Измерительный преобразователь вибрационного типа, кориолисовый массовый расходомер и способ работы измерительного преобразователя
Измерительный преобразователь содержит корпус и внутреннюю часть, подвешенную внутри него с помощью расположенных со стороны впуска и выпуска крутильных вибраторов, каждый из которых содержит патрубок, прикрепленный к корпусу, и элемент связи, прикрепленный к патрубку. Внутренняя часть включает в себя измерительную трубку, соединенную с трубопроводом через патрубки крутильных вибраторов, контрвибратор, механически соединенный с измерительной трубкой с помощью элементов связи, возбудитель колебаний измерительной трубки на частоте возбуждения fexc и сенсорное устройство для регистрации колебаний измерительной трубки. Мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора имеет частоту f1, не более частоты возбуждения fexc, а мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора имеет частоту f2, по существу равную частоте f1. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения благодаря тому, что измерительный преобразователь в рабочем состоянии динамически хорошо сбалансирован для широкого диапазона плотности текучей среды. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к измерительному преобразователю вибрационного типа, предназназначенному, в частности, для использования в кориолисовых массовых расходомерах, а также к способу работы измерительного преобразователя.
Для определения весового расхода протекающей по трубопроводу текучей среды, в частности жидкости, часто применяются измерительные приборы, которые посредством измерительного преобразователя вибрационного типа и подключенному к нему блока управления и обработки результатов вызывают в текучей среде силы Кориолиса и генерируют на их основе сигнал измеряемой величины, соответствующий массовому расходу.
Такие измерительные преобразователи, используемые, в частности, в кориолисовых массовых расходомерах, известны давно и находят применение в промышленности. Так, например, в US-A 5549009 описан кориолисовый массовый раходомер с измерительным преобразователем вибрационного типа, реагирующим на массовый расход протекащей по трубопроводу текучей среды и включающим в себя:
- изогнутую, вибрирующую в рабочем состоянии измерительную трубку для пропускания текучей среды, которая сообщена с трубопроводом через установленный с впускной стороны впускной патрубок и через установленный с выпускной стороны выпускной патрубок,
- расположенный преимущественно параллельно измерительной трубке и противофазно колеблющийся контрвибратор, который механически связан с измерительной трубкой
- с впускной стороны посредством, по меньшей мере, одного первого элемента связи и
- с выпускной стороны посредством, по меньшей мере, одного второго элемента связи,
- устройство возбуждения для приведения в действие измерительной трубки и контрвибратора при частоте возбуждения и
- сенсорное устройство для регистрации колебаний измерительной трубки с впускной стороны и выпускной стороны,
причем показатели крутильной жесткости впускного и выпускного патрубков согласованы между собой и с внутренней частью, расположенной на обоих патрубках и состоящей, по меньшей мере, из одной измерительной трубки, контрвибратора, устройства возбуждения и сенсорного устройства, таким образом, что ее подвеска выполнена преимущественно без сопротивления кручению.
Изогнутые, например, U-, V- или Ω-образные вибрирующие измерительные трубки после возбуждения консольных колебаний в соответствии с первой формой собственных колебаний способны, как известно, вызывать в протекающей через них текучей среде силы Кориолиса. В качестве первой формы собственных колебаний измерительной трубки в случае применения таких измерительных преобразователей обычно выбирается форма собственных колебаний, при которой в условиях минимальной естественной резонансной частоты измерительная трубка совершает маятниковые движения вокруг воображаемой продольной оси измерительного преобразователя.
Образующиеся при этом в текучей среде силы Кориолиса снова приводят к тому, что на возбужденные маятниковые консольные колебания так называемой полезной моды равночастотно накладываются консольные колебания согласно, по меньшей мере, второй форме собственных колебаний. В измерительных преобразователях описанного типа такие вызванные силами Кориолиса консольные колебания соответствуют так назыаемой кориолисовой моде, обычно форме собственных колебаний, при которой измерительная трубка также совершает крутильные колебания вокруг воображаемой вертикальной оси, перпендикулярной продольной оси. В результате наложения полезной и кориолисовой мод колебания мерной трубки, регистрируемые сенсорным устройством с впускной и выпускной сторон, характеризуются измеряемой разностью фаз, зависящей также от весового расхода.
