Вихревой измеритель потока жидкости

 

Изобретение может быть использовано для измерения в агрессивных средах. В отверстии в стенке трубы установлено тело, включающее подвижный элемент, выполненный с возможностью колебаний под воздействием образующихся в потоке завихрений. Отверстие герметично перекрыто диафрагмой, усиленной торсионным штифтом. Между концами тела, один из которых, направленный по потоку, служит подвижным элементом, расположена часть пониженной жесткости. Диафрагма с торсионным штифтом выполнена как одно целое со стенкой трубы и подвижным элементом, колебания которого отслеживаются сенсорами. Изобретение обеспечивает высокую точность измерения в условиях переменного давления, а также в условиях повышенного давления в трубопроводе. 9 з.п.ф-лы, 25 ил.

Изобретение относится к измерителям потока и, в особенности, к измерителям потока, работающим по принципу измерения частоты иди периода завихрений в вихревой дорожке Кармана, образующейся в движущейся жидкости.

Первый аспект настоящего изобретения относится к вихревому измерителю для измерения потока жидкости, который включает трубопровод, имеющий стенки, окружающие канал, вдоль оси которого протекает жидкость. Подвижный элемент выдвинут от отверстия в стенке и помещен в канале, а торсионный штифт, по меньшей мере, один конец которого прикреплен к стенке, соединен с подвижным элементом. Ось торсионного штифта строго параллельна оси канала с тем, чтобы обеспечить вращательное движение стержня вокруг оси штифта. Измеритель потока включает сенсоры, соединенные с подвижным элементом, которые отслеживают его движения для отображения характеристик потока. Торсионный штифт обеспечивает выпрямляющую силу, стремящуюся вернуть подвижный элемент в положение равновесия. Кроме того, штифт сокращает нежелательное движение подвижного элемента вокруг оси, перпендикулярной оси штифта, в то же время позволяя движение вокруг оси штифта.

В предпочтительном варианте изобретения измеритель потока также включает диафрагму или другой узел пониженной жесткости, который закрывает или герметизирует отверстие в стенке. Применение торсионного штифта для усиления диафрагмы позволяет повысить возможности измерителя потока путем сокращения эффекта колебательного и статического линейного давления на диафрагму.

В другом предпочтительном варианте изобретения трубопровод заменен элементом, таким как посадочное кольцо, адаптированное для стыковки с отверстием в трубопроводе. Устройство устанавливается в отверстие трубопровода в съемном или постоянном варианте.

Другой вариант изобретения относится к вихревому измерителю потока для измерения потока жидкостей, в котором трубопровод имеет стенки, окружающие канал для прохождения жидкости, причем в стенке есть область пониженной жесткости, предпочтительно, диафрагма, смонтированная в ней. Подвижный элемент, помещенный в канал, соединен с диафрагмой, а сенсоры соединены с подвижным элементом для отслеживания его колебания и формирования выходного сигнала в зависимости от его отклонений. Согласно этому аспекту изобретения, стенки, диафрагма и подвижное устройство в целом изготовлены так, чтобы представлять собой общую неразрывную поверхность с тем, чтобы уменьшить щели или зазоры, где часть жидкости могла бы задерживаться. В избранном варианте реализации изобретения сенсоры отдельно подсоединены к стержню, который, в свою очередь, соединен с подвижным элементом через диафрагму, причем стержень изготовлен как единое целое с другими деталями измерителя потока.

Другой аспект настоящего изобретения относится к вихревому измерителю потока для измерения потока жидкости, включающего трубу, имеющую стенку, окружающую канал для прохождения жидкости, причем стенка имеет область пониженной жесткости, то есть диафрагму, встроенную в нее. Устройство, расположенное в канале, имеет оконечность, направленную против течения жидкости, оконечность, направленную по течению жидкости и среднюю часть, соединенную с двумя вышеназванными. В предпочтительном варианте изобретения средняя часть включает часть устройства с пониженной прочностью, то есть более тонкую часть. Одна из оконечностей, предпочтительно, направленная по течению, имеет первый конец, соединенный со стенкой. Устройство изгибается под воздействием колебаний, по меньшей мере, части, направленной по течению оконечности, возникающих в результате возмущений в жидкости, вызванных сгибанием устройства. Измеритель потока также включает сенсоры, соединенные с оконечностью, направленной по течению, для отслеживания этих колебаний и выработки выходных сигналов. В другом предпочтительном варианте изобретения, оконечность, направленная по течению, имеет второй конец, соединенный со стенкой трубопровода, а устройство включает второе более тонкое место, расположенное между первым и вторым концами оконечности, направленной по течению, причем второе более тонкое место также изгибается, усиливая колебания устройства. В другом предпочтительном варианте изобретения сенсоры преимущественно отслеживают боковые колебания по сравнению с продольными и в съемном варианте подсоединяются к стержню выдвинутому из стенки, причем стержень передает колебания сенсорам.

