Датчик массового расхода на основе эффекта кориолиса (варианты)

Датчик содержит расходомерную трубку, оптический измерительный преобразователь, включающий источник света, расположенный рядом с первой стороной расходомерной трубки, и фотоприемник, расположенный рядом со второй стороной расходомерной трубки. Источник света и фотоприемник фиксированы друг относительно друга. Расходомерная трубка приводится в колебательное движение устройством привода и при этом перемещается с возможностью перекрытия светового луча. В вариантах выполнения используется пьезоэлектрический привод в виде двух пьезоэлектрических униморфных элементов, присоединенных к концам расходомерной трубки для возбуждения круговых колебаний, и плоской спиральной пружины, к каждой из трех или четырех ветвей которых прикреплено пьезоэлектрическое устройство. Датчик может работать с полезным сигналом низкого уровня, имеет повышенную чувствительность и уменьшенные габариты. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 39 ил.

 

Ссылка на родственные заявки

Данная заявка является частичным продолжением заявки на патент США №09/430881, поданной 1 ноября 1999 г. и являющейся частичным продолжением заявки на патент США №09/326949, которая подана 7 июня 1999 г. на основе предварительной заявки на патент США №60/111504, поданной 8 декабря 1998 г.

Область техники

Изобретение в целом относится к измерению и регулированию массового расхода и касается, в частности, устройства для измерения и регулирования массового расхода на основе эффекта Кориолиса, имеющего встроенный регулирующий клапан с соответствующими электронными схемами датчиков, регулирования и связи.

Обзор известных технических решений

Измерение массового расхода, основанное на эффекте Кориолиса, осуществляется следующим образом. Сила Кориолиса возникает в результате действия массы, перемещающейся в установленном направлении и вынуждаемой затем изменять направление с составляющей вектора, нормальной к установленному направлению потока. Этот эффект может быть выражен следующим уравнением:

где (вектор силы Кориолиса) является результатом векторного произведения (вектора количества движения текущей массы) и (вектора угловой скорости вращающейся системы координат).

Во вращающейся системе вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения. При использовании "Правила правой руки" четыре пальца руки определяют направление вращения, а отведенный в сторону большой палец определяет направление вектора угловой скорости. В случае типичного датчика расхода на основе эффекта Кориолиса, трубка, расход текучей среды через которую должен быть измерен, вибрирует. Трубка часто выполняется в виде одной или нескольких петель. Форма петли является такой, что вектор массового расхода в различных частях петли направлен в противоположные стороны. Петли трубки могут иметь, например, U-образную, прямоугольную, треугольную или дельтовидную форму или форму спирали. В частном случае прямой трубки одновременно имеются два вектора угловой скорости, которые совпадают для точек закрепления трубки, а вектор массового расхода имеет одно направление.

Вектор угловой скорости изменяет направление, так как в вибрирующей системе направление вращения изменяется. Результатом является то, что в любой данный момент сила Кориолиса действует в противоположных направлениях там, где векторы массового расхода или векторы угловой скорости направлены в противоположные стороны. Так как из-за вибрирующей системы вектор угловой скорости постоянно изменяется, сила Кориолиса также постоянно изменяется. Результатом является динамическое закручивающее перемещение, накладывающееся на колебательное движение трубки. Для данной угловой скорости амплитуда закручивания пропорциональна массовому расходу.

Измерение массового расхода обеспечивается измерением кручения в трубке датчика, возникающего вследствие силы Кориолиса, создаваемой текучей средой, перемещающейся по трубке датчика. Типичные известные устройства используют датчики, содержащие пары магнит-катушка, расположенные на расходомерной трубке там, где смещение, вызываемое силой Кориолиса, ожидается наибольшим. Катушка и магнит устанавливаются на расположенных напротив друг друга структурах, например, магнит устанавливается на трубке, а катушка устанавливается на неподвижной стенке блока. Катушка будет перемещаться в магнитном поле, что индуцирует в катушке ток. Этот ток будет пропорционален скорости магнита относительно катушки. Так как этот процесс является измерением скорости, то скорость, и таким образом сигнал, являются максимальными, когда расходомерная трубка пересекает свою точку покоя (в момент прохождения через нуль). Кручение, созданное силой Кориолиса, вызывает сдвиг фаз в сигнале скорости, который определяется измерением разности между моментами прохождения через нуль сигналов от двух датчиков скорости. На практике это предъявляет жесткие требования к точности схем измерения времени. Это может ограничивать предельную чувствительность измерения массового расхода данным способом.

Кроме того, возможности измерения расхода в известных устройствах, основанных на использовании эффекта Кориолиса, часто ограничены значениями расхода, которые превышают значения, необходимые для многих условий применения. Далее, существующие измерительные устройства массового расхода на основе эффекта Кориолиса обеспечивают только измерение массового расхода, без объединения с возможностью регулирования потока. Обеспечение какими-либо средствами регулирования потока предоставлено самому пользователю.

Данное изобретение направлено на устранение недостатков, связанных с известным уровнем техники.

Сущность изобретения

Согласно одному из аспектов данного изобретения, датчик массового расхода на эффекте Кориолиса содержит расходомерную трубку, источник света, расположенный рядом с первой стороной расходомерной трубки, фотоприемник, расположенный рядом со второй стороной расходомерной трубки, и устройство привода, устройство привода, при работе расположенное относительно расходомерной трубки так, чтобы возбуждать вибрацию расходомерной трубки, так чтобы расходомерная трубка перемещалась, пересекая путь света между источником света и фотоприемником. В некоторых формах осуществления изобретения источник света излучает инфракрасное излучение, например, является инфракрасным светодиодом, используемым вместе с инфракрасным фотодиодом.

Согласно другому аспекту данного изобретения, датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса с гибкой трубкой содержит гибкую расходомерную трубку, имеющую первый и второй концы. Расходомерная трубка определяет в основном линейный путь потока, а устройство привода расположено так, чтобы приводить расходомерную трубку в движение.

Первый и второй измерительные преобразователи расположены у первого и второго концов расходомерной трубки, соответственно. Каждый из этих измерительных преобразователей выдает сигнал в ответ на движение расходомерной трубки, а сила Кориолиса, создаваемая при протекании вещества через расходомерную трубку, вызывает фазовый сдвиг между сигналами, выдаваемыми первым и вторым измерительными преобразователями.

Согласно еще одному аспекту данного изобретения, датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит расходомерную трубку, рамку, в которой установлена эта расходомерная трубка, устройство привода, при работе расположенное относительно рамки так, чтобы возбуждать ее вибрацию, и по меньшей мере один измерительный преобразователь, расположенный относительно расходомерной трубки так, чтобы измерять ее кручение, обусловленное действием силы Кориолиса. Рамка, например, может быть выполнена в виде кремниевой рамки, к которой прикреплена трубка датчика расхода из нержавеющей стали.

Краткий перечень чертежей

Другие цели и преимущества изобретения будут более ясны после прочтения подробного описания, приведенного ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1А и 1В представляют собой блок-схемы, поясняющие принцип работы регулятора и датчика массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с особенностями данного изобретения.

На фиг.2А и 2В показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий электромагнитный привод в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения.

На фиг.3А и 3В показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий электростатический привод в соответствии с другой формой осуществления данного изобретения.

На фиг.4А и 4В показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий акустический привод в соответствии с еще одной формой осуществления данного изобретения.

На фиг.5А, 5В и 5С показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий пьезоэлектрический привод в соответствии с еще одной формой осуществления данного изобретения.

На фиг.6 показана схема синхронного усилителя для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением.

На фиг.7 показана схема двухканального синхронного усилителя для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса. в соответствии с данным изобретением.

Фиг.8 представляет собой график, показывающий зависимость между амплитудами входных сигналов, поступающих от датчиков положения трубки датчика при использовании способов обработки сигналов в соответствии с данным изобретением.

На фиг.9 показана блок-схема двойного синхронного усилителя для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением.

На фиг.10 показана блок-схема двойного синхронного усилителя с подстройкой опорной частоты, предназначенного для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением.

Фиг.11 поясняет первую форму выполнения емкостного датчика смещения в соответствии с данным изобретением.

Фиг.12 поясняет вторую форму выполнения емкостного датчика смещения в соответствии с данным изобретением.

Фиг.13 поясняет третью форму выполнения емкостного датчика смещения в соответствии с данным изобретением.

На фиг.14 показан в перспективе регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения;

На фиг.15 изображен вид в разрезе регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса, показанного на фиг.14.

На фиг.16 показан, в перспективе, с пространственным разделением деталей, регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса, изображенный на фиг.15.

На фиг.17А и 17В, соответственно, поясняются особенности резьбового соединения клапана согласно известному уровню техники и герметизированного резьбового соединения клапана в соответствии с данным изобретением.

На фиг.18 показан в перспективе регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с другой формой осуществления данного изобретения.

Фиг.19 поясняет устройство для измерения массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующее оптический измерительный преобразователь в соответствии с некоторыми формами осуществления данного изобретения.

На фиг.20 показана блок-схема регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса, который использует оптический измерительный преобразователь, показанный на фиг.19.

На фиг.21 показана блок-схема, поясняющая части схемы съема сигнала и привода датчика в соответствии с некоторыми аспектами данного изобретения.

На фиг.22 показана блок-схема, иллюстрирующая части схемы применения и управления в соответствии с некоторыми аспектами данного изобретения.

На фиг.23 показана блок-схема, концептуально иллюстрирующая части интерфейса HART для регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с данным изобретением.

На фиг.24А и 24В показан вид в разрезе спереди и сбоку, соответственно, части датчика расхода регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения.

На фиг.25 показана гибридная трубка для измерения массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения.

На фиг.26А и 26В показаны мосты Уинстона, используемые как пьезорезистивные датчики для гибридной трубки, представленной на фиг.25.

На фиг.27 показана блок-схема, схематично показывающая датчик с прямой расходомерной трубкой в соответствии с данным изобретением.

На фиг.28 показана блок-схема, схематично представляющая другую форму осуществления датчика с прямой расходомерной трубкой в соответствии с данным изобретением.

Фиг.29А и 29В схематично иллюстрируют примеры выполнения наклоняющих пьезоэлектрических устройств привода в соответствии с данным изобретением.

Хотя изобретение допускает различные модификации и различные формы, некоторые частные формы его осуществления показаны в качестве примера на чертежах и описаны подробно. Должно быть понятно, однако, что приведенное здесь описание частных форм осуществления изобретения не предназначено для того, чтобы ограничить его этими формами, а напротив, цель состоит в том, чтобы охватить все изменения, эквиваленты и варианты в рамках сущности и объема изобретения, которые определяются формулой изобретения.