Мерные трубки таких используемых, например, в кориолисовых массовых расходомерах измерительных преобразователей часто в рабочем состоянии возбуждаются до мгновенной резонансной частоты первой формы собственных колебаний, в частности, при постоянно заданной амплитуде колебаний. Учитывая, что такая резонансная частота зависит, в частности, от мгновенной плотности текучей среды, то, например, стандартными кориолисовыми массовыми расходомерами наряду с массовым расходом может измеряться и плотность перемещаемых текучих сред.
Преимущество трубки изогнутой формы заключается, например, в том, что вследствие тепловых расширений, в частности, в случае применения измерительных трубок с большим коэффициентом расширения, практически не возникают или возникают лишь очень незначительные механические напряжения в самой измерительной трубке и/или подключенном трубопроводе. Другое преимущество изогнутых измерительных трубок состоит в том, что измерительная трубка выполняется относительно длинной и, следовательно, может быть достигнута высокая чувствительность измерительного преобразователя по отношению к измеряемому массовому расходу при относительно короткой монтажной длине и относительно низкой энергии возбуждения. Эти обстоятельства позволяют выполнять измерительную трубку также из материалов с большим коэффициентом расширения и/или высоким модулем упругости, например из качественной стали.
По сравнению с этим в измерительных преобразователях вибрационного типа с прямой измерительной трубкой последнюю изготавливают с целью предупреждения осевых напряжений и для обеспечения достаточной измерительной чувствительности измерения, обычно из материала с, по меньшей мере, более низким коэффициентом расширения и при необходимости с более низким модулем упругости, чем качественная сталь. Поэтому в таком случае предпочтительно применяются измерительные трубки из титана или циркония, которые однако вследствие более высокой стоимости материала и обычно более трудоемкой обработки являются значительно дороже измерительных трубок из качественной стали.
Измерительные преобразователи предложенного в US-A 5549009 типа, т.е. содержащие изогнутую, в частности, одну измерительную трубку и один, в частности, расположенный параллельно измерительной трубке контрвибратор, положительно себя зарекомендовали в таких областях применения, в которых измеряемая текучая среда характеризуется преимущественно постоянной или очень незначительно меняющейся плотностью. В таких областях с помощью контрвибратора, колеблющегося в рабочем состоянии равночастотно с измерительной трубкой, но противофазно ей, можно без труда почти полностью нейтрализовать поперечные силы, возникающие при попеременных боковых движениях совершающей маятниковые движения измерительной трубки в измерительном преобразователе и следовательно в значительной степени защитить от них подключенный трубопровод.
В соответствии с этим, такой измерительный преобразователь в случае его применения в текучих средах с переменной в широком диапазоне плотностью имеет, в частности, по сравнению с измерительными преобразователями с двумя параллельными измерительными трубками, практически такой же недостаток, что и измерительный преобразователь без контрвибратора.
В частности, было установлено, что в этом случае указанные выше, возникающие внутри измерительного преобразователя силы также не могут быть полностью компенсированы таким противовибратором. А это может привести к тому, что упомянутая выше внутренняя часть, совершающая целиком маятниковые движения вокруг продольной оси измерительного преобразователя, начнет колебаться также и в боковом направлении. Следовательно, такие боковые колебания внутренней части будут иметь своим следствием дополнительную упругую деформацию впускного и выпускного патрубков и вызовут таким образом изгибные колебания подключенного трубопровода.
Кроме того, вследствие этих боковых колебаний в измерительной трубке, по которой текучая среда не протекает, могут возбуждаться очень схожие с кориолисовой модой и, следовательно, практически не отличимые от нее консольные колебания, в результате чего становится непригодным измерительный сигнал, свидетельствующий о собственно массовом расходе.
