)明的另一實(shí)施方案的附圖。在圖3中，該曲線(xiàn)圖(直線(xiàn)C)表示諧振頻率和儀器計(jì)量誤差E之間的相互關(guān)系。
圖3中，水平軸(X軸)表示諧振頻率，垂直軸(Y軸)表示儀器計(jì)量誤差。直線(xiàn)C是通過(guò)兩個(gè)點(diǎn)P1和P2給出的，該二點(diǎn)分別為X軸和Y軸垂線(xiàn)的交點(diǎn)，即P1是由具有已知密度的流體(例如20℃的水)流量的諧振頻率(參考頻率) f01作為橫坐標(biāo)、同時(shí)由儀器計(jì)量誤差E01(E01＝0)作為縱坐標(biāo)確定的，而P2是由具有已知密度的流體(例如0.7克/立方厘米的油)流量的諧振頻率f02作為橫坐標(biāo)同時(shí)由儀器計(jì)量誤差E02作為縱坐標(biāo)確定的。將直線(xiàn)C的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器計(jì)量誤差校正電路40中，該電路確定諧振頻率f1(按照一定的實(shí)際流體的流量測(cè)量的)和參考諧振頻率f0之間的頻率差Δf，并求出點(diǎn)Pt，在該點(diǎn)經(jīng)過(guò)ft橫坐標(biāo)的垂線(xiàn)與直線(xiàn)C相交，與點(diǎn)Pt對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為Et，然后，確定與縱坐標(biāo)Et的儀器計(jì)量誤差的偏差ΔE，并且按照例如(ΔE％/ΔfHz)校正儀器計(jì)量誤差。雖然為了清晰起見(jiàn)直線(xiàn)C是按照直線(xiàn)表示的，但嚴(yán)格地說(shuō)也可以按照曲線(xiàn)來(lái)表示。
本發(fā)明的上述特征與校正被測(cè)流體的密度變化所引起的儀器計(jì)量誤差相關(guān)。然而，科里奧利流量計(jì)除了上述的流體密度的影響以外還可能受到溫度的影響(例如與溫度相關(guān)的靈敏度和頻率的變化)。
在雙管壁式直管型科里奧利流量計(jì)中，組成雙管壁式導(dǎo)管的內(nèi)管1和外管2通常在材料和斷面形狀方面是彼此不同的。當(dāng)內(nèi)管1和外管2產(chǎn)生熱變形時(shí)，根據(jù)材料和形狀決定的各個(gè)管的固有頻率可能按不同的方式變化，導(dǎo)致改變其耦合頻率，即雙管壁式直管的諧振頻率的變化同時(shí)使儀器計(jì)量誤差發(fā)生漂移。因此，需要補(bǔ)償由于溫度變化引起的儀器計(jì)量誤差。
本發(fā)明還能對(duì)當(dāng)內(nèi)管和外管分別改變它們的溫度時(shí)引起的儀器計(jì)量誤差漂移進(jìn)行校正。
圖4表示本發(fā)明的科里奧利流量計(jì)的結(jié)構(gòu)。在圖4中，示有內(nèi)管1、外管2、環(huán)形法蘭3、4、振動(dòng)器5、傳感器6、7、衡重8、溫度傳感器9a、9b、振動(dòng)式同軸雙管式主體10、驅(qū)動(dòng)電路20、諧振頻率檢測(cè)電路30、儀器計(jì)量誤差校正電路40、質(zhì)量流速率計(jì)算電路50、輸出端51。
當(dāng)內(nèi)測(cè)流管具有二階截面力矩I1、質(zhì)量M1和彈性模量E1以及外管2具有二階截面力矩I2、質(zhì)量M2和彈性模量E2時(shí)，內(nèi)管1的固有頻率f1由方程(6)來(lái)表示，外管2的固有頻率f2由方程(7)來(lái)表示。f1=12π(K12E1I1K13M1)12----(6)]]>其中K12和K13是恒定值。
外管2的固有頻率f2表示如下f2=12π(K14E2I2K15M2)12----(7)]]>其中K14和K15是恒定值。