На фигурах 1a и lb показан частичный разрез измерителей потока согласно данному изобретению.

На фигуре 1c показан разрез по линии 1c-1c фигуры 1b подвижного устройства и примыкающих частей измерителя; На фигуре 2a показан вид сверху торсионного штифта в соответствии с фигурой lb с примыкающими частями измерителя; На фигуре 2b показан вид сверху торсионного штифта с примыкающими деталями, в сочетании с чем подвижное устройство представляет собой окончательно сформированный барьер потока; На фигурах 3a-3d показаны в разрезе варианты торсионного штифта и района пониженной жесткости согласно изобретению; На фигурах 4a и 4b показаны частичные разрезы других вариантов измерителей согласно изобретению; На фигуре 5a показан частичный разрез еще одного варианта измерителя согласно данному изобретению; На фигуре 5b показан разрез по линии 5b-5b фигуры 5а; На фигурах 6a и 6b показан модуль потока согласно настоящему изобретению; На фигуре 7a показан разрез по линии 7a-7a фигуры 1b барьера потока; На фигуре 7b показан разрез первого варианта барьера потока;
На фигуре 8 показан разрез по линии 1c-1c, соответствующий фигуре lb;
На фигурах 9a, 9b и 9c показаны варианты барьера потока, используемые для данного изобретения;
На фигурах 10a и 10b показаны в разрезе альтернативные варианты барьера потока, используемые для данного изобретения;
На фигурах 11a и 11b показаны в разрезе другие варианты барьера потока, используемые для данного изобретения.

На фигуре 1a измеритель потока 10 включает трубу 12, имеющую стенку 14, окружающую канал 16. В канале 16 течет жидкость или газ, в основном, вдоль оси 18 канала. Как известно, вихревая дорожка Кармана образуется, когда жидкость огибает препятствие, причем число Рейнольдса данного потока находится в определенных пределах. Показанный на фигуре 1a барьер потока 20 является вихреобразующим препятствием. Колеблющееся давление жидкости воздействует на подвижный элемент 22, выдвинутый из отверстия 24 в стенке 14 в канал 16 и на другие части барьера потока 20, заставляя его двигаться. Согласно изобретению, торсионный штифт 26 помещен в отверстие 24 и соединен с подвижным элементом 22. Один или, предпочтительнее, оба конца 26a, 26a жестко соединены со стенкой 14, а ось 27 штифта строго параллельна оси 18 канала. При таком устройстве часть штифта 26, находящиеся между фиксированными концами 26a, 26a, поворачиваются вокруг оси 27 штифта как показано двойной стрелкой 30 под воздействием вращательного движения подвижного элемента 22 вокруг оси 27, как показано двойной стрелкой 32. Поскольку концы 26а, 26a жестко закреплены в стенке трубы 14, штифт создает силу, стремящуюся возвратить подвижный элемент 22 в первоначальное положение. Эта сила стремится увеличить собственную частоту колебаний подвижного устройства 22, причем важно, чтобы собственная частота колебаний подвижного элемента 22 была выше, чем самая высокая частота завихрений, которая может быть достигнута при работе измерителя. Штифт 26 также сокращает нежелательные колебания подвижного элемента 22, параллельного оси 18, которые обычно бывают вызваны локальной механической вибрацией или другими причинами, не связанными с потоком жидкости. При сокращении таких колебаний уменьшаются шумность работы и ложные сигналы. Кроме того, штифт 26 допускает колебания подвижного элемента 22, направленные перпендикулярно направлению потока, показанные двойной стрелкой 32, необходимые для индикации характеристик потока. Сенсоры 34, соединенные с подвижным элементом 22, предпочтительнее, установленные на стержне 28, отслеживают колебания подвижного элемента 22 и вырабатывают выходные сигналы 36, отображающие эти колебания и, следовательно, колебаний потока, поскольку частота колебаний зависит от силы потока. Стержень 28 поворачивается относительно оси 27 штифта, двигаясь как показано двойной стрелкой 38 под влиянием штифта 26 и подвижного элемента 22, как описано выше.

Показанное на фигуре 1а отверстие 24 предпочтительно закрыто известными средствами, такими, как крышка или колпак (не показаны) для уменьшения или предотвращения течи жидкости из канала 16 через отверстие 24 в окружающую среду. Барьер потока 20 предпочтительно имеет ту же общую форму или очертания, как описано в Патенте US 4464939 того же правопреемника, что и в настоящей заявке, и приведенного здесь в качестве ссылки.