С другой же стороны, измерительный преобразователь с единственной измерительной трубкой обладает по сравнению с измерительным преобразователем с двумя измерительными трубками, по которым одновременно протекает текучая среда, как известно, тем большим преимуществом, что не требуются распределительные патрубки для соединения измерительных трубок с трубопроводом. Такие распределительные патрубки характеризуются, во-первых, трудоемкостью при изготовлении и, во-вторых, представляют собой гидравлические тела, обладающие большой способностью образовывать осадок или вызывать забивание.
Возможность уменьшения зависящих от плотности среды поперечных сил описана, например, в US-A 5287754 или US-A 5705754. В описанных здесь измерительных преобразователях действие поперечных сил, вызванных единственной вибрирующей измерительной трубкой и колеблющихся со средней или высокой частотой, на трубопровод предупреждается с помощью контрвибратора, выполненного более тяжелым, чем измерительная трубка, а также при необходимости за счет относительно мягкого соединения измерительной трубки с трубопроводом, т.е. практически с помощью механического фильтра низких частот. Однако неблагоприятным моментов является в данном случае то, что масса контрвибратора, необходимая для достижения достаточно устойчивого гашения поперечных сил, возрастает сверхпропорционально с увеличением номинального внутреннего диаметра измерительной трубки. Это является большим недостатком таких измерительных преобразователей, так как применение массивных элементов всегда означает повышенные монтажные затраты как при изготовлении измерительного прибора, так и при его установке в трубопроводе. Кроме того, при этом очень сложно обеспечить положение, при котором уменьшающаяся с увеличением массы минимальная частота собственных колебаний измерительного преобразователя по-прежнему существенно разнится от низкой частоты собственных колебаний подключенного трубопровода. Следовательно, применение такого измерительного преобразователя в промышленных кориолисовых массовых расходомерах, предназначенных, в частности, для измерения жидкостей, ограничивается относительно малым номинальным внутренним диаметром измерительной трубки, составляющим около 10 мм.
Поэтому задачей изобретения является создание измерительного преобразователя, пригодного для использования, в частности, в кориолисовом массовом расходомере, являющегося хорошо динамически сбалансированным в рабочем состоянии в случае применения лишь одной изогнутой измерительной трубки для широкого диапазона плотности текучей среды и обладающего тем не менее сравнительно низкой массой.
Для решения этой задачи изобретением предусматривается измерительный преобразователь вибрационного типа для протекающей по трубопроводу текучей среды, содержащий:
корпус преобразователя и
внутреннюю часть, подвешенную внутри указанного корпуса преобразователя с помощью расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора, при этом каждый из крутильных вибраторов содержит патрубок, прикрепленный к корпусу преобразователя, и
элемент связи, прикрепленный к патрубку, при этом патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора находятся по существу на одной линии друг с другом и с указанной продольной осью преобразователя, и указанная внутренняя часть содержит:
измерительную трубку для пропускания текучей среды, при этом указанная измерительная трубка соединена с трубой через патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и через патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора;
контрвибратор, механически соединенный с измерительной трубкой с помощью элемента связи расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и с помощью элемента связи расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора;
устройство возбуждения для вибрации измерительной трубки на частоте возбуждения; и
сенсорное устройство для регистрации вибраций указанной измерительной трубки, при этом:
по меньшей мере, внутренняя часть и указанные крутильные вибраторы колеблются по существу вокруг продольной оси преобразователя, так что вызывается кручение элементов связи указанных крутильных вибраторов вокруг указанной продольной оси и по существу крутильная упругая деформация, по меньшей мере, патрубков указанных крутильных вибраторов; и
мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора имеет частоту f1, не более частоты fexc возбуждения, а мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора имеет частоту f2, no существу равную частоте f1 указанной моды крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора.