Подробное описание изобретения

Ниже описаны некоторые формы осуществления изобретения. Для ясности не все особенности фактической реализации изложены в этом описании. Понятно, что при разработке любой конкретной формы осуществления изобретения должны быть приняты многочисленные специфические для реализации решения, чтобы достичь конкретных целей разработчиков, таких как соответствие системным и коммерческим требованиям, которые будут изменяться от одной реализации к другой. Кроме того, должно быть ясно, что такие проектно-конструкторские работы могут быть сложными и занимающими много времени, но будут, однако, рутинным делом для специалистов, знакомых с этим описанием.

Фиг.1А поясняет устройство датчика и регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с формами осуществления данного изобретения. Он состоит по существу из двух отдельных функциональных систем: системы А съема сигнала и привода датчика на основе эффекта Кориолиса и системы В применения и управления. Система съема сигнала и привода датчика стыкуется с датчиком 1 на основе эффекта Кориолиса. Система В применения и управления обеспечивает интерфейс для пользователя 5 и подает управляющие сигналы на устройство регулирования расхода, например, на клапан 6.

Задачей системы съема сигнала и привода датчика на основе эффекта Кориолиса является управление движением датчика на основе эффекта Кориолиса 1 и обнаружение этого движения с целью определения относительного массового расхода, как функции силы Кориолиса, и относительной плотности, как функции резонансной частоты. Приведенная в качестве примера система съема сигнала и привода датчика обеспечивает данные о трех величинах для системы В применения и управления:

1. ΔT - разница во времени, которая связана с фазовым запаздыванием одной стороны трубки датчика относительно другой и указывает относительный массовый расход.

2. Частота - резонансная частота трубки датчика, которая связана с относительной плотностью вещества измеряемого потока.

3. Температура - измеряется резистивным термометром, чтобы определить температуру трубки датчика.

Система В применения и управления использует ΔТ вместе с градуировочными коэффициентами, чтобы представить желательные единицы массового расхода пользователю 5. Она также использует Частоту в сочетании с градуировочными коэффициентами, чтобы представить желаемые единицы плотности и/или объемного расхода пользователю 5. Температура используется для коррекции вычислений массового расхода и плотности. Система В применения и управления использует выходной сигнал в единицах массового или объемного расхода в сравнении с заданным пользователем значением входного сигнала, чтобы управлять клапаном 6, который регулирует расход, поддерживая его равным заданному значению.

На фиг.1В показана блок-схема, концептуально иллюстрирующая датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с особенностями данного изобретения. Датчик 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит трубку 2 датчика расхода с устройством 3 привода, расположенным относительно нее так, чтобы заставлять эту трубку 2 вибрировать. Датчики 4 смещения установлены относительно трубки 2 так, чтобы измерять скручивание трубки 2 вследствие действия силы Кориолиса.

Типичным материалом для трубки 2 датчика является нержавеющая сталь марки 316L. Причины использования нержавеющей стали 316L включают то, что она является стойкой к химическому воздействию многих веществ, устойчива к разрыву при давлениях, используемых в нормальных технологических процессах, обычно не вносит загрязнений и ей легко может быть придана форма, необходимая для трубки датчика на основе эффекта Кориолиса. Однако нержавеющая сталь 316L подходит не для всех применений. Поэтому необходимы другие материалы для трубки в тех применениях, где нержавеющая сталь 316L не подходит. Известные устройства используют кремний как альтернативный материал вместо нержавеющей стали 316L. Преимуществом кремния перед нержавеющей сталью 316L является то, что трубки датчиков могут быть сделаны меньших габаритов, чем из нержавеющей стали 316L.

Другим соображением при выборе материала для трубки 2 датчика является стойкость к коррозии, вызываемой механическим напряжением или усиливающейся под его воздействием. Напряжение создается в основании изогнутого плеча, где трубки закрепляются. В поликристаллических материалах напряжение будет заставлять примеси в материале диффундировать и концентрироваться на границах зерен между областями микрокристаллических гранул. Во многих случаях это будет ослаблять связи между микрокристаллическими зернами, делая материал более восприимчивым к химическому воздействию. Монокристаллические материалы, подобные кремнию или сапфиру, с меньшей вероятностью подвергаются воздействию такого рода.

Металлы, подобные нержавеющей стали 316L, обычно являются поликристаллическими и поэтому в различной степени более восприимчивы к этому типу химической коррозии. Аморфные материалы, подобные кварцевому стеклу и некоторым пластмассам, также более стойки к химической коррозии, вызываемой напряжением, так как они не имеют такой зернистой структуры, как у поликристаллических веществ. Материалы трубки, которые восприимчивы к химической коррозии, могут иметь поверхности, модифицированные или покрытые таким способом, чтобы минимизировать коррозию или разъедание поверхностей, если использование материала нижнего слоя является удобным в других отношениях.

Модификация поверхности может быть выполнена ионным легированием, термодиффузией и химической или электрохимической реакцией. Смысл состоит в том, чтобы удалить, перераспределить или ввести атомные или молекулярные частицы, которые оставляют химически стойкий слой на поверхности. Покрытие поверхности может быть выполнено термически активированным осаждением из пара, жидкости или порошка, ударяющего по поверхности при повышенных температурах. Более низкие температуры могут использоваться, если химически активные частицы также возбуждается или ионизируется плазмой или интенсивным потоком фотонов, например, от лазера. Другие материалы, стойкие к химической коррозии, могут быть осаждены с помощью нереактивного физического осаждения из пара, которое выполняется термическим испарением, распылением с помощью электронного луча или ионным распылением. Если распыление выполняется с использованием ионного луча с высокой энергией так, чтобы полученные распылением частицы были химически возбуждены или ионизированы, то с поверхностью также осуществляется химическая реакция, которая может быть желательна для некоторых осаждаемых материалов. Также, химические реакции на поверхности могут осуществляться ускорением химических частиц так, чтобы их кинетическая энергия могла использоваться для активации или усиления химической реакции.

Материалами, используемыми для трубки 2 датчика расхода на основе эффекта Кориолиса в конкретных формах осуществления данного изобретения, являются аустенитные и мартенситные нержавеющие стали, высоконикелевые сплавы, титан и цирконий и их сплавы, в частности сплавы титана, ванадия и алюминия, а также сплав Zircalloy (из-за их высокого предела текучести и низкого модуля продольной упругости), кремний, сапфир, карбид кремния, кварцевое стекло и пластмассы. Материалы покрытия трубки, используемые в соответствии с данным изобретением, включают карбид кремния, никель, хром, алмаз, огнеупорные карбиды, нитриды и оксиды тугоплавких металлов.

В других вариантах трубка датчика содержит гибридную структуру из композиций различных материалов, механически соединенных так, чтобы использовать лучшие свойства материала для каждой части структуры. Например, структура датчика разделяется на смачиваемую часть и на несмачиваемую часть. Смачиваемая часть может быть трубкой из любого материала, совместимого с применяемой текучей средой, включая металлические, керамические и кремниевые трубки. Эта трубка прикрепляется к колебательной структуре, например, рамке, которая приводит трубку в надлежащий колебательный режим, чтобы вызвать силы Кориолиса. Колебательная структура может сама являться трубкой, в которую вставляется смачиваемая трубка, или это может быть рамка, к которой прикрепляется трубка. Колебательная структура может быть выполнена из материала, которому может быть придан вид коромысла с формой, подходящей для поддержания смачиваемой трубки. Примером может быть кремний, из пластины которого вытравливается деталь требуемой формы, которая будет поддерживать смачиваемую трубку. Эта смачиваемая трубка может быть выполнена из нержавеющей стали, пластмассы или другого материала, которому может быть придана форма трубки для пропускания потока.

Фиг.2А и 2В поясняют устройство датчика 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с конкретными формами осуществления данного изобретения. Датчик 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса использует электромагнитный привод 10, содержащий электромагнит 12, возбуждаемый источником сигнала (не показан), который в показанной форме осуществления изобретения содержит генератор синусоидального сигнала. Электромагнит 12 расположен около малого постоянного магнита 14, закрепленного на трубке 16 датчика. Трубка 16 датчика присоединена к основанию 18, которое имеет первое и второе отверстия 19, так что путь потока проходит от одного отверстия 19 через расходомерную трубку 16 к другому отверстию 19. Пример трубки 16 датчика, показанный в описываемых здесь формах осуществления изобретения, имеет в целом U-образную форму, хотя могут также использоваться другие формы, такие как треугольная, прямоугольная, спиральная или прямая трубка. Альтернативные формы трубки будут рассмотрены ниже. Кроме того, предусмотрены дополнительные варианты конструкции, которые используют несколько параллельных трубок датчиков, обеспечивающих резервирование, регулирование диапазонов (при котором выбираемые трубки могут подключаться или отключаться с помощью клапанов), большую точность и т.д.

Фиг.3А и 3В поясняют форму осуществления изобретения, подобную показанной на фиг.2, но использующую электростатический привод. Электростатический привод 20 содержит зарядную пластину 22, помещенную около малой диэлектрической пластины 24, установленной на трубке 16 датчика. Если трубка 16 сделана из диэлектрического материала, то зарядная пластина 22 помещается около трубки 16, а диэлектрическая пластина 24 может быть исключена. Зарядная пластина также возбуждается источником сигнала (не показан), таким как генератор синусоидального сигнала. Напряжение, прикладываемое к зарядной пластине 22, создает электрическое поле между ней и диэлектрической пластиной 24. Это будет создавать поверхностный заряд на диэлектрической пластине 24. Поскольку полярность зарядной пластины 22 быстро изменяется, результирующее электрическое поле между ней и диэлектрической пластиной 24 будет поочередно притягивающим или отталкивающим, что заставляет расходомерную трубку 16 вибрировать.

Фиг.4А и 4В поясняют другую форму выполнения датчика 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса, которая использует новый акустический привод 30. Акустический привод 30 содержит небольшой громкоговоритель 32, помещенный около трубки 16.-Волны сжатия, создаваемые громкоговорителем 32, заставляют трубку 16 вибрировать.

На фиг.5А, 5В и 5С показана еще одна форма выполнения датчика 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса. Датчик 1 массового расхода на фиг.5А, 5В и 5С использует пьезоэлектрический привод 40, в котором два пьезоэлектрических блока 42, образованные пакетами из пьезоэлементов, помещены на противоположных сторонах каждой ветви расходомерной трубки 16, фактически создавая два биморфных элемента на каждой ветви 16, как показано на фиг.5А. Пьезоэлектрический и обратный пьезоэлектрический эффекты могут быть использованы для привода и/или обнаружения отклонения трубки 16.