具有由方程(6)確定的固有頻率f1的內(nèi)管1和具有由方程(7)確定的固有頻率f2的外管2產(chǎn)生一耦合的頻率f，即可由方程(3)表示的諧振頻率f。然而，彈性模量E1、E2和二階截面力矩I1、I2隨溫度變化而變化。如果溫度從起始值變化一個(gè)數(shù)值t，彈性模量E1、E2和二階截面力矩I1、I2分別變化到E’1、E’2和I’1、I’2，彈性模量E’1、E’2和二階截面力矩I’1、I’2表示如下，其中α和β是溫度系數(shù)E’1＝(1+αt)E1…(8)E’2＝(1+αt)E2…(9)I’1＝(1+βt)I1…(10)I’2＝(1+βt)I2…(11)當(dāng)將(E1)作為一參考值以及采用一個(gè)常數(shù)γ時(shí)，得到如下的表達(dá)式。
(E1I1)’＝(1+αt)E1I1…(12)(E2I2)’＝(1+αt)E2I2…(13)根據(jù)方程(6)和(7)，通過(guò)將上述方程(8)到(11)或方程(12)到(13)代入相應(yīng)的方程(6)和(7)來(lái)計(jì)算內(nèi)管1的固有頻率f1’和外管2的固有頻率f2’，由方程(3)得到參考諧振頻率f’并且隨后計(jì)算頻率差Δf。根據(jù)所確定的頻率Δf計(jì)算儀器計(jì)量誤差并校正。
內(nèi)管1和外管2按同軸方式支承并構(gòu)成雙管壁式直的導(dǎo)管。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，由于流體發(fā)熱使內(nèi)管1改變其溫度，使得其管壁溫度與管2的管壁溫度不同。同時(shí)，內(nèi)管和外管產(chǎn)生熱膨脹并在其中沿軸向產(chǎn)生不同的應(yīng)力。這些應(yīng)力影響各管的諧振頻率。壓應(yīng)力降低每個(gè)管的諧振頻率而張應(yīng)力增加諧振頻率。因此，如果內(nèi)管1溫度變高，它的頻率f1’變小，外管的頻率f2’則增加。這樣，耦合頻率便受到影響。
當(dāng)內(nèi)管由于其中流動(dòng)的流體發(fā)熱而改變其溫度故引起兩管溫度不同時(shí)，本發(fā)明還能校正在內(nèi)管1和外管2沿它們的軸向產(chǎn)生的熱應(yīng)力形成的載荷P引起的諧振頻率變化。
內(nèi)管1和外管2每個(gè)管都粘接有溫度傳感器，用于檢測(cè)各自管壁的溫度。根據(jù)方程(8)到(11)或方程(11)和(12)校正在方程(6)和(7)中的彈性模量E和二階截面力矩I，然后，確定在它們的檢測(cè)溫度下，內(nèi)管1的固有頻率f1’和外管2的固有頻率f2’。進(jìn)而，將作用在內(nèi)管1和外管2上的應(yīng)力乘以各自的校正系數(shù)以及當(dāng)應(yīng)力作用在管上時(shí)各管的固有頻率。
對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)進(jìn)行校正的內(nèi)管1的固有頻率f1”和外管2的固有頻率f2”表示如下；f1”＝K16，f1’…(14)f2”＝K17，f2’…(15)其中K16和K17是校正系數(shù)?，F(xiàn)在通過(guò)利用方程(14)和(15)根據(jù)方程(3)可以確定耦合頻率f”。
在沿管的軸向施加載荷P的情況下，用于校正在兩端處固定的管的固有頻率的校正系數(shù)C通常表示如下C=(K18-K19K20PEI)12----(16)]]>其中K18到K20是常數(shù)。
因此，能夠?qū)χC振頻率的頻率差Δf進(jìn)行包括針對(duì)各管應(yīng)力影響的校正，這一頻率差可以利用各管的輸入溫度信號(hào)以及存儲(chǔ)在儀器計(jì)量誤差校正電路中的方程(14)和(15)來(lái)計(jì)算。
圖5表示一種體現(xiàn)本發(fā)明的科里奧利流量計(jì)的結(jié)構(gòu)。在圖5中示有內(nèi)管1、外管2、環(huán)形法蘭3、4、振動(dòng)器5、傳感器6、7、衡重8、溫度傳感器9a、9b、振動(dòng)式同軸雙管主體10、驅(qū)動(dòng)電路20、諧振頻率檢測(cè)電路30、儀器計(jì)量誤差校正電路40、質(zhì)量流速率計(jì)算電路50、輸出端51、質(zhì)量流量計(jì)變換器60。