Согласно предпочтительному первому варианту выполнения изобретения мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора имеет частоту колебаний ниже частоты возбуждения.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения измерительная трубка выполняет консольные колебания.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения контрвибратор расположен, по существу, параллельно измерительной трубке.
Согласно предпочтительному третьему варианту выполнения изобретения контрвибратор имеет распределение массы, по меньшей мере, аналогичное распределению массы измерительной трубки.
Согласно предпочтительному четвертому варианту выполнения изобретения контрвибратор выполнен трубчатым.
Согласно предпочтительному пятому варианту выполнения изобретения контрвибратор расположен, по существу, соосно измерительной трубке.
Согласно предпочтительному шестому варианту выполнения изобретения контрвибратор выполнен, по существу, идентичным по форме измерительной трубке.
Согласно предпочтительному седьмому варианту выполнения изобретения для регулирования распределения массы указанного контрвибратора на нем установлены элементы для уравновешивания масс.
Согласно предпочтительному восьмому варианту выполнения изобретения контрвибратор выполнен более тяжелым, чем измерительная трубка.
Согласно предпочтительному девятому варианту выполнения изобретения для регулирования моды собственных крутильных колебаний крутильного вибратора со стороны впуска первый элемент для уравновешивания масс жестко закреплен на впускном патрубке, а для настройки моды собственных крутильных колебаний крутильного вибратора со стороны выпуска второй элемент для уравновешивания крутильных масс жестко закреплен на выпускном патрубке.
Согласно предпочтительному десятому варианту выполнения изобретения измерительный преобразователь содержит первый гаситель крутильных колебаний, расположенный, по существу, соосно впускному патрубку, и второй гаситель крутильных колебаний, расположенный, по существу, соосно выпускному патрубку.
Согласно предпочтительному одиннадцатому варианту выполнения изобретения измерительный преобразователь содержит закрепленный на впускном и выпускном патрубках корпус, частота собственных колебаний которого является более низкой и превышает частоту возбуждения, по меньшей мере, на 20%.
Основная идея изобретения заключается в том, что крутильные колебания подвешенной указанным выше образом внутренней части, являющиеся некритическими для кориолисовой моды колебаний и, следовательно, для измерения массового расхода и вызываемые преимущественно равнофазными маятниковыми движениями измерительной трубки и контрвибратора, используются для нейтрализации боковых поперечных сил, являющихся чрезвычайно вредными при формировании кориолисовой моды колебаний и, следовательно, при измерении массового расхода. То есть, крутильные колебания, считавшиеся ранее нежелательными, не только не подавляются, но, напротив, целенаправленно генерируются с настройкой на механическую связь с трубопроводом таким образом, чтобы посредством этих крутильных колебаний в целом достигалось снижение вредных воздействий на измерительный преобразователь и, следовательно, улучшались его измерительные свойства.
Для этого, согласно изобретению, гаситель крутильных колебаний с впускной стороны, образованный расположенным с впускной стороны элементом связи и впускным патрубком, и гаситель крутильных колебаний с выпускной стороны, образованный расположенным с выпускной стороны элементом связи и выпускным патрубком, механически настраиваются таким образом, чтобы оба гасителя крутильных колебаний колебались практически в резонансе с совершающей маятниковые движения внутренней частью. Это необходимо для обеспечения маятниковых движений внутренней части с исключением по возможности наружных противодействующих моментов, в результате чего внутренняя часть оказывается практически полностью разобщенной с впускным и выпускным патрубками. В результате такого разобщения общий крутильный импульс внутренней части практически равен нулю. В такой же степени, что и общий крутильный импульс, снижаются до нуля в результате этого разобщения общие боковые импульсы внутренней части, а также возникающие на их основе и передаваемые наружу поперечные силы.
Преимущество изобретения состоит в том, что измерительный преобразователь очень хорошо балансируется при относительно низких дополнительных механических затратах и практически независимо от обусловленных режимом работы колебаний внутренней общей массы, в частности, в широком диапазоне плотности текучей среды.