На фигуре lb показан измеритель потока 10a, аналогичный измерителю потока 10, за исключением того, что измеритель 10а включает область пониженной прочности, показанный на фигуре 1b как диафрагма 40, установленная перпендикулярно оси отверстия 24. Диафрагма 40 таким образом ограничивает глухое отверстие 24a и, предпочтительно, герметично изолирует отверстие 24a от канала 16, Благодаря изоляции сенсоров 34 от измеряемой среды, измеритель потока 10a может работать и с агрессивными жидкостями, такими, как кислоты.

Наряду с полезными функциями торсионного штифта 26, упомянутыми в связи с фигурой 1a, штифт 26 может далее усовершенствовать измеритель потока 10a, где он используется для усиления диафрагмы 40. Во-первых, усилением диафрагмы 40, штифт 26 увеличивает возможности при измерениях, когда давление жидкости в трубопроводе изменяется (под давлением в трубопроводе подразумевается давление жидкости в канале 16 по отношению к давлению окружающей среды), по сравнению с аналогичным измерителем без штифта 26, используемого для усиления диафрагмы. Ненулевые уровни давления в трубопроводе ведут к напряжениям конструкции и вызывают деформацию диафрагмы 40. Изменения давления в трубопроводе соответственно изменяют эти напряжения и деформации, усиливая колебания диафрагмы 40, подвижного элемента 22 и стержня 28. Сенсора 34, которые ниже будут описаны более подробно, в основном отслеживают поперечные колебания стержня 28, а не продольные, относительно его оси. С такими сенсорами преимущества могут быть реализованы, если половины (то есть половины, разделенные штифтом 26) диафрагмы 40 будут примерно одинаковы и если подвижный элемент будет точно установлен в середине диафрагмы, так, что изменения давления в трубопроводе вызывают преобладающие продольные, а не поперечные колебания стержня 28. Однако на практике сенсоры 34 все же в определенной мере отслеживают колебания стержня 28 и других деталей из-за изменений давления в трубопроводе. Если давление в трубопроводе колеблется в периодическом режиме, что вызвано, например, работой механического насоса, то соответствующие колебания диафрагмы 40, подвижного элемента 22 и стержня 28 могут приниматься сенсорами 34 и ошибочно восприниматься как сигналы, соответствующие характеристикам потока. Укрепляя диафрагму 40, штифт 26 уменьшает напряжения и деформации, возникающие из-за изменений давления в трубопроводе, посредством чего уменьшаются сопутствующие колебания стержня и других компонентов измерителя и увеличиваются возможности для измерений.

Во-вторых, усиление диафрагмы 40 штифтом 26 повышает тот предел давления в трубопроводе, которое могло бы привести к прорыву диафрагмы 40, что позволяет эксплуатировать трубопровод под более высоким статическим давлением. Оба конца 26a, 26a штифта предпочтительно соединены непосредственно со стенкой 14 трубы для максимального усиления диафрагмы.

На фигуре 1c изображена диафрагма 40, соответствующая фигуре 1 b в разрезе по линии 1c-1c и показано (в сильно увеличенном виде) вращательное движение подвижного элемента 22, поворачивающегося на торсионном штифте 26, и изгибание диафрагмы 40. Двойная стрелка 32 показывает, в целом, направление колебаний подвижного элемента 22. Непрерывными линиями и пунктиром показаны положения деталей при их максимальных отклонениях в каждом направлении.

На фигуре 2а показан вид сверху со стороны сенсоров 34 отдельных частей измерителя 10а. Диафрагма 40 с присоединенным к ней подвижным элементом 22, это преимущественно диафрагма с жестким центром, имеющая внешний диаметр, ограниченный диаметром 42 диафрагмы 40 и внутренний (жесткий центр) диаметр, ограниченный диаметром 44 подвижного элемента 22. В этом случае, если "центр" сделан из того же материала, что и диафрагма, жесткий центр должен иметь толщину, в шесть раз превышающую толщину диафрагмы. Подвижный элемент 22 в этом и других вариантах реализации изобретения преимущественно жестко прикреплен к диафрагме, формируя диафрагму с жестким центром так, что силы, действующие на подвижный элемент, эффективно передаются на сенсоры. На фигуре 2a показано, что концы 26a, 26a жестко соединены со стенкой 14 трубы.