振動(dòng)式22管主體10由內(nèi)管1、外管2和衡重8組成。內(nèi)管1是一直管，它的軸線(xiàn)用0-0表示，其中流有被測(cè)流體。外管2在兩端處具有環(huán)形法蘭3、4，利用該法蘭將外管同軸固定在內(nèi)管1的外壁上。衡重8固定在外管2外壁的中心部分。這一衡重8用于使外管2的固有頻率等于內(nèi)管1的固有頻率。
衡重8的重量是可調(diào)的，以便對(duì)于包括用于驅(qū)動(dòng)雙管式主體10的振動(dòng)器5的質(zhì)量以及傳感器6和7的質(zhì)量在內(nèi)的外管重量確定該固有頻率。
用于檢測(cè)內(nèi)管1溫度的溫度傳感器9a附著在內(nèi)管的外壁上，同時(shí)，用于檢測(cè)外管2溫度的溫度傳感器9b附著在外管2的外壁上。二個(gè)溫度傳感器9a和9b通過(guò)在外管2的管壁中形成的通孔引線(xiàn)或利用連接端連接到儀器計(jì)量誤差校正電路40上。
振動(dòng)器5由諸如附著到外管2上的線(xiàn)圈5a以及以同軸方式安裝到內(nèi)管1上的鐵芯5b組成。利用其上由兩個(gè)傳感器6和7的其中之一輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路20對(duì)線(xiàn)圈5a激勵(lì) 由內(nèi)管1和外管2組成的振動(dòng)式雙管主體10按照恒定數(shù)值的諧振頻率被驅(qū)動(dòng)。
傳感器6和7具有相同的標(biāo)準(zhǔn)特性并相對(duì)于振動(dòng)器5以對(duì)稱(chēng)方式配置在雙直管式主體10上相反的兩側(cè)。每個(gè)傳感器6、7包括諸如由線(xiàn)圈6a、7a和磁鐵6b、7b，它們分別以同軸方式安裝在外管2和內(nèi)管1上。二個(gè)傳感器連接到質(zhì)量流計(jì)算電路50。它們用于在檢測(cè)位置檢測(cè)由內(nèi)管1和外管2之間的相對(duì)速度位移確定的相位信號(hào)。由兩個(gè)相位信號(hào)產(chǎn)生相位差信號(hào)及由所述相位差信號(hào)確定質(zhì)量流。
質(zhì)量流量計(jì)變換器60包含驅(qū)動(dòng)電路20、諧振頻率檢測(cè)電路30、儀器計(jì)量誤差校正電路40和質(zhì)量流速率計(jì)算電路50。
如上所述，驅(qū)動(dòng)電路20驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器5，以便按照恒定數(shù)值的諧振頻率振動(dòng)該振動(dòng)式雙管主體10。這一電路構(gòu)成一閉環(huán)型諧振驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其檢測(cè)由成對(duì)傳感器6、7的其中之一輸出的信號(hào)，對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)放大以及驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器5。根據(jù)流體的密度和溫度和流量計(jì)的安裝狀態(tài)，可以很寬范圍地改變諧振頻率。因此，諧振頻率是一個(gè)基本的要素，根據(jù)本發(fā)明其決定了補(bǔ)償?shù)膬x器計(jì)量誤差。利用諧振頻率檢測(cè)電路30來(lái)檢測(cè)諧振頻率。
儀器計(jì)量誤差校正電路40是代表基于本發(fā)明的質(zhì)量流量計(jì)變換器60的特征的基本部分。