Измерение массового расхода достигается измерением скручивания трубки 16 датчика, возникающего вследствие действия силы Кориолиса на текучую среду, движущуюся по трубке 16 датчика. Например, в известных датчиках массового расхода на основе эффекта Кориолиса, первичные измерительные преобразователи, содержащие пары магнитов и катушек, обычно располагаются на расходомерной трубке 16 там, где смещение, создаваемое силой Кориолиса, ожидается самым большим. Катушка и магнит устанавливаются на противолежащих структурах; например, магнит устанавливается на трубке 16, а катушка монтируется на неподвижной стенке корпуса. Катушка будет вдвигаться в поле магнита и выдвигаться из него, при этом в катушке будет индуцироваться ток. Этот ток пропорционален скорости магнита относительно катушки. Так как этот процесс является измерением скорости, скорость, и таким образом сигнал, находятся в максимуме, когда расходомерная трубка 16 пересекает свою точку покоя (прохождения через нуль). Кручение, которое создается силой Кориолиса, вызывает сдвиг фаз в сигнале скорости, который определяется измерением разности между моментами прохождения через нуль сигналов от этих двух датчиков скорости. Практически это предъявляет жесткие требования к точности схем измерения времени. Это может ограничивать предельную чувствительность измерения массового расхода данным способом.

В патенте США №5555190, принадлежащем правообладателю данной заявки, описываются способы и устройства обработки цифровых сигналов, предназначенные для определения частоты и фазовых соотношений вибрирующей трубки датчика, например такой как трубки, описанные применительно к датчикам массового расхода на эффекте Кориолиса, описываемым здесь. Полное описание патента США №5555190 включено в данное описание путем ссылки.

Особенности данного изобретения обеспечивают технику измерения более низких величин расхода, которая является более прямой и требует меньшей точности от электрических схем, чем обычные способы обработки сигналов, основанные на измерении времени. Что касается форм осуществления изобретения, показанных на фиг.2-4, то смещение вибрирующей трубки датчика измеряется с использованием емкостных датчиков. Два емкостных датчика 50 смещения устанавливаются около трубки 16 в положениях, симметричных к форме трубки 16, чтобы измерять кручение трубки 16 датчика вследствие силы Кориолиса, создаваемой текучей средой, которая перемещается по трубке 16 датчика. В специальных формах осуществления данного изобретения, емкостные датчики 50 смещения миниатюризированы и монтируются на поверхности стенки корпуса датчиков или на блоке датчиков, вставленном внутрь петли трубки датчика расхода. Кручение трубки 16 датчика вследствие силы Кориолиса приводит к сдвигу фаз между двумя сигналами емкостных датчиков 50 смещения. Так как этот процесс является измерением смещения, то сигнал прямо пропорционален смещению. Относительное смещение каждой стороны трубки измеряется как сдвиг фаз. Привод датчика и электронные схемы формирования сигнала преобразуют относительное смещение трубки 16 в сигнал высокого уровня, являющийся функцией сдвига фаз, который может использоваться для измерения эффекта Кориолиса, когда поток течет через трубку 16.

Первый способ обработки сигналов использует синхронный усилитель с опорным сигналом, подаваемым одним из датчиков 50 смещения, и входным сигналом, подаваемым другим датчиком 50 смещения. Синхронный усилитель может быть реализован аппаратными или программными средствами либо их комбинацией. Каждый из датчиков 50 может подавать опорный или входной сигнал. Выходной сигнал фазы синхронного усилителя пропорционален расходу. На фиг.6 показана функциональная схема синхронного усилителя 52, с помощью которого может быть осуществлен такой способ измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением. Сигналы проходят слева направо, как показано на фиг.6. Сигналы левого входа 100 и правого входа 102 являются сигналами левого и правого датчиков 50 смещения, соответственно. Например, сигнал левого входа 100 может использоваться как опорный сигнал. Синусоидальный сигнал на выходе 103 является сигналом, предназначенным для подачи на привод и синхронизированным по фазе с сигналом левого входа 100. Он будет приводить трубку 16 датчика расхода в резонанс. Сигнал правого входа 102 смешивается с сигналом левого входа 100/опорным сигналом и с сигналом 104, являющимся сдвинутым по фазе на 90° сигналом левого входа 100, в двух фазочувствительных детекторах 106. Функционально фазочувствительные детекторы 106 перемножают эти два сигнала, создавая высокочастотную составляющую и постоянную составляющую. Фильтры 108 нижних частот удаляют высокочастотную составляющую, подавая постоянные напряжения на выходы Х и Y 110, 112. Сигнал на выходе Х 110 называется синфазной составляющей, а сигнал на выходе Y 112 называется квадратурной составляющей векторного сигнала относительно опорного сигнала. Каждая из этих составляющих является фазочувствительной, однако, составляющие модуля и фазы вектора могут быть разделены с помощью следующих выражений:

Зависимость между выходными сигналами синхронного усилителя 52 и входными сигналами, поступающими от датчиков 50 смещения, определяется следующим образом.

Рассмотрим два сигнала как синусоидальные волны с произвольными амплитудами и произвольной разностью фаз. Каждый сигнал может быть представлен, как:

V_left=V_ref=Asinωt,

В нижнем фазочувствительном детекторе 106 происходит следующая операция:

Этот сигнал имеет составляющую постоянного напряжения и составляющую переменного напряжения с удвоенной частотой. Фильтр нижних частот (LPF) 108 удаляет переменную составляющую, оставляя

В верхнем фазочувствительном детекторе 106 происходит следующая операция:

Имеем косинусный множитель, так как cosωt=sin(ωt+90°).

Снова имеем сигнал с составляющими переменного и постоянного напряжения, который после прохождения через фильтр нижних частот 108 дает следующий результат:

Вычислив модуль R и фазовый угол θ из уравнений (1) и (2), мы получим:

и

Эти вычисления могут быть выполнены любым подходящим цифровым или аналоговым устройством 120 обработки сигналов. Фаза вектора пропорциональна массовому расходу потока текучей среды.

Другой способ в соответствии с изобретением требует двухканального синхронного усилителя с опорным сигналом, первым входным сигналом, подаваемым одним из датчиков 50 смещения, и вторым входным сигналом, подаваемым другим датчиком 50 смещения. Синхронный усилитель может быть реализован аппаратными или программными средствами либо их комбинацией. Разность между этими двумя входными сигналами измеряется тогда относительно опорного сигнала. Результирующий выходной сигнал фазы от синхронного усилителя пропорционален расходу. На фиг.7 показана функциональная схема двухканального синхронного усилителя 54. Сигналы проходят таким же образом и имеют те же самые определения, как на фиг.6. Сигнал левого входа 100 используется также как опорный сигнал. Как и прежде, синусоидальный сигнал на выходе 103 является сигналом для привода, синхронизированным по фазе с сигналом левого входа 100. В этом случае сигнал левого входа 100 вычитается из сигнала правого входа 102 и смешивается с сигналом левого входа 100/опорным сигналом и сигналом 104, являющимся сдвинутым по фазе на 90° сигналом левого входа 100, в двух фазочувствительных детекторах 106. Внутренние функции являются теми же самыми, что и в синхронном усилителе 52 на фиг.6.

Следующий анализ можно использовать для определения зависимости между выходными сигналами синхронного усилителя 54 и входными сигналами, поступающими от датчиков смещения 52. Для выполнения вычислений может использоваться любое подходящее цифровое или аналоговое устройство 120 обработки сигналов.

Рассмотрим два сигнала как синусоидальные волны с произвольными амплитудами и произвольной разностью фаз. Каждый сигнал может быть представлен, как:

V_left=V_ref=Asinωt,

Выходным сигналом малошумящего дифференциального усилителя 114 в этом случае будет V_ref-V_right.

В нижнем фазочувствительном детекторе 106 происходит следующая операция:

Этот сигнал имеет составляющую постоянного напряжения и переменную составляющую с удвоенной частотой. Фильтр нижних частот 108 устраняет переменную составляющую, оставляя

В верхнем фазочувствительном детекторе 106 выполняется следующая операция:

Имеем косинусный множитель, так как cosωt=sin(ωt+90°).

Снова имеем сигнал с составляющими переменного и постоянного напряжения, который после прохождения через фильтр нижних частот дает следующий результат:

Вычислив модуль R и фазовый угол θ из уравнений (1) и (2), получим:

и

Здесь θ больше не является фазовым углом, а представляет собой арктангенс от функции фазового угла и амплитуды сигналов левого и правого входов. Анализ этого уравнения показывает, что θ является сильной функцией от . Фактически, относительные амплитуды входных сигналов могут управлять силой этой функции. Это может быть пояснено на графике, показанном на фиг.8, где А и В являются амплитудами левого и правого сигналов, соответственно. Когда амплитуды становятся более близкими, чувствительность выходного сигнала θ синхронного усилителя повышается. Даже для амплитуд, которые рассогласованы в пределах 2%, чувствительность θ к почти в 100 раз выше чувствительности синхронного усилителя стандартной конфигурации.

На фиг.9 показана функциональная схема двойного синхронного усилителя 56, с помощью которого реализуется способ измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с другим примером осуществления данного изобретения. Синхронный усилитель может быть реализован аппаратными или программными средствами либо их комбинацией. Сигналы проходят таким же образом и имеют те же самые определения, как описано выше. Сигнал левого входа 100 также используется как опорный сигнал. Как прежде, синусоидальный выход 103 является сигналом привода, синхронизированным по фазе с сигналом левого входа 100. В этом случае сигнал левого входа 100 смешивается сам с собой и со своей сдвинутой по фазе на 90° копией в двух фазочувствительных детекторах 106 в верхнем синхронном усилителе 58. В нижнем синхронном усилителе 60 сигнал правого входа 102 смешивается с сигналом левого входа 100 и его сдвинутой по фазе на 90° копией в двух фазочувствительных детекторах 106. Парные выходные сигналы от фазочувствительных детекторов 106 без сдвига по фазе и от фазочувствительных детекторов 106 со сдвигом по фазе вычитаются в двух малошумящих дифференциальных усилителях 114. Постоянные составляющие сигналов пропускаются фильтрами 108 нижних частот, чтобы получить выходные сигналы обычного синхронного усилителя. Математические операции, которые могут быть выполнены любым походящим цифровым или аналоговым устройством 120 обработки, являются теми же самыми, что и в способе, описанном выше в связи с фиг.7, хотя порядок, в котором они выполняются, является другим. В двухканальной системе синхронного усиления, показанной на фиг.7, вычитаются два сигнала высокого уровня, с очень малыми различиями. Сигнал низкого уровня затем перемножается с сигналом высокого уровня, что может вносить шум в аналоговых схемах или ошибки округления в цифровых схемах. В двойной системе синхронного усиления, показанной на фиг.9, сначала перемножаются сигналы высокого уровня, а затем результирующие сигналы, которые являются близкими по амплитуде, вычитаются, давая в результате выходной сигнал с более низким шумом.

Синхронные усилители чаще всего используют для измерения сигнала низкого уровня, который замаскирован шумом с намного более высокой амплитудой. Синхронный усилитель действует как чрезвычайно узкополосный фильтр. Сигнал и шум умножаются на опорные синусоидальное и косинусоидальное колебания и затем пропускаются через фильтр нижних частот, чтобы удалить опорную частоту. Результатом операций умножения/фильтрации являются сигналы постоянного тока, которые представляют комплексный вектор (х+iy). Разность фаз между опорной частотой и полезным сигналом может быть определена как arctg(y/x).