На фигуре 2b показано устройство, близкое показанному на фигуре 2a, но отличающееся от показанных на фигурах 1a и 1b. На фигуре 2b подвижный элемент 20а представляет собой по существу окончательно сформированный барьер потока, включающий оконечность 104, направленную против течения, среднюю часть 106 и оконечность 108, направленную по течению. Торсионный штифт 26b имеет концы 26c, 26c, жестко соединенные со стенкой 14 трубы. Подвижный элемент 20a имеет диаметр 44a, а диафрагма 40 имеет диаметр 42а. На фигуре 2 b также показан стержень 28. В альтернативном варианте, для обеспечения большей подвижности подвижного элемента 20а при его жестком соединении с диафрагмой 40, части подвижного элемента 20а, примыкающие к диафрагме 40 и выходящие за пределы периметра стержня 28, могут иметь вырезы. В этом случае диаметр жесткого центра может иметь величину, колеблющуюся между диаметром стержня 28 и диаметром 44а. Если вырезы сделаны в месте соединения подвижного элемента с диафрагмой, боковая ширина устройства в месте выреза должна составлять по меньшей мере 50% от боковой ширины конца подвижного элемента для того, чтобы обеспечить жесткое соединение с диафрагмой. Под "боковой шириной" на фигуре 2b подразумевается ширина, измеряемая вдоль оси подвижного устройства в плане на фигуре, но перпендикулярно оси 27.

На фигурах 3a-3d показаны разрезы сочетаний диафрагматорсионный штифт, используемых в данном изобретении. На фигуре За диафрагма 40а имеет плоскую форму и соединена с подвижным элементом 22. На фигуре 3b диафрагма 40b имеет закругленную форму, повторяя общие очертания цилиндрического канала 16. Закругленная диафрагма имеет большую прочность, чем плоская, посредством чего чувствительность измерителя при данной толщине диафрагмы снижается. Для заданной минимальной чувствительности, следовательно, плоская диафрагма может иметь большую толщину, чем закругленная, которая, в целом, предпочтительна, если диафрагма изготовлена как единое целое с остальными деталями. С другой стороны, закругленные диафрагмы улучшают характеристики потока жидкости повторением общих очертаний закругленных поверхностей трубы и может быть проще изготовлена, чем плоские диафрагмы, с использованием технологий изготовления единого узла. На фигуре 3c область пониженной жесткости 40с полностью заполняет отверстие в стенке 14, кроме того, область 40c закрывает торсионный штифт 26d. Область 40c состоит из вещества, имеющего пониженную жесткость по отношению к стенке трубы 14, примыкающей к области 40c. Штифт 26d показан вставленным в область пониженной жесткости 40c, причем штифт изготовлен из вещества, имеющего большую внутреннюю прочность по сравнению с областью 40c. Наконец, на фигуре 3d показана диафрагма 40d, расположенная около внешней поверхности стенки 14, дальше от внутренней поверхности канала. В таком устройстве слепое отверстие 24b расположено также в районе пониженной жесткости, но в противоположном положении по сравнению с устройствами, соответствующими фигурам 3a и 3b.

С измерителями потока 10 и 10a, показанными на фигурах 1a и 1b, могут использоваться многие типы сенсоров 34, отслеживающих колебания подвижного элемента 32. Для примера, в качестве сенсоров могут использоваться известные оптические устройства для отслеживания колебаний штифта 26, стержня 28 или диафрагмы 40, вызванных колебаниями подвижного элемента 22. В предпочтительных вариантах изобретения измерители потока 10 и 10а включают стержень 28, выдвинутый от торсионного штифта 26 или диафрагмы 40 и сенсоры 34, представляющие собой съемный модуль, соединяемый со стержнем 28, основанный на использовании пьезоэлектрических дисков или кристаллов. Эти сенсоры включают гибкую в осевом направлении диафрагму, передающую боковые (из стороны в сторону) колебания стержня 28 на пьезоэлектрические кристаллы, но изгибаясь так, чтобы исключить передачу колебаний вдоль оси стержня 28. Избранные сенсоры описаны в патенте US N 4926695 того же правопреемника и приведены здесь для ссылки. Способность сенсоров предпочтительно отслеживать боковые колебания, а не продольные, важна для обеспечения удовлетворительной работы измерителя потока в условиях помех. Также важно то, что избранные сенсоры не оказывают обратного давления на диафрагму 40, не нагружают ее и не ограничивают каким бы то ни было другим образом ее свободных колебаний.

На фигуре 4a показан измеритель потока 10b, аналогичный измерителю, соответствующему фигуре 1a со стенкой трубы 14a, окружающий канал 16a и имеющий подвижный элемент 22b, соединенный с торсионным штифтом 26. На фигуре 4Ь показан измеритель 10c, аналогичный соответствующему фигуре 4a, но дополнительно имеющий диафрагму 40e, расположенную перпендикулярно оси отверстия в стенке 14a. Диафрагма 40e выполняет роль области пониженной жесткости в стенке трубы 14a.