如果利用支承裝置在兩端支承的測(cè)量管按恒定的振動(dòng)幅值來(lái)驅(qū)動(dòng)，在流體的溫度、壓力和密度的影響下以及測(cè)量管材料的彈性模量的影響下，驅(qū)動(dòng)頻率可能變化。與之相似，振動(dòng)式雙管主體10的內(nèi)管1由于流體的溫度、壓力和密度以及內(nèi)管材料的彈性模量的影響可能改變它的諧振頻率。另外，由于兩管的溫度差、各管中產(chǎn)生的熱應(yīng)力之差以及各管的材料和形狀的差別，使得振動(dòng)式雙管主體10可能改變內(nèi)管1和外管2的固有頻率。因此，內(nèi)管1和外管2之間的幅值比可能變化，盡管它們是按照恒定的振動(dòng)幅度驅(qū)動(dòng)的。
因此，振動(dòng)式雙管主體10與單一直管相比會(huì)形成復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象。在一諧振系統(tǒng)中，振動(dòng)式雙管主體10可以具有復(fù)雜的振動(dòng)模式，該振動(dòng)模式是由被測(cè)流體的物理特性以及狀態(tài)參數(shù)以及由它的組件的材料和形狀決定的，從而引起流量計(jì)的儀器計(jì)量誤差的變化。根據(jù)本發(fā)明，引起儀器計(jì)量誤差變化的因素可分類(lèi)為內(nèi)管1的溫度變化、內(nèi)管1和外管2之間的溫度差以及振動(dòng)式雙管主體10的諧振頻率的變化。即，通常通過(guò)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算確定的儀器計(jì)量誤差分類(lèi)為由于內(nèi)管1的溫度變化引起的第一補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值、由內(nèi)管1和外管2之間的溫度差所形成的第二補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值以及由諧振頻率差引起的第三補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值。通過(guò)將這三種儀器計(jì)量誤差值加在一起確定總的儀器計(jì)量誤差值，然后進(jìn)行校正。
對(duì)于內(nèi)管溫度變化需要確定的第一補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值是假設(shè)為僅由內(nèi)管1的熱膨脹引起的儀器計(jì)量誤差，并從總的儀器計(jì)量誤差分離出來(lái)。這種儀器計(jì)量誤差按照如下方式確定首先確定參考流體的參考溫度，例如為0℃，按照與流體溫度(被測(cè)值)和參考溫度值之間的差成比例的方式計(jì)算儀器計(jì)量誤差。第一補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差Ct表示如下Ct＝K1(Tx-Ta)…(17)其中Ta是參考溫度，K1是預(yù)定的比例常數(shù)。
由于內(nèi)管1和外管2之間的溫度差Δt所引起的第二補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值Cdt是這樣引起的、即該溫度差引起作用在內(nèi)管1和外管2上的熱應(yīng)力從而改變各自的軸向載荷，導(dǎo)致它們的振動(dòng)模式變化。這樣就引起儀器計(jì)量誤差，可以總的儀器計(jì)量誤差中分離出來(lái)。通過(guò)利用與變量Δt(上述溫度差Δt)的相關(guān)關(guān)系和系數(shù)Ka、Kb和Kc來(lái)確定第二儀器計(jì)量誤差Cdt，表示如下