С точки зрения измерения силы Кориолиса, интерес представляет разность фаз между двумя сигналами одной и той же частоты. Она может быть определена с использованием двойных синхронных усилителей, каждый из которых имеет одну и ту же опорную частоту, как показано на фиг.10. В функциональной схеме, показанной на фиг.10, сигналы левого и правого входов 100, 102 умножаются на опорные синусоидальные и косинусоидальные колебания, подаваемые генератором 144 опорной частоты. Входные сигналы 100, 102 смешиваются с синусоидальными и косинусоидальными сигналами в фазочувствительных детекторах 106, затем пропускаются через фильтры 148 нижних частот Бесселя пятого порядка с бесконечной импульсной характеристикой, как описано в связи с фиг.6, 7 и 9. Процесс умножения/фильтрации, описанный выше, выполняется над левым и правым входными сигналами 100, 102, с получением результирующих выходных сигналов X, Y разности фаз для каждого сигнала относительно опорной частоты. Разность между двумя выходными сигналами X, Y представляет разность фаз между двумя входными сигналами 100, 102. В случае измерений массового расхода на основе эффекта Кориолиса, эта разность фаз представляет показание массового расхода 152.

При использовании синхронных усилителей для измерения чрезвычайно малых разностей фаз, связанных с измерениями массового расхода на основе эффекта Кориолиса, необходимо подстраивать опорную частоту так, чтобы она соответствовала полезному сигналу. Если опорный сигнал не очень близок к полезному сигналу, на выходах фильтров 148 нижних частот будет появляться сигнал переменного тока очень низкой частоты. Рабочая частота датчика на основе эффекта Кориолиса изменяется вместе с массовым расходом, температурой, плотностью и давлением, что еще более усложняет процесс измерения.

Опорная частота может точно подстраиваться с помощью обработки выходного вектора одного из входных сигналов 100, 102. Сначала вычисляется производная выходного вектора. Это может быть выполнено вычислением комплексной разности между двумя последовательными выходными векторами. Затем первоначальный выходной вектор поворачивается на 90 градусов и вычисляется скалярное произведение этого вектора и производной, дающее в результате сигнал 150 ошибки, который подается на генератор 144 опорной частоты. Сигнал ошибки 150 является отрицательным, положительным или равным нулю, если опорная частота должна быть подстроена с понижением, повышением или оставлена неизменной, соответственно.

Величина подстройки опорной частоты зависит от точности измерения фазы, но как правило, чем точнее подстройка, тем лучше точность, которая определяется вычислением стандартного отклонения на множестве выборок выходного сигнала. Однако более точная подстройка (изменение с малым шагом) опорной частоты будет вредной, если имеются ступенчатые изменения частоты сигнала, так как генератор 144 опорной частоты будет требовать слишком много времени до достижения назначенной частоты. Если частота сигнала испытывает частые ступенчатые изменения, то чтобы подстраивать опорную частоту с более быстрым реагированием, может быть использовано пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование или адаптивный алгоритм.

В альтернативных формах осуществления изобретения, емкостный датчик 50 смещения может быть установлен на исполнительном механизме, выполненном в виде пьезоэлектрических приводов, которые, во-первых, будут выравнивать емкостные датчики 50 смещения в трех измерениях. Далее, при использовании описанных здесь способов с двухканальным синхронным усилителем или двойным синхронным усилителем, пьезоэлектрические приводы могут динамически регулировать чувствительность датчика расхода, обеспечивая таким образом расширенный рабочий диапазон.

Такая динамическая регулировка положения обеспечивает компенсацию погрешностей, возникающих из-за разброса параметров при изготовлении, в частности, регулировку положения трубки датчика расхода относительно емкостного датчика смещения. Динамическая регулировка положения обеспечивает также компенсацию изменения размеров вследствие относительного теплового расширения различных компонентов. При использовании в сочетании с двухканальным синхронным усилителем или двойным синхронным усилителем динамическая регулировка положения позволяет точно согласовывать два сигнала смещения, чтобы обеспечивать регулируемую чувствительность к расходу. Низкая чувствительность будет использоваться для режима высокого расхода, в то время как высокая чувствительность будет использоваться для расширения рабочего диапазона в сторону низких расходов, тем самым увеличивая динамический диапазон измерения расхода.

Формы осуществления данного изобретения дополнительно обеспечивают улучшенные способы измерения емкости, в частности, предлагается новая геометрия емкостного датчика смещения. Обычно смещение объекта измеряется как расстояние по нормали до емкостного датчика смещения. Смещение может быть измерено также как расстояние по касательной к емкостному датчику смещения. Как показано на фиг.11, это может быть выполнено путем размещения двух пластин 130 бок о бок друг с другом так, что между ними имеется однородный зазор 132, и размещения датчика около трубки 134 в плоскости, параллельной к направлению движения (обозначенному стрелкой 136), как показано на фиг.11. В одной из форм осуществления изобретения пластины 130 будут под одинаковым потенциалом, а трубка 134 датчика будет под потенциалом земли. Трубка 134 датчика помещена непосредственно над зазором 132 между пластинами 130, с ожидаемым движением 136, нормальным к зазору, так что циклическое движение трубки 134 будет перемещать трубку 134 ближе к одной пластине 130, чем к другой 130. Относительная емкость измеряется между каждой из пластин 130 и трубкой 134 датчика. Когда трубка 134 датчика движется над одной пластиной 130 или над другой, величина площади, создающей емкость, будет изменяться и таким образом будет измеряться относительная емкость.

Альтернативная конфигурация имеет зазор 132, который проходит, пересекая трубку 134 датчика под углом, как показано на фиг.12. Это позволяет менее точно устанавливать трубку 134 датчика над плоскостью пластин 130. Отклонение от заданного положения трубки 134 датчика будет вызывать меньшее рассогласование сигналов по сравнению с параллельным зазором 132.

Еще одна форма осуществления изобретения имеет зазор 132 пилообразной формы, как показано на фиг.13. Это является улучшением по сравнению с диагональным зазором 132, в котором угловое смещение оси трубки 134 датчика относительно зазора 132, параллельного или диагонального, будет вызывать разность в величине изменения емкости между двумя пластинами 130. Это будет вносить нежелательное изменение фазы между двумя сигналами. Пилообразная форма будет усреднять любое угловое смещение трубки 134 датчика, обеспечивая более симметричные сигналы.

На фиг.14, 15 и 16 показаны примеры выполнения регулятора 200 массового расхода на основе эффекта Кориолиса для низкой величины расхода с использованием емкостных измерительных датчиков в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения. Регулятор 200 массового расхода содержит блок 202 датчика расхода и блок 204 регулирования расхода. Процессор, внутренний или внешний для регулятора 200 массового расхода, получает заданное значение, или желательный массовый расход. Заданное значение сравнивается с действительным массовым расходом, который указывается блоком 202 датчика расхода, чтобы получить значение ошибки. Блок 204 регулирования расхода содержит клапан, которым управляют так, чтобы регулировать расход и минимизировать ошибку. Реализация конкретных схем регулирования будет рутинной задачей для специалистов, использующих это описание, и поэтому конкретные особенности такой реализации здесь подробно не рассматриваются.

Блок 202 датчика расхода, который окружен кожухом 205, содержит трубку 206 датчика, изогнутую в форме петли, устройство 208 привода и два датчика 210, которые размещены на противоположных сторонах трубки 206 датчика и измеряют смещение сторон трубки 206 датчика.

В существующих устройствах на основе эффекта Кориолиса датчик обычно размещается в сварном металлическом корпусе. Трубка датчика в корпусе имеет также присоединенные к ней датчики смещения или скорости с проводами, подключаемыми через сквозные соединения к электронным устройствам вне корпуса. Трубка датчика в таких устройствах сравнительно большая и имеет резонансную частоту около 100 Гц. Для меньших трубок датчика, таких как в некоторых формах осуществления данного изобретения, резонансная частота несколько выше, порядка 200 Гц и более. Когда частота увеличивается, возрастает влияние вязкостного демпфирования вследствие наличия воздуха внутри корпуса датчика. Путем откачивания корпуса и использования вакуумно-совместимых материалов внутри корпуса вязкостное демпфирование можно уменьшить или даже устранить. Поэтому в приведенном примере осуществления изобретения трубка 206 датчика располагается в вакуумном кожухе 207 датчика.

Трубка 206 датчика сконструирована так, чтобы допускать упругий изгиб ортогонально линии, соединяющей ветви петли трубки. Петля достаточно широка, чтобы допустить упругое кручение относительно оси петли. Чтобы измерять силу Кориолиса при низких расходах, масса трубки 206 датчика должна быть минимизирована. Выбор размеров трубки является критичным, так как трубка должна быть малой, но все же оставаться способной к удержанию текучих сред при повышенных давлениях. Датчики 210 предпочтительно бесконтактные, так как любой контакт с трубкой 206 или нагрузка трубки 206 массой может подавлять силу Кориолиса.

Измерительные датчики могут включать емкостной, магнитный, пьезорезистивный и оптический датчики. Пьезорезистивные тензометрические датчики смещения контактируют с трубкой, но в основании петли, где смещение минимально, а усилие - самое высокое. Это будет обеспечивать минимальное влияние на вибрацию трубки. Оптические технологии включают различные интерферометрические методы измерения смещения с освещением лазерным и белым светом, методы триангуляции, многократное внутреннее отражение и методы перекрывания луча. Способы магнитного измерения смещения включают использование эффекта Холла, вихревых токов, переменного магнитного сопротивления и магниторезистивных методов.

Техника емкостных датчиков используется в форме осуществления изобретения, показанной на фиг.14-16, поскольку она обеспечивает чувствительность, необходимую для измерения смещения трубки, является бесконтактной и не будет подвергаться воздействию устройства электромагнитного привода. Каждый из емкостных датчиков 210 содержит по меньшей мере одну проводящую пластину 300, которая подключена к заданному электрическому потенциалу и расположена рядом с трубкой 206 датчика расхода так, чтобы между ними был зазор. Трубка 206 датчика расхода подключена к электрическому потенциалу, отличному от потенциала проводящей пластины 300. Емкость между проводящей пластиной 300 и трубкой 206 датчика расхода изменяется вследствие относительного движения проводящей пластины 300 и трубки 206 датчика расхода, когда эта трубка 206 вибрирует.