Кроме того, измерительный преобразователь, согласно изобретению, характеризуется тем, что впускной и выпускной патрубки выполнены короткими и, следовательно, монтажная длина измерительного преобразователя в целом может быть существенно уменьшена при сохранении неизменного, по существу, высокого качества динамического демпфирования колебаний. Кроме того, несмотря на свою малую монтажную длину, измерительный преобразователь очень прост в изготовлении.
Поставленная задача решается также тем, что предпочтительный улучшенный вариант изобретения представляет собой кориолисовый массовый расходомер с одним из приведенных выше измерительных преобразователей.
Поставленная задача решается также предложенным способом работы вибрационного преобразователя для измерения текучей среды, протекающей в трубе, при этом преобразователь содержит корпус преобразователя и внутреннюю часть, при этом внутренняя часть подвешена внутри корпуса преобразователя с помощью расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора, при этом каждый из крутильных вибраторов содержит: патрубок, прикрепленный к корпусу преобразователя, и элемент связи, прикрепленный к патрубку; патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора находятся, по существу, на одной линии друг с другом и с продольной осью преобразователя, и указанная внутренняя часть содержит: измерительную трубку для пропускания текучей среды, при этом указанная измерительная трубки соединена с трубой через патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и через патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора; контрвибратор, механически соединенный с указанной измерительной трубкой с помощью элемента связи расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и с помощью элемента связи расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора; устройство возбуждения для вибрации измерительной трубки на частоте возбуждения; и сенсорное устройство для регистрации вибраций указанной измерительной трубки, при этом заявленный способ содержит стадии;
вибрацию измерительной трубки на частоте возбуждения; и
вызванных ею колебаний как внутренней части преобразователя, так и двух крутильных вибраторов вокруг указанной продольной оси преобразователя с частотой колебаний, по существу, равной частоте моды собственных крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора.
В предпочтительном варианте способа стадия вибрации измерительной трубки содержит стадию отклонения измерительной трубки в соответствии с формой моды собственных колебаний.
При этом стадия вибрации измерительной трубки содержит стадию выбора частоты возбуждения в соответствии с частотой собственных крутильных колебаний измерительной трубки.
Стадия вибрации измерительной трубки содержит стадию возбуждения измерительной трубки в консольные колебания, так что измерительная трубка колеблется вокруг указанной продольной оси преобразователя.
Способ, согласно изобретению, дополнительно содержит стадию вибрации контрвибратора.
Способ, согласно изобретению, дополнительно содержит стадию вибрации контрвибратора в противофазе с измерительной трубкой.
Ниже изобретение и его дополнительные преимущества поясняются с помощью примера осуществления, представленного на фигурах чертежа. На фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями. Для лучшей наглядности на последующих фигурах уже приведенные позиции не повторяются.
При этом изображено на:
фиг.1a - измерительный преобразователь вибрационного типа, вид сбоку в перспективе,
фиг.1b - измерительный преобразователь на фиг.1а, вид спереди по оси,
фиг.2 - первая диаграмма измерений, проведенных с использованием измерительного преобразователя на фигурах 1а и 1b,
фиг.3 - вторая диаграмма измерений, проведенных с использованием измерительного преобразователя на фигурах 1а и 1b,
фиг.4 - гаситель крутильных колебаний, предназначенный для измерительного преобразователя.