Cdt＝KaΔt2+KbΔt+Kc…(18)由振動(dòng)式雙管主體10的諧振頻率差Δf引起的第三補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值是這樣的，即流有不同密度流體的內(nèi)管1可能改變它的固有頻率，因此，由內(nèi)管1和外管2的固有頻率形成的耦合頻率(即諧振頻率)發(fā)生變化，導(dǎo)致需要校正的儀器計(jì)量誤差。根據(jù)內(nèi)管振動(dòng)幅值對(duì)外管振動(dòng)幅值的比，決定由于在內(nèi)管1中流動(dòng)的流體的密度差引起的儀器計(jì)量誤差。然而，為了確定上述儀器計(jì)量誤差必須進(jìn)行十分復(fù)雜的振動(dòng)計(jì)算。由于要提出一個(gè)包括進(jìn)行這種復(fù)雜計(jì)算的電路的變換器是困難的，本發(fā)明采用如下的裝置合成的儀器計(jì)量誤差與諧振頻率差Δf相關(guān)。該誤差還與被測(cè)量的(流體)頻率fx以及要根據(jù)內(nèi)管1的彈性常數(shù)β以及參考溫度Tw之間的差進(jìn)行校正和標(biāo)準(zhǔn)化的參考(流體)頻率ft和測(cè)量頻率fx之差成比例。即，儀器計(jì)量誤差被決定為與頻率ft的周期值Pw(例如，在參考溫度0℃)成反比的誤差值。因此，按照如下表達(dá)式來(lái)計(jì)算第三補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值Cffx＝fx-ft＝fx{1/Cl+β(Tx-Tw)0.5}/PW…(19)CF＝Af’x2+Bf’x+C…(20)其中A、B和C是系數(shù)。
因此，總的儀器計(jì)量誤差ΔE包含第一補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值Ct(用于補(bǔ)償由于內(nèi)管溫度引起的誤差)、第二補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值Cdt(用于補(bǔ)償由于內(nèi)管1和外管2之間的溫度差Δt引起的誤差)以及第三補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值Cf(用于補(bǔ)償由于流體密度差Δρ和諧振頻率差Δf引起的誤差)。儀器計(jì)量誤差校正電路40輸出根據(jù)如下表達(dá)式確定的總的儀器計(jì)量誤差ΔEΔE＝Ct+Cdt+Cf…(21)質(zhì)量流計(jì)算電路50得到與由傳感器6和7輸出的科里奧利力成比例的相位差信號(hào)ΔT并確定與該相位差信號(hào)ΔT成比例的質(zhì)量流Qa。所確定的質(zhì)量流Qa是一個(gè)對(duì)于利用方程(21)確定的儀器計(jì)量誤差ΔE要校正的數(shù)值。即，質(zhì)量流Qa具有如下的表達(dá)式，其中Ka是用于計(jì)算質(zhì)量流的相位差信號(hào)Δt的比例常數(shù)。
Qa＝Ka+(1+ΔE)ΔT＝Ka(1+Ct+Cdt+Cf)ΔT…(22)對(duì)于上述儀器計(jì)量誤差ΔE所校正的質(zhì)量流Qa的信號(hào)最終通過(guò)輸出端51輸出。
雖然，迄今參照各附圖已介紹了各同軸的雙管型科里奧利流量計(jì)，還有一種直管型導(dǎo)管的科里奧利流量計(jì)，這種流量計(jì)具有的單一測(cè)流管裝有以與測(cè)流管平行的方式支承的匹配平衡體。這種類(lèi)型的科里奧利流量計(jì)存在與雙管型科里奧利流量計(jì)相同的問(wèn)題。
本發(fā)明還涉及使平行管型科里奧利流量計(jì)能夠?qū)x器計(jì)量誤差進(jìn)行相同種類(lèi)校正，正如對(duì)同軸的雙管型科里奧利流量計(jì)所介紹的一樣。
圖6是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的斷面圖。在圖6中，數(shù)碼11代表測(cè)流管、數(shù)碼12代表匹配平衡體，數(shù)碼13和14代表支承板。其它的在功能上與圖1所示元件相似的元件被標(biāo)以相同的數(shù)碼。