На фигуре 5a показан частичный разрез другого варианта измерителя потока 10d с использованием торсионного штифта согласно настоящему изобретению. Жидкость движется в основном вдоль оси 18 канала, огибая часть барьера 42, помещенного в канал 16b, являющегося здесь барьером потока, создающим в жидкости вихревую дорожку Кармана. Барьер 42, соединенный с торсионным штифтом 44, а также, предпочтительно, и со стержнем 46, поворачивается или изгибается в основном относительно оси 48 штифта, реагируя на возмущения в жидкости, связанные с завихрениями. Барьер 42 также поворачивается или изгибается относительно оси 49 (доказано на фигуре 5b) на его другом конце. Концы торсионного штифта 44 соединены с посадочным кольцом 50, которое, в свою очередь, соединено сваркой в местах 51, 51 вокруг него со стенкой трубы 14b. Концы штифта посредством этого жестко соединены со стенкой трубы 14Ь так, что измеритель потока 10d имеет преимущества от торсионного эффекта, которые описывались ранее. Сенсоры 34 отслеживают колебания барьера 42 через стержень 46 и вырабатывают выходные сигналы 36 как результат этих колебаний. Измеритель потока 10d также предпочтительно включает диафрагму 52, установленную перпендикулярно оси посадочного кольца 50, причем штифт 44 усиливает диафрагму.

Модуль, включающий барьер 42, штифт 44 и посадочное кольцо 50, может служить измерителем потока при соединении его с сенсорами 34 и помещении в трубу 14b. Такой модуль, также преимущественно включающий диафрагму 52 и стержень 46, помещенный в отверстие 54 стенки трубы 14Ь и сопряженный с ним. Для закрепления модуля могут использоваться и другие способы соединения посадочного кольца 50 с трубой 14b, такие, как пайка, цементирование, запрессовка, крепление винтами и т.д.

На фигуре 5b показан разрез по линии 5b-5b части узла, соответствующий фигуре 5а. Для усиления колебательных движений, барьер 42 может иметь вырез в первом конце 53a, которым он соединен с посадочным кольцом 50 и во втором конце 53b, которым он соединен с нижним посадочным элементом 56. Сварное соединение 57a, 57a соединяет барьер 42 с нижним посадочным элементом 56, а сварное соединение 57b, 57b соединяет элемент 56 со стенкой трубы 14b. Конец 53a преимущественно имеет в сечении форму окружности, имеющей диаметр, не меньший, чем диаметр стержня 46. Как уже было описано в связи с фигурами 2a и 2b, вырез должен быть таким, чтобы обеспечивать жесткое соединение между барьером 42 и диафрагмой 52. Конец 53b предпочтительно имеет в сечении очертания, удлиненные в направлении, параллельном оси канала 18. Вырезы, сделанные в барьере 42, расположены за пределами канала 16b и поэтому не оказывают существенного влияния на поток жидкости. Однако барьер 42 сформирован так, что между ним и стенкой 14b остается небольшое пространство 58, показанное на фигуре в увеличенном виде, необходимое для обеспечения колебаний барьера 42. Подвижные элементы показанные в других вариантах изобретения, тоже имеют вырезы или области для обеспечения колебаний.

На фигуре 5b также показана часть сенсоров 34a, включая передающую колебания трубку 34b и гибкую в осевом направлении диафрагму 34c. Диафрагма 34c сохраняет жесткость в боковом направлении, передавая движения на пьезоэлектрические кристаллы (не показаны) и обладает гибкостью в осевом направлении, поглощая вертикальные колебания стержня 46. Сенсоры не оказывают на диафрагму 52 обратного давления и не ограничивают ее свободных колебаний.

На фигуре 6а показан частичный разрез - вид сбоку съемного модуля 55 согласно изобретению. На фигуре 6b показан вид сбоку вдоль линии 6b, 6b. Модуль 55 близок по конструкции измерителю потока 10a, соответствующему фигуре 1b, за исключением того, что модуль 55 предпочтительно не включает трубу, а вставляется в вырез 60 в трубопроводе 62. Модуль 55 включает посадочное кольцо 64, диафрагму 40, торсионный штифт 26, имеющий концы 26a, 26a, жестко соединенные с посадочным кольцом 64, барьер потока 20, по меньшей мере, частью которого является подвижный элемент 22, а также, предпочтительно, конец модуля 66 и стержень 28. Для удешевления производства модуль, предпочтительно, изготавливается как единое целое. При помещении модуля 55 в отверстие 60, посадочное кольцо 64 сопрягается с ним и соединяется с трубой 62 винтами 68а, 68b, 68c, 68d О-образное кольцо 70 эффективно герметизирует отверстие 60 для предотвращения течи жидкости из трубопровода 62. Жесткая кольцевая обойма 72 или другие укрепляющие средства закрепляют конец 66 модуля в трубе 62. Вместо барьера потока 20 с подвижным элементом 22, модуль 55 может включать другие приспособления, такие, как барьер потока 20b с подвижным элементом 22b (фигура 4a) или комбинированный подвижный элемент с барьером потока 20а (фигура 2b) или барьер 42 (фигуры 5a и 5b). Сенсоры 34 вырабатывают выходные сигналы 36, соответствующие характеристикам потока как было описано выше.