В форме осуществления изобретения, показанной на фиг.14-16, проводящие пластины содержат первые и вторые пластины, как описано выше в связи с фиг.11-13. В приведенной в качестве примера конкретной форме осуществления изобретения используются пластины пилообразной формы, как показано на фиг.13. Емкостные датчики 210 собираются в объединенный блок 301 датчиков, размеры которого выбираются так, чтобы он вписывался в кожух 207 датчиков и был пространственно ориентирован относительно задней стенки кожуха 207 с помощью запрессованных штифтов 302. Проводящие пластины 300 емкостных датчиков 210 изготавливаются на многослойной печатной плате так, чтобы обеспечить защитный слой для минимизации паразитной емкости и задний контактный слой для припаивания к блоку 301 датчиков. Поскольку емкостные датчики 210 должны работать в вакууме, в приведенной в качестве примера форме осуществления изобретения используются материалы с низким выделением газа. Стандартные стекловолоконные материалы не совместимы с вакуумом. Желательно, чтобы материал был вакуумно-совместимым, поддающимся пайке, мог соединяться в несколько слоев с низким выделением газа, а также имел низкую диэлектрическую постоянную для простоты конструирования защитного слоя. В частной форме осуществления изобретения используется коммерчески доступный DUROID.

Блок 301 датчиков, содержащий емкостные датчики 208, может подстраиваться, чтобы оптимизировать расстояние до трубки 206 датчика. Это выполняют с использованием шарнирных пластин, изготовленных электроэрозионной обработкой. Конические установочные винты расширяют зазоры, чтобы влиять на линейное и угловое перемещение емкостных датчиков. Кроме того, проводящие пластины 300 емкостных датчиков содержат контактные площадки, которые позволяют припаивать или присоединять провода к печатной плате 303, расположенной на передней поверхности блока датчика и связывающей емкостные датчики 210 с герметизированным электрическим соединителем, который состыкован с электронными схемами емкостных датчиков смещения вне кожуха 207.

Устройство 208 привода вызывает в трубке 206 колебания изгибного типа, заставляя ее вибрировать. В приведенной в качестве примера форме осуществления изобретения устройство 208 привода содержит небольшой магнит 304, припаянный к трубке 206 датчика, и небольшую электромагнитную катушку 306, чтобы поочередно притягивать и отталкивать магнит 304. В форме осуществления изобретения, показанной на фиг.16, используется нередкоземельный магнит, в частности, магнит из кобальта и самария с покрытием никелем. Магнит из кобальта и самария имеет хорошее отношение магнитной индукции к весу. В этой форме осуществления изобретения магнит весит приблизительно 20 мг. Магнит 304 помещен наверху, в середине трубки 206 датчика, а его магнитные полюсы направлены параллельно предпочтительному направлению смещения трубки.

Катушка 306 расположена вне кожуха 207 датчиков и подключена к схемной плате 209. Кожух 207 немагнитный и поэтому прозрачен для магнитных полей. Катушка 306 является катушкой открытого типа, в отличие от тороидальной конструкции. В данной форме осуществления изобретения катушка 306 является имеющимся на рынке мощным индуктором с индуктивностью по меньшей мере 1 мГн. Центральная ось катушки 306 выставлена перпендикулярно торцу магнита 304. Трубка 206 датчика приводится в резонанс с использованием сигнала от одного из емкостных датчиков в качестве сигнала обратной связи для возбуждения катушки с помощью петли фазовой автоподстройки. Эта функция может быть реализована в виде электрической схемы или программными средствами.

Трубка 206 датчика установлена на блоке 212 основания, который имеет впускное и выпускное отверстия 214, 216 для пропускания потока, так что поток проходит от входа через трубку 206 датчика расхода, блок 204 регулирования расхода и через выпускное отверстие 216. Блок 202 регулирования потока содержит корпус 222 измерителя с катушкой 228 клапана и крышкой 230 катушки, расположенной на ней. Шток 232 клапана и плунжер 234 расположены в катушке 228 клапана, а корпус 236 клапана присоединен к корпусу 222 измерителя с уплотнением 238 между ними. Седло 240 клапана, пружина 242 и диафрагма 244 размещены в корпусе 236 клапана. Торцевые заглушки 224, 225 расположены на обоих концах блока 204 регулирования расхода с уплотнениями 226 между корпусом 222 измерителя и торцевой заглушкой 224 и между корпусом 236 клапана и торцевой заглушкой 225. В одной из форм осуществления изобретения уплотнения 226 содержат уплотнения, изготовленные из никеля методом гальванопластики.

В примере осуществления изобретения регулятор 200 массового расхода на основе эффекта Кориолиса собирается, как описано ниже. Корпус 222 измерителя и кожух 207 датчиков, также как плита 310 основания, центральная стойка 312 и трубка 206 датчика, собираются и удерживаются на месте креплением, которое пространственно ориентирует трубку 206 датчика относительно стенок кожуха 207. Остальные части устанавливаются в заданное положение с помощью запрессованных штифтов 330. Эти части затем соединяются пайкой в единый блок. Магнит 304 припаивается к трубке 206 датчика. Блок 301 датчиков собирается и устанавливается в кожухе 207 с использованием запрессованных штифтов 302. Запрессованные штифты 302 проходят сквозь заднюю часть кожуха 207 и выступают приблизительно на 0,5 мм. Герметизированный соединитель 320 запрессовывается в заднее окно 322 кожуха 207. Запрессованные штифты 302 блока датчиков и герметизированный соединитель 320 привариваются лазером или электронным лучом, чтобы обеспечить герметичное соединение. Крышка 324 располагается над лицевой стороной кожуха 207 в условиях вакуума и приваривается на место электронным лучом, что обеспечивает вакуумно-плотное соединение.

Остальные компоненты клапана и торцевые заглушки 224, 225 собираются затем вместе с корпусом 222 измерителя. Могут использоваться уплотнения 226, изготовленные из никеля методом гальванопластики, или же для калибровочных целей могут использоваться эластомерные уплотнительные кольца, затем заменяемые на никелевые уплотнения. Электронные схемы собираются и монтируются в готовом узле. Уплотнительное кольцо 332 устанавливается на опорную плиту 310 и кожух 205 прижимается поверх уплотнительного кольца 332. Кулачки на опорной плите 310 поворачиваются, чтобы плотно закрыть кожух 205. Уплотнительное кольцо 334 устанавливается на крышке 336 блока электронных схем. Крышка 336 помещается над соединителем 338 интерфейса пользователя. Крышку 336 запрессовывают на место в кожухе 205, надавливая ею на уплотнительное кольцо. Затем собранный регулятор 200 массового расхода проверяется и калибруется.

Этот пример выполнения регулятора 200 массового расхода на основе эффекта Кориолиса имеет модульную конструкцию, которая обеспечивает ряд преимуществ. Как рассмотрено выше, корпус для электронных схем герметизирован с помощью уплотнительных колец на нижнем корпусе (между нижним концом кожуха 205 и опорной плитой 310) и в верхней части около крышки интерфейса пользователя (между верхним концом кожуха 205 и крышкой 336 блока электронных схем). Крышка 336 соединена с платой 340 интерфейса пользователя, находящейся внутри регулятора 200 массового расхода на основе эффекта Кориолиса, которая также подключена к воспринимающим и регулирующим электронным схемам. Крышка 336 и плата 340 интерфейса пользователя вместе формируют интерфейс для подключения электронного оборудования пользователя. Это обеспечивает гибкость конфигурирования интерфейса согласно потребностям пользователя, без необходимости разрабатывать различные электронные схемы измерения и регулирования и корпус для каждой конфигурации, необходимой пользователю.

Например, вариант крышки с интерфейсом пользователя может иметь уплотнения и кабель, обеспечивающие соответствие американскому стандарту Национальной ассоциации электротехнической промышленности на корпуса IP-65/NEMA 4Х. Пример такого устройства 400 показан на фиг.18. Для сравнения, форма осуществления изобретения, показанная на фиг.14-16, содержит соединитель 342, подключенный к плате 340 интерфейса пользователя. Как показано на фиг.18, крышка 337 блока электронных схем расширена, чтобы обеспечить пространство для дополнительных компонентов, необходимых для конкретного применения.

Другая особенность кожуха 205 с уплотнительным кольцом состоит в том, что он обеспечивает третью ступень герметизации текучей среды (трубка 206 датчика обеспечивает первую ступень герметизации, а кожух 207 - вторую ступень герметизации).

Если в регулируемой жидкости имеются пузырьки, кольцевое отверстие вокруг плунжера в обычном клапане ограничивает прохождение пузырьков на выход клапана. Пузырьки будут собираться у входа в кольцевое отверстие в той точке, в которой расход будет ограничиваться, и регулирование расхода будет нарушено. Если кольцевое отверстие увеличивается, увеличенное расстояние от плунжера до катушки клапана будет уменьшать напряженность поля в магнитной цепи и таким образом уменьшать эффективную силу, которая может быть достигнута для того, чтобы открывать или закрывать клапан, преодолевая создаваемые текучей средой гидравлические силы. Поэтому в показанном кориолисовом регуляторе 200 массового расхода предусматривается круглое отверстие 246, проходящее сквозь плунжер 234. Круглое отверстие 246 соответствует форме и размерам пузырьков и позволяет пузырькам более свободно проходить через клапан. Это минимизирует возможность ограничения потока из-за пузырьков. Отверстие 246 по центру плунжера 234 минимизирует любые влияния на магнитную цепь, так что поддерживается сила для открывания и закрывания клапана, преодолевающая гидравлические силы.

У типичных существующих клапанов плунжер клапана имеет невыпадающее седло, выполненное из некоторого деформируемого материала, которое формирует уплотнение, перекрывающее поток, когда прижимается к кромке диафрагмы. В случае нормально закрытого клапана электромагнитного типа усилие, действующее на седло, может создаваться пружиной, отрегулированной так, чтобы под действием электромагнита седло поднималось над кромкой диафрагмы. В случае нормально открытого клапана электромагнитного типа, усилие, действующее на седло, создается действием электромагнита и регулируется так, что пружина поднимает седло над диафрагмой, когда магнитное поле снимается. Материалом седла может быть эластомер, пластмасса или пластичный металл.

Обычно предпочтительнее иметь упругую деформацию, а не пластическую, чтобы уплотнение было воспроизводимым. Альтернативно, для седла и кромки могут использоваться твердые материалы, но обрабатываемые с очень жесткими допусками, включая подогнанные с высокой точностью поверхности между седлом и кромкой. Этот подход отличается высокой стоимостью. Расстояние между седлом и кромкой является критичным для работы клапана, так как усилие магнитного поля, действующее на плунжер, зависит от смещения нелинейно. В случае нормально открытого клапана, нормальное положение плунжера и таким образом седла относительно кромки должно быть оптимизировано, чтобы обеспечить максимальное усилие, когда седло перемещается к кромке, при разрешении максимального расхода в открытом положении. В нормально закрытом клапане сила прижима седла к кромке создается пружиной. Сила пружины должна быть достаточной для закрытия с преодолением гидравлических сил и все же минимизированной, чтобы позволить силе магнитного поля поднять седло над кромкой на достаточное расстояние для обеспечения максимального расхода текучей среды.