在圖6中所示的科里奧利流量計(jì)具有其中流有被測(cè)流體的直的測(cè)流管11以及在支承板13和14上平行于測(cè)流管支承的匹配平衡體12。該匹配平衡體上附著有衡重8，用于使匹配平衡體12的固有頻率等于測(cè)流管11的固有頻率。測(cè)流管11和匹配平衡體12在它們的中心部分具有振動(dòng)器5并在距振動(dòng)器5相同距離處對(duì)稱(chēng)配置傳感器6和7。此外，測(cè)流管11和匹配平衡體12以諧振方式由振動(dòng)器5驅(qū)動(dòng)，這兩者都支承在支承板13和14上。該匹配平衡體可以是桿、管或板。
在圖6中所示的科里奧利流量計(jì)中，流體僅在測(cè)流管11中流動(dòng)，匹配平衡體12與測(cè)流管11以平行隔開(kāi)的方式支承并具有配重8。因此，流體的密度和溫度以及測(cè)流管11和匹配平衡體12之間的溫度差產(chǎn)生的影響，與對(duì)在圖1、4、5中所示的雙直管型科里奧利流量計(jì)所介紹的影響相似。相應(yīng)地可以將與上述相同的儀器計(jì)量誤差校正裝置應(yīng)用到圖6中所示的單測(cè)流管型流量計(jì)。
由以上介紹可以明顯看出，根據(jù)本發(fā)明可以產(chǎn)生如下的良好效果僅通過(guò)檢測(cè)諧振頻率不需要檢測(cè)內(nèi)管和外管之間的頻率比就可校正由于被測(cè)流體密度變化所引起的儀器計(jì)量誤差。
僅通過(guò)存儲(chǔ)諧振頻率和儀器計(jì)量誤差之間的相互關(guān)系就能得到相同的效果，即按照低成本就能進(jìn)行儀器計(jì)量誤差校正。
通過(guò)利用簡(jiǎn)單的校正電路就能校正由于內(nèi)管溫度變化引起的儀器計(jì)量誤差的變化，即使在內(nèi)管與外管在材料和形狀方面不同的情況下。
當(dāng)由于在內(nèi)管中流動(dòng)的流體使內(nèi)管被加熱并改變其溫度時(shí)，雖然由于內(nèi)管和外管溫度差的作用在內(nèi)管和外管中產(chǎn)生不同的軸向應(yīng)力，但可方便地校正所形成的儀器計(jì)量誤差。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種變換器，該變換器通過(guò)自動(dòng)校正總的儀器計(jì)量誤差能使同軸雙直管型科里奧利流量計(jì)能精確地測(cè)定流體的質(zhì)量流速率，該總的儀器計(jì)量誤差是由內(nèi)管和外管的固有頻率變化引起的，這又源于流體的溫度和密度按如此方式變化，即由內(nèi)管單純的熱膨脹引的第一補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值Ct、由于內(nèi)管和外管之間的溫度差引起的第二補(bǔ)償計(jì)量誤差值Cdt以及在測(cè)量的諧振頻率(對(duì)于被測(cè)流體)和校正后和標(biāo)準(zhǔn)化的頻率(對(duì)于參考流體)之間的差Δf所引起的第三補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值Cf分別計(jì)算并加在一起，得到所測(cè)質(zhì)量流校正所需的總的儀器計(jì)量誤差。這種變換器簡(jiǎn)單、成本不高，不再需要為了校正測(cè)量結(jié)果而進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種小型的高準(zhǔn)確度直管型科里奧利流量計(jì)，其像基于本發(fā)明的同軸雙直管型科里奧利流量計(jì)一樣，能可靠地測(cè)量質(zhì)量流，不良流體密度和溫度狀態(tài)的影響。
權(quán)利要求