В варианте реализации изобретения с использованием и диафрагмы, и торсионного штифта, последний, предпочтительно, размещается с внешней стороны диафрагмы относительно канала трубы с тем, чтобы cвеcти к минимуму помехи потоку в трубе.

Другой аспект настоящего изобретения касается использования "хвостовой" части барьера потока в качестве вибрирующего или подвижного элемента. На фигуре 1b барьер потока 20 состоит в основном из оконечности 104а, направленной против течения, средней части 106а и оконечности 108а, направленной по течению. Оконечность 108а, направленная по течению, включает подвижный элемент 22, колебания которого отслеживаются для выработки выходных сигналов 36. Использование оконечности, направленной по течению (или ее части) в качестве подвижного элемента, дает преимущество в том, что одна кромка - задняя кромка - уже готова к колебательным движениям, поскольку она не закреплена. Кроме этого, утонченный участок 110 промежуточной части 106а позволяет большую свободу движений другой кромке - передней кромке подвижного элемента 22 благодаря своей увеличенной гибкости. Для обеспечения эффективного колебательного движения подвижный элемент имеет, предпочтительно, относительно жесткую конфигурацию реечного типа, помещена в поток жидкости и жестко прикреплен к диафрагме, сформированной в стенке трубы.

На фигуре 7а показан разрез по линии 7а-7а, соответствующий фигуре 1b барьера потока 20, включающего подвижный элемент 22 с оконечностью, направленной по течению, утонченную часть 110 и оконечность 104а, направленную против течения. Жидкость движется в общем направлении, показанном стрелкой 111. Пунктирная окружность 116 показывает положение диафрагмы 40. Возмущения, возникающие в потоке при огибании им барьера потока 20, вызывают образование бокового переменного давления, направленного перпендикулярно оси барьера потока 20. Стрелки 114 изображают силы бокового давления, действующие на части барьера потока в определенный отрезок времени, заставляя барьер потока 22 отклоняться.

Использование подвижного элемента 22 с оконечностью, направленной по течению и с уточненной частью 110, дает преимущество в том, что силы бокового давления, вызывающие отклонение барьера потока, воздействуют здесь на большую площадь по сравнению с близким по размерам ранее описанным барьером потока 20с, соответствующим фигуре 7b. На этой фигуре стрелками 114 показаны силы бокового давления, вызывающие отклонение сенсорного рычага 118, действующие преимущественно на среднюю часть барьера потока 20с. Известный вариант барьера потока 20c описан в патенте US N 4926695, упоминавшемся выше. Показанные на фигуре 7а стрелками 114 силы воздействуют на подвижный элемент 22 в утонченной его части 110, создавая изгибающий момент 120 относительно оси 122, перпендикулярный ей в плане на фигуре 7а. Использование барьера потока 20 с относительно большой площадью поверхности позволяет сделать утонченную часть 110 толще, чем диафрагма 124 на фигуре 7b при заданной чувствительности измерений. Это дает особое преимущество, если барьер потока 20 отливается из металла целиком, поскольку известные методы литья позволяют надежно и достаточно дешево производить только детали, толщина которых превышает определенную минимальную заданную толщину.

Для типичных металлов, размеров измерителя потока и требований по чувствительности, толщина утонченной части 110 больше такой минимальной заданной толщины, что позволяет отлить цельную конструкцию, в то время, как толщина ранее описанной диафрагмы 124 меньше такой минимальной заданной толщины, что ведет к отдельному изготовлению деталей машинной обработкой. При необходимости, собственная частота колебаний подвижного элемента 22 может быть изменена регулированием толщины утонченной части 110, причем собственная частота колебаний увеличивается с увеличением толщины детали.

При применении барьера потока 20 с оконечностью подвижного элемента 22, направленной по течению, появляется дополнительное преимущество перед барьером потока 20c в том, что он совместим с диафрагмой, имеющей больший диаметр, обозначенной пунктирной окружностью 116, по сравнению с диафрагмой, показанной пунктирной окружностью 115 барьера потока 20с. Использование диафрагмы с большим диаметром позволяет увеличить ее толщину, сохраняя необходимую гибкость диафрагмы. Это преимущество важно для диафрагм, формируемых как единое целое по причинам, аналогичным описанным в связи с выполненными как единое целое утонченными частями 110.