Существующие устройства могут использовать разнообразные средства, чтобы регулировать расстояние между седлом и кромкой, включая размещение прокладок под кромкой или седлом, или наличие регулировочного винта в компоненте, содержащем диафрагму. Однако, как показано на фиг.17А, типичная резьбовая регулировка в диафрагме не обеспечивает герметичности между корпусом 250 диафрагмы и корпусом 252 клапана, оставляя путь 254 утечки между нитями резьбы 256. Такая резьбовая регулировка требует, чтобы резьба 256 была герметизирована от жидкой утечки. Отдельное уплотнение, типа уплотнительного кольца или прокладки, обеспечивает эту герметичность.

В соответствии с данным изобретением диафрагма 244 и/или кромка выполняются из пластмассы, такой как VESPEL®. Обработкой на станке из нее изготавливается снабженный резьбой компонент с прецизионной диафрагмой. Как показано в примере конструкции на фиг.17В, резьба 256 нарезается на станке с превышением номинального размера так, чтобы имелась посадка с натягом 258 между корпусом 250 диафрагмы и корпусом 252 клапана. Таким образом обеспечивается герметизация, устраняющая потребность в отдельном уплотнении (уплотнительном кольце или прокладке). Кромка диафрагмы здесь является деформируемым элементом, упрощающим конструирование и изготовление седла 240 клапана и плунжера 234 (см. фиг.15 и 16).

Данное изобретение, однако, не обязательно ограничивается конкретной конфигурацией плунжера клапана. В альтернативных формах осуществления изобретения вместо клапана используется насос. Для регулирования расхода текучей среды может использоваться, например, дозирующий насос. В частности, может использоваться пьезоэлектрический насос, который содержит множество отрезков пьезоэлектрических трубок. Пьезоэлектрическими трубками управляют таким образом, чтобы заставить различные отрезки трубки сжиматься или расширяться, регулируя расход текучей среды так, как это необходимо.

На фиг.19 показан другой пример датчика массового расхода на эффекте Кориолиса в соответствии с другими аспектами изобретения. Приведенный в качестве примера датчик 500 массового расхода на эффекте Кориолиса содержит, помимо прочего, альтернативную структуру для измерения смещения трубки, чтобы обнаруживать силы Кориолиса, обусловленные потоком массы через трубку. Источники 510 света располагаются по сторонам около вершины или на вершине расходомерной трубки 502, где смещение ожидается самым большим. Фотодиоды или другие фотодетекторы 512 могут быть при этом помещены на противоположной стороне трубки 502, обращенными к источнику 510 света. Фотодетекторы 512 подключены к электронным схемам датчика, которые обрабатывают принимаемые от них сигналы. Электронные схемы датчика могут использовать устройства цифровой обработки сигналов, например, согласно способам обработки сигналов, описанным в патенте США №5555190, или синхронный усилитель, который описан здесь применительно к формам осуществления изобретения, показанным на фиг.6-11. Предполагаются и другие формы осуществления изобретения, которые используют модальное обнаружение или аппроксимацию синусоидальной кривой, при этом принимаемый сигнал сравнивается с опорным сигналом с использованием, например, определения наименьшего квадратичного отклонения фазы.

В одной частной форме осуществления изобретения источники 510 света и фотодетекторы 512 являются частью схемы оптического обнаружения, реализованной на печатной плате оптического обнаружения. Источники 510 света и фотодетекторы 512 содержат инфракрасные светодиоды и фотодиоды для обнаружения движений трубки 502 датчика. Как показано на фиг.19, имеются два комплекта светодиодов 510 и фотодиодов 512, по одному комплекту для обнаружения перемещений каждой стороны трубки 502 датчика.

Фиг.20 представляет блок-схему, схематично изображающую части регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса, в котором используется оптический датчик 500 массового расхода на основе эффекта Кориолиса, показанный на фиг.19. Оптический датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса 500 составляет часть печатной платы 520 оптического обнаружения. Печатная плата 520 оптического обнаружения подает левый и правый выходные сигналы 521, 522 (соответствующие левой и правой частям трубки 502 датчика) через печатную плату 540 оптического привода на схему 524 съема сигнала и привода датчика, расположенную на материнской плате 526. Схема 528 применения и управления также реализована на плате 526. Печатная плата 530 цифровой обработки сигнала содержит процессор 532 цифровой обработки сигнала, флэш-память в виде электрически стираемого перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства 534, быстродействующее оперативное статическое запоминающее устройство 536, а также логические и контрольные схемы 538. В одной из форм осуществления изобретения процессор TMS320C32 фирмы Texas Instrument, работающий с тактовой частотой 50 МГц, используется как процессор 532 цифровой обработки сигнала. Терморезистивный датчик 542 температуры подает выходной сигнал на схему 524 съема сигнала и привода датчика через печатную плату 540 оптического привода, чтобы измерять температуру трубки датчика. Кроме того, схема 524 съема сигнала и привода датчика подает выходной сигнал на катушку 513 привода для управления вибрацией трубки 502 датчика.

Трубку заставляют вибрировать (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, как показано на фиг.19), используя катушки 513, возбуждаемые синусоидальным колебанием на резонансной частоте трубки 502. Магнитное поле, создаваемое катушкой 513 (например, катушкой с индуктивностью 1 мГн, как в форме осуществления изобретения, описанной выше со ссылкой на фиг.14-16), выталкивает и втягивает магнит 514, который прикреплен к трубке 502 датчика, сообщая таким образом движение трубке. Если трубка 502 вибрирует, интенсивность инфракрасного излучения, достигающего фотодиодов 512 от светодиодов 510, увеличивается или уменьшается, когда трубка 502 датчика перемещается назад и вперед на пути прохождения света. Схема оптического обнаружения преобразует изменения света в напряжения, которые представляют положение трубки.

Когда трубка 502 датчика вибрирует, выходные сигналы оптической схемы обнаружения представляют собой два синусоидальных колебания, представляющих движение левой и правой сторон трубки 502 датчика. Без потока массы через трубку 502 датчика левая и правая стороны трубки 502 колеблются в одной фазе и поэтому эти два синусоидальных колебания являются синфазными, показывая нулевой расход. Когда поток массы через трубку 502 датчика увеличивается, разность фаз между движением левой и правой стороны трубки 502 датчика возрастает (в линейной зависимости от массового расхода).

Схема 524 съема сигнала и привода датчика генерирует сигнал привода датчика из выходных сигналов 521, 522 печатной платы оптического обнаружения. Поэтому трубка 502 датчика, оптические датчики 510, 512 и система катушка/магнит 513, 514 привода образуют замкнутую систему, которая колеблется с частотой, определяемой механическими характеристиками самой трубки 502 датчика. Эта концепция аналогична электронному генератору, в котором вместо механического объекта (трубки 502 датчика) используется кварц.

Печатная плата 530 цифровой обработки сигналов и связанная с ней электроника схемы 524 съема сигнала и привода датчика преобразует левый и правый выходные сигналы 521, 522 трубки датчика в численное значение, представляющее фактическую разность фаз между левой и правой сторонами трубки 502 датчика. Эта разность фаз представляет массовый расход.

Как показано на фиг.21, схема 524 съема сигнала и привода датчика содержит двухканальный аналого-цифровой преобразователь 550, который используется для взятия отсчетов левого и правого выходных сигналов 521, 522, поступающих с печатной платы 520 оптического обнаружения, с целью определения разности фаз между левой и правой сторонами трубки 502 датчика, определения частоты колебаний трубки 502 датчика и определения надлежащего уровня сигнала привода трубки 502 датчика. Аналого-цифровой преобразователь 552 сигнала терморезистивного датчика принимает выходной сигнал от терморезистивного датчика 542 температуры, чтобы измерять с его помощью температуру трубки 502 датчика. Умножающий цифроаналоговый преобразователь 554 используется для регулировки уровня сигнала привода трубки датчика. Печатная плата 530 цифровой обработки сигналов управляет двухканальным аналого-цифровым преобразователем 550, аналого-цифровым преобразователем 552 сигнала терморезистивного датчика и умножающим цифроаналоговым преобразователем 554.

Обратимся снова к фиг.20. Печатная плата 540 оптического привода функционирует так, чтобы обеспечить сдвиг фазы выходного сигнала привода на 90°, а также обеспечить ослабление и связь по переменному току для левого и правого выходных сигналов 521, 522 печатной платы 520 оптического обнаружения. Кроме того, печатная плата 540 оптического привода обеспечивает электрическое подключение терморезистивного датчика 542 к схеме 524 съема сигнала и привода датчика на материнской печатной плате 526.

Рассмотрение прохождения сигналов ниже разъясняет назначение печатной платы 540 оптического привода и поясняет, как трубка 502 датчика возбуждается на своей резонансной частоте. Движение трубки 502 датчика возбуждает посредством печатной платы 520 оптического обнаружения два синусоидальных колебания (левый и правый выходные сигналы 521, 522). Эти сигналы пропускаются на печатную плату 540 оптического привода, где они проходят через цепь связи по переменному току, чтобы удалить какие-либо смещения по постоянному току, и ослабляются, чтобы уменьшить их амплитуды до таких величин, которые подходят для входов двухканального аналого-цифрового преобразователя 550 в схеме 524 съема сигнала и привода датчика на материнской печатной плате 526.

Схема 524 съема сигнала и привода датчика выполняет буферизацию этих сигналов и берет их отсчеты с помощью двухканального аналого-цифрового преобразователя 550, а также пропускает сигнал 521 левой стороны через перемножающий цифроаналоговый преобразователь 554 для регулировки усиления сигнала привода. После умножающего цифроаналогового преобразователя 554 сигнал подается по цепи обратной связи на печатную плату 540 оптической привода, где перед подачей сигнала на катушку 513 привода датчика создается запаздывание его фазы на 90°. Схема сдвига фазы на 90° необходима потому, что при резонансе механический резонатор требует, чтобы энергия, подаваемая по цепи обратной связи назад в систему (через катушку 513 и магнит 514 привода), была сдвинута по фазе на 90° относительно движения трубки 502.

Специалистам понятно, что схемы ослабления связи по переменному току и сдвига по фазе на 90° могут быть включены в состав печатной платы 520 оптического обнаружения или в материнскую печатную плату 526. Однако при реализации этих функций на отдельной печатной плате, печатная плата 520 оптического обнаружения и печатная плата 540 оптического привода могут быть удалены от системы, что позволяет подключать другие датчики массового расхода непосредственно к материнской печатной плате 526. Входы считывания и выход сигнала привода на материнской печатной плате 526 должны быть совместимыми с соответствующими выходами и устройством привода конкретного применяемого датчика массового расхода, или же должен быть предусмотрен подходящий интерфейс.