1.一種科里奧利流量計(jì)，包含一個(gè)由其中流有被測(cè)流體的內(nèi)管(1)以及同軸安裝在內(nèi)管(1)上并在其上按兩端(3、4)固定的外管(2)組成的雙導(dǎo)管，所述外管(2)其上附著有衡重(8)，用于使外管(2)的固有振動(dòng)頻率與內(nèi)管(1)的固有振動(dòng)頻率相等；用于按照諧振頻率驅(qū)動(dòng)雙管壁式導(dǎo)管(10)的驅(qū)動(dòng)裝置(5，20)；用于對(duì)與作用在雙管壁式導(dǎo)管(10)上的科里奧利力成比例的相位變化進(jìn)行檢測(cè)的一對(duì)傳感器(6，7)；以及根據(jù)傳感器(6，7)的輸出用于確定質(zhì)量流速率的質(zhì)量流速率計(jì)算器(50)；其特征在于還設(shè)有存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)關(guān)于在先前確定的流體密度和諧振頻率之間的第一相互關(guān)系的數(shù)據(jù)以及關(guān)于在所述流體密度和儀器計(jì)量誤差之間的第二相互關(guān)系的數(shù)據(jù)；以及儀器計(jì)量誤差校正裝置(40)，用于當(dāng)流體在科里奧利流量計(jì)中流動(dòng)時(shí)，通過(guò)將諧振頻率與在存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)的第一相互關(guān)系數(shù)據(jù)相比較來(lái)確定被測(cè)流體的密度以及通過(guò)將所確定的流體密度與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中第二相互關(guān)系數(shù)據(jù)相比較來(lái)校正儀器計(jì)量誤差。
2.一種科里奧利流量計(jì)，包含一種由其中流有被測(cè)流體的內(nèi)管(1)和同軸安裝在內(nèi)管(1)上并在其上按兩端(3，4)固定的外管(2)組成的雙導(dǎo)管，所述外管(2)其上附著有衡重(8)，用于使外管(2)的固有振動(dòng)頻率等于內(nèi)管(1)的固有振動(dòng)頻率；用于按照諧振頻率驅(qū)動(dòng)雙管壁式導(dǎo)管(10)的驅(qū)動(dòng)裝置(5，20)；用于對(duì)與作用在雙管壁式導(dǎo)管(10)上的科里奧利力成比例的相位變化進(jìn)行檢測(cè)的一對(duì)傳感器(6，7)；以及根據(jù)傳感器的輸出用于確定質(zhì)量流速率的質(zhì)量流速率計(jì)算器(50)；其特征在于，還提供有存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)關(guān)于在頻率差和與先前已知的標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率相關(guān)的儀器計(jì)量誤差漂移差值之間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)；以及儀器計(jì)量誤差校正裝置(40)，用于根據(jù)在存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率和當(dāng)流體在科里奧利流量計(jì)中流動(dòng)時(shí)測(cè)量的頻率之間的差校正儀器計(jì)量誤差。
3.如權(quán)利要求1或2所述的科里奧利流量計(jì)，其特征在于，內(nèi)管(1)和外管(2)具有各自的溫度傳感器(9a，9b)，能夠檢測(cè)隨著流體在流量計(jì)中流動(dòng)從標(biāo)準(zhǔn)溫度到工作溫度的各管的溫度變化；以及設(shè)有儀器計(jì)量誤差校正裝置(40)，用于針對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)溫度下的標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率和在按照一定流體流量工作時(shí)測(cè)定的溫度下的諧振頻率之間的差來(lái)校正儀器計(jì)量誤差，所述測(cè)量的諧振頻率按照內(nèi)管和外管的材料的彈性模量和形狀變化。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的科里奧利流量計(jì)，其特征在于，內(nèi)管(1)和外管(2)具有各自的溫度傳感器(9a，9b)能夠檢測(cè)兩管的溫度變化并測(cè)定兩管的溫度差，這種溫度差引起內(nèi)管和外管的軸向載荷產(chǎn)生不均勻的變化；以及設(shè)有儀器計(jì)量誤差校正裝置(40)，用于校正由于諧振頻率與標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率的差引起的儀器計(jì)量誤差的變化，所述頻率差是由于內(nèi)管和外管的溫度差形成的。