На фигуре 1b барьер потока 20 предпочтительно также имеет утонченную часть 112, являющуюся частью оконечности 108а, направленной по течению. Как показано на фигуре, части 112 и 110 предпочтительно формируют L-образную поверхность. Ее разрез по линии 1с-1с показан на фигуре 8. Здесь, стрелки 126 подобно стрелкам 114 на фигуре 7а, обозначают силы бокового давления, вызывающего отклонение подвижного элемента 22 и образующие изгибающий момент 128 относительно оси 27. Как и в случае с частью 110, толщина части 112 может регулироваться для обеспечения достаточно высокой собственной частоты колебаний подвижного элемента 22 при сохранении необходимой способности сенсоров 34 реагировать на его отклонения.

Одна или обе утонченные части 110, 112 при необходимости могут быть ликвидированы и заменены "не утонченными" частями из материала, имеющего меньшую по сравнению с соседними частями внутреннюю жесткость и, таким образом, большую гибкость, близкую к гибкости утонченных частей, способствующую подвижности подвижного элемента. Такой подход имеет преимущество, поскольку он позволяет свести к минимуму вмешательство в отношении частоты колебаний в завихрениях потока и силы потока, которое может изменяться при изменениях конфигурации поверхности барьера потока, таких, как создание утонченных частей.

Другим путем вмешательство в отношение частоты колебаний в завихрениях потока и силы потока может быть сокращено при помощи крышек, закрывающих по меньшей мере часть утонченных частей. На фигурах 9a, 9b и 9c показаны вид сбоку, сзади и поперечный разрез соответственно, таких крышек 74, установленных на барьере потока 20, соответствующего фигуре 1b. Сварные точки 76 прикрепляют крышку 74. Крышка 74 надежно закрывает утонченную часть 112 так, что оконечность 108а, направленная по течению, совместно с крышкой 70 представляет по существу единую поверхность по всей длине оконечности 108а, направленной по течению. Промежутки 78 между крышкой 74 и соседствующими частями позволяют утонченным частям 110 и 112 изгибаться до по существу тех же углов, что и без крышки так, что она не ограничивает движений подвижного элемента 22. При необходимости, крышка может также закрывать утонченную часть 110 так, что промежуточная часть 106а вместе с крышкой представляет собой по существу единую поверхность для жидкости по всей длине.

На фигуре 1а показан барьер потока 20 с использованием подвижного элемента 22 с оконечностью, направленной по течению как и на фигуре 16. На фигуре 4a показан барьер потока 20Ь, подобный изображенному на фигурах 1a и 1b, имеющий оконечность 104b, направленную против течения, среднюю часть 106Ь (включая утонченную часть 110а) и оконечность 108b, направленную по течению (включая утонченную часть 112a). На фигуре 4а, однако, утонченные части 112a и 110a прикреплены непосредственно к стенке трубы 14a.

В альтернативном, однако, не предпочтительном варианте изобретения, в качестве подвижного элемента используется, по меньшей мере, часть оконечности, направленной против течения, а не оконечности, направленной по течению. Силы давления, в целом, должны быть слабее в отношении оконечности, направленной против течения, чем в отношении оконечности, направленной по течению, но могут, тем не менее, быть достаточными в сочетании с силами, действующими на среднюю часть, чтобы производить колебание оконечности, направленной против течения, достаточное для измерения. Как и оконечность, направленная по течению, оконечность, направленная против течения имеет не присоединенную, свободную для колебаний кромку. Поскольку кромка оконечности, направленной против течения, оказывает особенно сильное влияние на образование завихрений вокруг устройства, создание утонченной части в оконечности, направленной против течения для облегчения подвижности этой оконечности, может неблагоприятно воздействовать на отношение частоты завихрений и силы потока. Эта проблема может быть уменьшена как использованием вместо утонченных частей материалов, повторяющих конфигурацию остальной части барьера потока и имеющих уменьшенную внутреннюю жесткость (описано выше), так и использованием на утонченных частях крышек.

На фигуре 10а показан поперечный разрез альтернативной конфигурации барьера потока, пригодного для данного изобретения. Здесь барьер потока 80 включает оконечность 82, направленную против течения, среднюю часть 84 и оконечность 86, направленную по течению. На фигуре 10b показан барьер потока 80, соответствующий фигуре 10а, но имеющий утонченную часть 81 в средней части 84 для содействия подвижности оконечности, направленной по течению (или против течения). Подобно им, барьер потока 90, показанный в разрезе на фигуре 11а, включающий оконечность 92, направленную против течения, среднюю часть 94 и оконечность 96, направленную по течению, также используется для данного изобретения. На фигуре 11b показан барьер потока 90, соответствующий фигуре 11a, но имеющий утонченную часть 91, являющуюся частью средней части 94 для обеспечения подвижности оконечности, направленной по течению (или против течения).

Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу, которым части измерителя изготавливаются и собираются в единый узел. Измеритель потока 10 на фигуре 1a имеет стенку трубы 14, барьер потока 20 (включая подвижный элемент 22 и утонченные части 110 и 112, обозначенные на фигуре 1b), торсионный штифт 26 и стержень 28, которые, предпочтительно, сформированы как единое целое из таких материалов, как металл, пластик, керамика и т.п. Изделия, отлитые из таких металлов, как нержавеющая сталь, углеродистая сталь, хромо-никелевый сплав (например, Хастеллой, поставляемый Юнион Карбид Корп. ), предпочтительны для большинства измерителей потока, разработанных для промышленного использования. Подобным образом> формовка впрыскиванием из пластика может использоваться в других вариантах использования измерителей. Диафрагма 40 измерителя потока 10а на фигуре 1b сформирована как единое целое с частями, относящимися к измерителю потока 10. Такой, сформированный как единое целое измеритель потока 10а имеет как выгоды в стоимости производства, благодаря сокращению объема машинной обработки, так и другие выгоды, касающиеся отсутствия сварных соединений, которые подвержены коррозии, и отсутствия зазоров и щелей между частями измерителя, где может задерживаться часть жидкости. Эта последняя особенность является результатом того, что поверхность, вдоль которой движется жидкость, сформирована в ходе единого процесса и имеет неразрывную поверхность, что требуется из соображений санитарии, например, если эта жидкость представляет собой пищевой продукт или напиток. Подвижное устройство, торсионный штифт, диафрагма и стенка трубы, показанные на фигурах 1c, 2a, 2b, 3a, 3b и 3d, также, как и стержень показанный на некоторых вариантах изобретения, предпочтительно, сформированы как единое целое. Особенно преимущественно формирование как единого целого диафрагмы и утонченных частей (показаны, например, как 110 и 112 на фигуре 1b) с остальными частями, поскольку диафрагма и утонченные части требуют особой точности при изготовлении, которое дорого при машинной обработке. Кроме того, поскольку точность соединения подвижного элемента о диафрагмой может серьезно влиять на способность измерителя реагировать на изменения давления в трубопроводе, формирование диафрагмы как единого целого с подвижным элементов в предопределенном взаимоположении, сокращает чувствительность к изменениям давления в трубопроводе, может производиться большими количествами, с малым количеством составляющих или без них и по низкой стоимости.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты, специалисты могут заметить, что некоторые изменения в форме и деталях могут быть внесены в них без изменения объема и сущности изобретения.

Формула изобретения

1. Вихревой измеритель потока жидкости, содержащий трубу, имеющую стенку, окружающую канал для прохождения жидкости вдоль его оси, причем в стенке выполнено отверстие, размещенное в канале тело, выполненное с возможностью создания колебаний в потоке и включающее подвижный элемент, выдвинутый из отверстия в канал и выполненный с возможностью колебаний под воздействием колебаний в жидкости с частотой, определяющей поток, и сенсоры, соединенные с подвижным элементом для отслеживания его колебаний и выработки выходных сигналов, определяющих поток, отличающийся тем, что содержит область пониженной жесткости, сформированную в стенке и герметично перекрывающую отверстие, и торсионный штифт, размещенный в отверстии и соединенный с подвижным элементом, причем штифт усиливает область пониженной жесткости, а по меньшей мере один конец штифта соединен со стенкой.

2. Измеритель потока по п.1, отличающийся тем, что область пониженной жесткости в стенке включает диафрагму, соединенную с подвижным элементом и стенкой, при этом стенка, диафрагма и подвижный элемент сформированы как единое целое из одного материала, обеспечивая неразрывную поверхность для жидкости.

3. Измеритель потока по п.2, отличающийся тем, что отверстие, изолированное от жидкости диафрагмой, выполнено в трубопроводе.

4. Измеритель потока по п.2, отличающийся тем, что торсионный штифт выполнен из одного материала как единое целое со стенкой, диафрагмой и подвижным элементом.

5. Измеритель потока по п.1 или 2, отличающийся тем, что тело включает первую оконечность и вторую оконечность, являющуюся подвижным элементом, и часть пониженной жесткости, которая имеет возможность изгибаться для обеспечения движения подвижного элемента.

6. Измеритель потока по п.5, отличающийся тем, что первая оконечность направлена против потока, а вторая оконечность направлена по потоку.

7. Измеритель потока по п. 6, отличающийся тем, что часть пониженной жесткости является утонченной частью тела.

8. Измеритель потока по п. 7, отличающийся тем, что утонченная часть расположена между оконечностями.

9. Измеритель потока по п.7, отличающийся тем, что оконечность, направленная по потоку, имеет конец, соединенный с трубой, при этом утонченная часть расположена между подвижным элементом и указанным концом оконечности.

10. Измеритель потока по п.3, отличающийся тем, что подвижный элемент выполнен с возможностью введения в отверстие в стенке трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16