Известные датчики массового расхода на основе эффекта Кориолиса не требуют сдвига фазы на 90° для выходного сигнала привода, так как в типичных первичных измерительных преобразователях датчиков на основе эффекта Кориолиса используются магниты и катушки, которые чувствительны к скорости (величина выходного сигнала является наибольшей при прохождении через нуль), в то время как оптические или емкостные первичные преобразователи, описываемые здесь, являются позиционно-чувствительными (снимаемый выходной сигнал является наибольшим при пиковых отклонениях). Так как скорость является производной от положения и производная от синусоидальной функции является косинусоидальной функцией, а функция синуса сдвинута по фазе относительно косинуса на 90°, сдвиг фазы на 90° в чувствительных к скорости датчиках происходит естественным образом.

Чтобы инициировать вибрацию трубки 502 датчика, коэффициент усиления привода увеличивают до намного большего значения, чем нормальное. Вибрации окружающей среды, которые всегда существуют, вызывают колебания трубки 502 датчика, главным образом на ее собственной резонансной частоте. Это малое движение обнаруживается оптическими датчиками 510, 512 и используется для приведения трубки 502 датчика в движение с большими амплитудами (посредством схемы привода с высоким коэффициентом усиления). Когда вибрация трубки 502 датчика достигает заданной амплитуды, схема привода переключается на нормальное усиление и печатная плата 530 цифровой обработки сигналов берет на себя регулировку амплитуды вибраций трубки датчика посредством умножающего цифроаналогового преобразователя 554. Без активного регулирования амплитуды сигнала привода трубка 502 датчика прекратила бы вибрировать или же вибрировала бы неуправляемым образом.

В приведенной в качестве примера форме осуществления изобретения данные разности фаз, частоты трубки датчика и ее температуры, вычисляемые печатной платой 530 цифровой обработки сигналов, передаются в систему 528 применения и управления по линии последовательной связи со скоростью 4800 бод.

На фиг.22 поясняются особенности схемы применения и управления. Материнская печатная плата 526 содержит также электрическую схему 528 для применения и управления. Печатная плата 560 интерфейса пользователя может быть подключена к материнской печатной плате 526 в виде сменной платы. Материнская печатная плата 526 содержит микроконтроллер 562, флэш-память в виде электрически стираемого перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства 564, быстродействующее оперативное статическое запоминающее устройство 566, а также логические и контрольные схемы 568. В одной из частных форм осуществления изобретения используется микроконтроллер 68LC302 фирмы Motorola, работающий с частотой 25 МГц. Микроконтроллер 562 управляет

1) аналого-цифровым преобразователем, который используется для того, чтобы считывать аналоговый входной сигнал заданного значения регулируемой величины и аналоговый входной сигнал 570 ручной коррекции положения клапана;

2) цифроаналоговым преобразователем, используемым для вывода аналогового сигнала 572 потока, и

3) цифроаналоговым преобразователем, используемым для вывода сигнала 574 управления клапаном.

Печатная плата 560 интерфейса пользователя, показанная на фиг.22, является необязательным добавлением к материнской печатной плате 526 и поддерживает разнообразные протоколы связи. Все электронные схемы, описанные выше, не ориентированы на конкретные протоколы связи. Для обеспечения совместимости с различными протоколами связи для каждого желаемого протокола предусматривается уникальная печатная плата 560 интерфейса пользователя, использующая общий форм-фактор печатной платы интерфейса пользователя. Эта плата вставляется в гнездо на материнской печатной плате 526.

Например, распространенным протоколом связи является протокол HART. Печатная плата интерфейса пользователя Аналоговый сигнал/HART обеспечивает входной сигнал заданного значения 0 (4) - 20 мА и выход расхода (плавающий) в дополнение ко входу и выходу 0 (1) - 5 В, уже имеющимся на материнской печатной плате 526. Физический уровень HART также уже существует в этой версии, и предусматривается отдельный вход источника питания, способный подавать от 13 до 30 В постоянного напряжения.

На фиг.23 показан интерфейс 580 HART. Выходной сигнал 582 расхода (0 (4) - 20 мА) модулирует соответствующую несущую, чтобы передавать и получать выходной сигнал по протоколу связи HART. Протокол HART обеспечивает цифровой интерфейс для стыка с регулятором массового расхода на основе эффекта Кориолиса для целей контроля данных и калибровки и для конфигурирования устройства. Выходной сигнал 582 расхода (0 (4) - 20 мА) также преобразуется в сигнал 584 (0 (1) - 5 В) для контроля расхода по напряжению в дополнение к контролю по току.

Вход заданного значения имеет перемычку для выбора между входом напряжения 586 или тока 588. Входное заданное значение преобразуется в напряжение (если выбран вход тока), пропускается по материнской печатной плате 526 и подается непосредственно на вход 570 заданного значения на материнской печатной плате. Сигнал, который используется для выходного сигнала 572 расхода в единственной конфигурации материнской печатной платы 526, преобразуется в интерфейсе 580 HART в выход тока и интерпретируется как выходной сигнал 590 плотности. Входной сигнал 570 ручной коррекции положения клапана также непосредственно пропускается на вход ручной коррекции положения клапана на материнской печатной плате 526.

Единственная конфигурация материнской печатной платы 526 совместно использует общую шину земли в качестве обратного провода источника питания и всех сигналов. Питание подается с использованием +15 В постоянного напряжения и земли. Хотя на соединителе материнской печатной платы для входных и выходных сигналов существуют отдельные заземления, электрически они представляют одну и ту же точку.

Входное постоянное напряжение 576 +15 В для печатной материнской платы 526 используется непосредственно во всех компонентах, требующих напряжения +15 В. Это напряжение также используется для приведения в действие двух импульсных преобразователей постоянного напряжения. Один из них используется для преобразования +15 В в +5 В постоянного напряжения, другой - для преобразования +15 В в -9 В постоянного напряжения. В примере регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с данным изобретением все электронные и электрические схемы (включая клапан) питаются с использованием этих 3 источников напряжения (+15 В, -9 В и +5 В постоянного напряжения). Единственным соединением между шасси блока и землей питания/сигналов является резистор 1 МОм и конденсатор 0,01 мкФ, включенные параллельно.

Добавление интерфейса 580 HART обеспечивает развязку входа 576 источника питания. Диапазон постоянного входного напряжения интерфейса HART составляет от +13 до 30 В и оно полностью развязано от внутренних источников напряжения и земли. Преобразователь постоянного напряжения преобразует напряжение 13-30 В (обозначено как 592) в 15 В и обеспечивает развязку. Развязка является гальванической (передача основного питания) и оптической (обратная связь). Выходами преобразователя постоянного напряжения являются электрически развязанные +15 В и земля.

Фиг.24А и 24В поясняют устройство блока 600 датчика расхода в регуляторе массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с формой осуществления изобретения, использующей оптические первичные измерительные преобразователи. Блок 600 обнаружения расхода, показанный на фиг.24А и 24В, подходит для использования в таком регуляторе массового расхода в качестве регулятора 200, показанного на фиг.14-16. По существу, блок 600 датчика расхода на фиг.24А и 24В будет реализован вместо блока 202 датчика на фиг.14-16. Блок 600 обнаружения расхода содержит трубку 602 датчика расхода, к которой прикреплен магнит 604. Инфракрасные светодиоды 606 и фотодиоды 608 подключены к печатной плате 610 оптического обнаружения, расположенной с обеих сторон от трубки 602 датчика расхода. Трубка 602 датчика расхода, магнит 604, светодиоды 606, фотодиоды 608 и печатная плата 610 расположены вместе в корпусе 612, к которому прикреплена крышка 614. Индуктивность 1 мГн функционирует как катушка 616, чтобы приводить трубку в движение. Катушка 616 расположена вне корпуса 612.

Альтернативно, трубка датчика, устройство привода и измерительные преобразователи могут быть все размещены в корпусе или же выбранные компоненты, в дополнение к катушке или вместо нее, могут быть расположены снаружи корпуса. Например, в некоторых формах осуществления изобретения может быть использован корпус, имеющий выполненное в нем окно. Это позволяет расположить источник света и/или фотодетектор вне корпуса. В других формах осуществления изобретения электронные схемы датчика удалены от корпуса, например, с использованием волоконно-оптического кабеля. Это может быть желательным, например, когда датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса используется в опасной окружающей среде.

Как описано выше, источник света и детектор могут содержать источник света на инфракрасном светодиоде, согласованный с инфракрасным фотодиодом. Размер активной поверхности фотодиода близок к диаметру трубки, но слегка превышает его. Когда трубка вибрирует, она перемещается на пути света между светодиодом и фотодиодом, перекрывая свет, идущий от светодиода. Трубка может быть расположена так, чтобы путь света между светодиодом и детектором был частично закрыт, когда трубка неподвижна. Когда трубка колебательно перемещается относительно этого положения покоя, достигающий детектора поток излучения будет поочередно минимальным или максимальным, создавая синусоидальный выходной сигнал детектора. Относительные выходные сигналы с каждой стороны трубки могут быть измерены для получения разностей фаз, возникающих из-за воздействия на поток силы Кориолиса.

Как отмечено выше, трубка датчика может быть изготовлена из любого материала из некоторого ряда материалов. Кроме того, трубка датчика может быть выполнена из комбинации материалов. Пример такой гибридной структуры показан на фиг.25. Показанный здесь датчик 700 массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит кремниевую рамку 702 и трубку 704 из нержавеющей стали. Кроме того, датчик 700 массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит зажим 706 и датчики 708, все они также выполнены из кремния. Могут использоваться и дополнительные материалы: например, зажим 706 может быть изготовлен из металла, стекла, пластмассы, керамики и т.д. Кремниевые кронштейны 710 выступают из рамки 702 и присоединены к сторонам трубки 704 датчика.

Датчики 708 являются пьезорезисторами, включенными в мост Уитстона и расположенными в основании каждого из кремниевых кронштейнов 710, которые прикреплены к сторонам трубки 704 датчика. Фактически они являются тензодатчиками, которые измеряют механическое напряжение, вызванное изгибом кремниевых кронштейнов 710. На фиг.26А показан первый мост 720 Уитстона. Мост 720 Уитстона реализован в основании каждого из кронштейнов 710. Мост 720 Уитстона обычно также выполняется из кремния, осажденного или имплантированного в кремниевую рамку 702. Мост 720 Уитстона содержит четыре резистора R1, R2, R3, R4, из них резисторы R1 и R4 моста являются переменными пьезорезисторами. Кроме того, мост 720 Уитстона содержит вывод для подключения источника возбуждения Vs, обратный провод GND сигнала и вывод для подключения выходного сигнала -Vout и +Vout датчика.

На фиг.26В показан второй мост 722 Уитстона, который реализован между двумя кронштейнами 710, чтобы измерять разностное механическое напряжение между этими двумя кронштейнами 710. В мосту 722 Уитстона резисторы R1 и R2 являются переменными пьезорезисторами. Расход прямо пропорционален разностной деформации. Фаза этих двух отдельных сигналов не должна выделяться.