На фигурах 1а и 1b схематически показан измерительный прибор для текучих сред, содержащий измерительный преобразователь вибрационного типа. Измерительный преобразователь служит для создания в текучей среде механических реактивных сил, например, кориолисовых, зависящих от массового расхода, инерционных, зависящих от плотности среды, и/или зависимых от вязкости среды сил трения, которые могут быть измерены, в частности, зарегистрированы датчиком и которые обратно воздействуют на измерительный преобразователь. На основе таких реактивных сил средний специалист может измерить известным способом, например, массовый расход m, плотность ρ и/или вязкость η текучей среды,
Для пропускания измеряемой текучей среды измерительный преобразователь содержит одну изогнутую измерительную трубку 10, которая сообщена через установленный с впускной стороны впускной патрубок 11 и через установленный с выпускной стороны выпускной патрубок 12 с непоказанным трубопроводом, подводящим или отводящим текучую среду. Измерительная трубка 10, впускной 11 и выпускной патрубок 12 расположены соосно между собой и по отношению к воображаемой продольной оси А1 и выполнены как единое целое, в результате чего для их изготовления может применяться, например, трубчатая заготовка; при необходимости измерительная трубка 10, впускной 11 и выпускной патрубок 12 могут быть также изготовлены из отдельных заготовок, соединенных между собой, например, сваркой. При этом для изготовления измерительной трубки 10 применим практически любой из обычно применяемых для подобных измерительных преобразователей материалов, таких как, например, сталь, коррозионно-стойкий никелевый сплав, титан, цирконий, тантал и др.
Предпочтительно, чтобы в случае установки измерительного преобразователя с возможностью его разъемного соединения с трубопроводом на впускном конце впускного патрубка 11 отформован первый фланец 13, а на выпускном конце выпускного патрубка 12 - второй фланец 14; при необходимости впускной 11 и выпускной патрубок 12 могут быть также непосредственно соединены с трубопроводом, например, сваркой или пайкой твердым припоем.
Далее на впускном конце впускного патрубка 11 и на выпускном конце выпускного патрубка 12, как это показано на фиг.1а, может быть неподвижно зафиксирован жесткий на изгиб и кручение корпус 100 преобразователя, который может быть выполнен, например, в виде ящика или полого цилиндра. Корпус 100 может также использоваться для крепления корпуса электронного блока измерительного прибора.
Как показано на фиг.1a, 1b, измерительный преобразователь содержит, кроме того, контрвибратор 20 для измерительной трубки 10, закрепленный с возможностью колебаний посредством расположенного с впускной стороны первого элемента 31 связи на впускном конце мерной трубки 10 и посредством расположенного с выпускной стороны, аналогично элементу 31 связи выполненного второго элемента 32 связи на выпускном конце измерительной трубки 10. В качестве элементов 31 связи могут применяться при этом, например, одна или, как показано на фиг.1а, две блочных пластины, закрепленные соответствующим образом с впускной стороны на измерительной трубке 10 и контрвибраторе 20; аналогичным образом может быть также выполнен элемент 32 связи в виде расположенных с выпускной стороны соответственно на измерительной трубке 10 и контрвибраторе 20 блочных пластин.
Контрвибратор 20, предпочтительно трубчатой формы, установлен с зазором по отношению к измерительной трубке 10 и расположен в измерительном преобразователе преимущественно параллельно этой трубке. Предпочтительно выполнять измерительную трубку 10 и контрвибратор 20 таким образом, чтобы по возможности при идентичной внешней пространственной форме они имели одинаковые или, по меньшей мере, схожие, в частности, пропорциональные по отношению друг к другу распределения масс. Также может оказаться целесообразной форма контвибратора 20, которая не идентична форме измерительной трубки 10; например, при необходимости контрвибратор 20 может быть расположен внутри измерительного преобразователя соосно измерительной трубке 10.
Предпочтительно следует контрвибратор 20 выполнить таким образом, чтобы он был тяжелее измерительной трубки 10.
С целью по возможности простого согласования контрвибратора 20 с распределением воздействующих на реальную измерительную трубку масс, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, на контрвибраторе 20 устанавливают с возможностью съема элементы 21 для уравновешивания масс в виде дискретного ряда дополнительных масс. Элементы 21 для уравновешивания масс могут быть выполнены, например, в виде шайб, навинчиваемых на соответствующие, закрепленные снаружи на измерительной трубке 10 распорные болты, или в виде коротких патрубков, надвигаемых на измерительную трубку. Кроме того, соответствующее распределение масс на контрвибраторе 20 может достигаться, например, за счет выполнения продольных или кольцевых канавок. Распределение масс, необходимое для соответствующего случая применения, можно без труда определить заранее, например, расчетом по методу конечных элементов и/или соответствующими калибровочными замерами.