5.一種科里奧利流量計(jì)，具有一變換器，該變換器包含由其中流有被測(cè)流體的內(nèi)管(1)和同軸安裝到內(nèi)管(1)上并在其上按兩端(3，4)固定的外管(2)組成的雙管式主體，所述外管(2)其上附著有衡重(8)，用于使外管(2)的固有振動(dòng)頻率等于內(nèi)管(1)的固有振動(dòng)頻率；用于按照具有恒定數(shù)值的諧振頻率驅(qū)動(dòng)雙管式主體(10)的驅(qū)動(dòng)裝置(5，20)；以及用于檢測(cè)與作用在雙管式主體(10)上的科里奧利力成比例的相位差的一對(duì)傳感器(6，7)，其特征在于，該變換器根據(jù)一對(duì)傳感器(6，7)的輸出確定質(zhì)量流，并具有檢測(cè)內(nèi)管(1)溫度的溫度檢測(cè)裝置(9a)、檢測(cè)外管(2)溫度的溫度檢測(cè)裝置(9b)、用于根據(jù)內(nèi)管(1)的溫度變化補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差的溫度校正裝置、用于根據(jù)內(nèi)管(1)溫度和外管(2)溫度之間差值對(duì)儀器計(jì)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏囟炔钚Ｕb置，諧振頻率校正裝置，用于補(bǔ)償對(duì)于振動(dòng)式雙管式主體(10)的諧振頻率，所述頻率是按照通過(guò)的流體的流量測(cè)量的，與振動(dòng)式雙管式主體(10)的諧振頻率，所述頻率是按照通過(guò)流體經(jīng)校正和標(biāo)準(zhǔn)化的流量測(cè)量的，這二種諧振頻率的差引起的儀器計(jì)量誤差，以及用于根據(jù)利用溫度校正裝置、溫度差校正裝置和諧振頻率校正裝置所確定的各個(gè)補(bǔ)償儀器計(jì)量誤差值的和校正儀器計(jì)量誤差的儀器計(jì)量誤差校正裝置(40)。
6.如權(quán)利要求1或2或5所述的科里奧利流量計(jì)，其特征在于，振動(dòng)式雙導(dǎo)管包含其中流有被測(cè)流體的測(cè)流管(11)以及平行于測(cè)流管軸線(xiàn)按兩端(13、14)固定在測(cè)流管(11)上的直管型匹配平衡體(12)，以及所述直管型匹配平衡體(12)設(shè)有衡重(8)，用于使匹配平衡體的固有振動(dòng)頻率等于測(cè)流管(11)的固有振動(dòng)頻率。
全文摘要
一種可按諧振方式驅(qū)動(dòng)的直管型科里奧利流量計(jì)能夠校正由于被測(cè)流體的密度和溫度變化所引起的儀器計(jì)量誤差。流體密度的變化引起內(nèi)管和外管的幅值比變化,導(dǎo)致儀器計(jì)量誤差漂移。儀器計(jì)量誤差檢測(cè)電路存儲(chǔ)諧振頻率和流體密度之間的相互關(guān)系以及流體密度和儀器計(jì)量誤差之間的相互關(guān)系,并且根據(jù)檢測(cè)到的諧振頻率對(duì)儀器計(jì)量誤差進(jìn)行校正。
文檔編號(hào)G01F1/84GK1177097SQ9711056
公開(kāi)日1998年3月25日 申請(qǐng)日期1997年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月19日
發(fā)明者五味信吾, 北見(jiàn)大一, 遠(yuǎn)藤孝史, 松岡健一, 一瀨公宏, 二川修, 小林誠(chéng)司, 小林一英 申請(qǐng)人:株式會(huì)社橢圓