Другие аспекты данного изобретения касаются устройств измерения расхода на основе эффекта Кориолиса, использующих прямые трубки датчиков, где расходомерная трубка определяет в основном линейный путь потока. Фиг.27 схематично показывает датчик расхода 450 с прямой трубкой в соответствии с этой формой осуществления изобретения. Во-первых, трубка 452 может приводиться в движение в режиме обычных колебаний с вертикальной поляризацией путем прикрепления пьезоэлектрических устройств 454 привода к каждому концу трубки 452. В некоторых формах осуществления изобретения пьезоэлектрические устройства привода могут быть выполнены в виде пьезоэлектрических униморфных элементов, с пьезоэлектрическим слоем (слоями), прикрепленным к одной стороне трубки 452. Возможны и альтернативные формы осуществления изобретения, в которых используются другие пьезоэлектрические устройства привода, например, пьезоэлектрические биморфные элементы.

Противоположная сторона может иметь пьезорезистивный или пьезоэлектрический слой, прикрепленный так, чтобы работать как датчик 456. Пара униморфных элементов 454, приводимых в действие синхронно, возбуждает трубку 452 на ее резонансной моде. Когда через трубку 452 протекает поток, сила Кориолиса будет сдвигать относительное механическое напряжение, действующее на пьезодатчики 456, создавая фазовый сдвиг в их выходном сигнале.

Другой датчик 450 с прямой трубкой схематично показан на фиг.28. Прямая трубка 452 может приводиться в движение в режиме колебаний с круговой поляризацией, аналогичных колебаниям скакалки, вращаемой двумя людьми за противоположные концы. Составляющая вектора массового расхода, которая индуцирует силу Кориолиса, является перпендикулярной к линии трубки 452. Каждый конец трубки 452 будет испытывать действие силы Кориолиса, которая будет ориентироваться или в направлении вращения или в противоположном ему направлении. Это будет создавать сдвиг фаз на противоположных концах трубки 452. Трубка может приводиться в движение, например, путем размещения магнита 460 в центре трубки 452 и возбуждения в ней круговых колебаний 2 ортогонально расположенными катушками 462 электромагнитов. Соответствующие сигналы привода имеют разность фаз 90°. Датчики 456 располагаются на обоих концах трубки 452; альтернативно, датчики 452 могут быть размещены ортогонально, аналогично катушкам 462 привода и магниту 460, на трубке 452 в точках, соответствующих 1/3 ее длины. Датчики 456 по своей природе могут быть оптическими, емкостными или электромагнитными, что в частности зависит от материала трубки.

В качестве альтернативы устройству привода с магнитом 460 и катушкой 462, в других формах осуществления изобретения в качестве возбудителя этого типа колебаний используется пьезоэлектрический наклоняющий привод, прикреплений к каждому концу трубки. Известные пьезоэлектрические наклоняющие приводы обычно используются для динамической регулировки оптических зеркал. Типичная конфигурация оптического зеркала содержит три пьезоэлектрических пакета, размещенных в треноге, которая прикреплена к платформе, поддерживающей зеркало.

Чтобы возбудить круговые колебания трубки, пьезоэлектрические пакеты возбуждаются тремя синусоидальными сигналами, каждый из них имеет свою фазу, на 120° опережающую фазу следующего за ним пакета, подобно приводу трехфазного электродвигателя. Так как пьезоэлектрические наклоняющие приводы обычно дороги и велики по сравнению с наклоняемым зеркалом, в формах осуществления данного изобретения используется описанная ниже альтернатива.

Плоские пьезоэлектрические униморфные элементы значительно менее дороги, чем привод с тремя пьезопакетами, упомянутый выше. Они обычно требуют более низкого напряжения для достижения одинакового смещения и имеют намного меньшие габариты, чем пакетированные приводы. Примеры наклоняющих приводов 470, 471 концептуально показаны на фиг.29А и В. Наклоняющие приводы 470, 471 используют соответственно плоские спиральные пружины 474, 475 из трех и четырех ветвей. Пьезоэлектрические устройства расположены на каждой ветви 476 плоской спиральной пружины 474, 475. В этом примере осуществления изобретения пружина 474 имеет пьезоэлектрический униморфный элемент 472, расположенный на каждой ветви 476 вблизи структуры 478 внешнего кольца пружины 474, 475. Пьезоэлектрические или пьезорезистивные датчики прикреплены к противоположной от пьезоэлектрических приводов 472 стороне пружины 474. Датчики воспринимают относительную фазу между датчиками на каждом конце трубки.

Приложение напряжения к униморфным элементам 472 приводит к смещению соответствующей ветви 476 пружины. В случае трехзаходной пружины 474 униморфные элементы 472 возбуждаются трехфазным синусоидальным сигналом, как в случае с вышеописанными наклоняющими приводами с тремя пакетами, что вызывает в результате в основном круговое движение привода. Четырехзаходная пружина 475 имеет более сложную структуру, но более проста при приведении в движение. Для структуры с четырьмя ветвями вместо трехфазного источника колебаний требуется двухфазный источник. Каждый сигнал возбуждения прикладывается к двум противоположным ветвям 476. Траектория движения аналогична получающейся при наблюдении фигур Лиссажу при подаче двух синусоидальных сигналов на входы х и у аналогового осциллографа. Если два сигнала сдвинуты по фазе на 90° и имеют одинаковую амплитуду, то результатом будет окружность.

Плоская спиральная пружина 474, 475 имеет преимущество перед униморфными элементами 454 плоского типа, описанными в связи с фиг.27, поскольку пружина 474 будет приспосабливаться к вертикальному смещению без необходимости изменения диаметра, как у элемента 454 плоского типа. Плотность может по прежнему измеряться по увеличению амплитуды сигнала датчика, вызываемому увеличением центробежной силы, действующей на трубку. Этот вид привода допускает большую гибкость при выборе материала трубки. Трубка не должна являться резонирующей структурой. Система даже не должна находиться в резонансе, так как она может возбуждаться непрерывным спектром частот, как в примере со скакалкой, которую крутят два человека.

Конкретные формы осуществления изобретения, описанные выше, приведены только для пояснения, так как изобретение может быть осуществлено различным образом. Кроме того, конструкции, рассмотренные здесь, не подразумевают никаких ограничений, отличных от ограничений, приведенных в формуле изобретения. Поэтому очевидно, что конкретные формы осуществления изобретения, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы в пределах объема и сущности изобретения. Соответственно, объем притязаний определяется приведенной ниже формулой изобретения.

1. Датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, содержащий расходомерную трубку; источник света, расположенный рядом с первой стороной расходомерной трубки; фотоприемник, расположенный рядом со второй стороной расходомерной трубки, в общем противоположной первой стороне, при этом источник света и фотоприемник фиксированы относительно друг друга, а расходомерная трубка имеет возможность перемещаться относительно них, и устройство привода, расположенное относительно расходомерной трубки так, чтобы возбуждать вибрацию расходомерной трубки так, чтобы расходомерная трубка перемещалась, пересекая путь света между источником света и фотоприемником.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что источник света излучает инфракрасное излучение.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что источник света содержит инфракрасный светодиод.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что фотоприемник содержит инфракрасный фотодиод.

5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что фотодиод имеет большую активную поверхность, чем диаметр расходомерной трубки.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что источник света располагается относительно расходомерной трубки в той точке, где смещение вибрирующей расходомерной трубки является максимальным.

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что источник света расположен относительно расходомерной трубки так, что расходомерная трубка частично расположена на пути света между источником света и фотодетектором, когда расходомерная трубка находится в состоянии покоя.

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рамку, в которой установлена расходомерная трубка, а устройство привода расположено относительно рамки так, чтобы возбуждать вибрацию рамки.

9. Датчик по п.8, отличающийся тем, что рамка содержит трубу, в которую помещена расходомерная трубка.

10. Датчик по п.8, отличающийся тем, что расходомерная трубка и рамка изготовлены из различных видов материалов.

11. Датчик по п.10, отличающийся тем, что расходомерная трубка изготовлена из нержавеющей стали.

12. Датчик по п.10, отличающийся тем, что расходомерная трубка изготовлена из пластмассы.

13. Датчик по п.10, отличающийся тем, что рамка изготовлена из кремния.

14. Датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, содержащий

гибкую расходомерную трубку, имеющую первый и второй концы и определяющую в основном линейный путь потока;

устройство привода, включающее первый и второй пьезоэлектрические униморфные элементы, присоединенные к первому и второму концу расходомерной трубки, соответственно, для приведения ее в движение, а также включающее плоскую спиральную пружину, имеющую несколько ветвей, и множество пьезоэлектрических устройств, при этом к каждой из ветвей пружины прикреплено одно из пьезоэлектрических устройств, и

первый и второй измерительные преобразователи, расположенные у первого и второго конца расходомерной трубки, соответственно, при этом каждый из измерительных преобразователей выдает сигнал в ответ на движение расходомерной трубки, а сила Кориолиса, создаваемая при протекании вещества через расходомерную трубку, вызывает фазовый сдвиг между сигналами, выдаваемыми первым и вторым измерительными преобразователями.

15. Датчик по п.14, отличающийся тем, что устройство привода приводит расходомерную трубку в движение с вертикальной поляризацией.

16. Датчик по п.14, отличающийся тем, что устройство привода возбуждает круговые колебания расходомерной трубки.

17. Датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, содержащий

гибкую расходомерную трубку, имеющую первый и второй концы и определяющую в основном линейный путь потока;

устройство привода, включающее первый и второй пьезоэлектрические униморфные элементы, присоединенные к первому и второму концу расходомерной трубки, соответственно, для возбуждения круговых колебаний расходомерной трубки;

первый и второй измерительные преобразователи, расположенные у первого и второго конца расходомерной трубки, соответственно, при этом каждый из измерительных преобразователей выдает сигнал в ответ на движение расходомерной трубки, а сила Кориолиса, создаваемая при протекании вещества через расходомерную трубку, вызывает фазовый сдвиг между сигналами, выдаваемыми первым и вторым измерительными преобразователями.

18. Датчик по п.17, отличающийся тем, что устройство привода содержит плоскую спиральную пружину, имеющую несколько ветвей, и множество пьезоэлектрических устройств, причем к каждой из ветвей пружины прикреплено одно из пьезоэлектрических устройств.

19. Датчик по п.18, отличающийся тем, что плоская спиральная пружина имеет три ветви.

20. Датчик по п.19, отличающийся тем, что каждое из пьезоэлектрических устройств соединено с источником энергии так, что каждый из пьезоэлектрических пакетов возбуждается синусоидальным сигналом, фаза которого на 120° опережает фазу синусоидального сигнала, приложенного к соседнему пьезоэлектрическому устройству.

21. Датчик по п.18, отличающийся тем, что плоская спиральная пружина имеет четыре ветви.