В рабочем состоянии измерительного преобразователя консольные колебания, как это обычно делается в подобных измерительных преобразователях вибрационного типа, возбуждаются в измерительной трубке 10 при частоте fexc возбуждения таким образом, чтобы она изгибалась при так называемой полезной моде колебаний при совершении маятниковых движений вокруг продольной оси A1 измерительного преобразователя, по существу, в соответствии с первой естественной формой собственных колебаний. Одновременно возбуждается контрвибратор 20 до консольных колебаний, а именно таким образом, что он, по меньшей мере, при нахождении текучей среды в состоянии покоя, колеблется, по существу, с одинаковой формой, но противофазно по отношению к колеблющейся с частотой полезной моды измерительной трубке 10. Другими словами, в таком случае измерительная трубка 10 и контрвибратор 20 совершают движения наподобие концов колеблющегося камертона.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения частота fexc возбуждения или также частота полезной моды задается такой, чтобы она по возможности точно соответствовала наиболее низкой естественной частоте собственных колебаний измерительной трубки 10. В случае применения измерительной трубки из качественной стали с номинальным внутренним диметром 29 мм, длиной в вытянутом состоянии 420 мм и длиной в виде хорды 305 мм, замеренной между впускным и выпускным концами, наиболее низкая резонансная частота измерительной трубки, например, при нулевой плотности составила бы около 490 Гц.
В том случае, когда текучая среда протекает по трубопроводу и, следовательно, массовый расход m составляет отличную от нуля величину, с помощью измерительной трубки 10, приводимой в колебания описанным выше способом, в перемещающейся текучей среде также наводят силы Кориолиса. Они оказывают обратное воздействие на измерительную трубку 10 и вызывают дополнительную, регистрируемую сенсором деформацию этой трубки, по существу, в соответствии со второй естественной формой собственных колебаний. Мгновенное отображение такой кориолисовой моды колебаний, равночастотно наложенной на равную частоту возбужденной полезной моды колебаний в отношении своих амплитуд, зависит, в частности, также от мгновенного массового расхода m. В качестве второй формы собственных колебаний может служить, как это принято для такого типа измерительных преобразователей, например, форма моды антисимметричного скручивания, та форма моды, при которой измерительная трубка 10, как уже отмечалось, совершает также крутильные колебания вокруг воображаемой вертикальной оси А2, перпендикулярной к продольной оси А1 и расположенной в единственной плоскости симметрии изображенного измерительного преобразователя.
Для генерирования механических колебаний измерительной трубки 10 измерительный преобразователь содержит дополнительно, главным образом, электродинамическое устройство 40 возбуждения. Это устройство служит для преобразования электрической возбуждающей энергии Еехс, обеспечиваемой, например, расположенным в корпусе 100, не показанным электронным блоком управления упомянутого выше кориолисового массового расходомера и характеризующейся, например, отрегулированным током и/или отрегулированным напряжением в возбуждающую силу Fexc, воздействующую на измерительную трубку 10, например, импульсно или гармонически и отклоняющую ее описанным выше образом. Управляющие электронные блоки для регулировки энергии Еехс возбуждения описаны, например, в US-A 4777833, US-A 4801897, US-A 4879911 или US-A 5009109.
Сила Еехс возбуждения, как это принято в таких измерительных преобразователях, может быть либо двунаправленной, либо однонаправленной и регулироваться известным среднему специалисту способом, например, с помощью регулировочной схемы по току и/или по напряжению в отношении их амплитуды и, например, с помощью фазовой регулировочной петли в отношении ее частоты. В качестве устройства 40 возбуждения может применяться, например, простое устройство с подвижными катушками с закрепленной на контрвибраторе 20 цилиндрической катушкой возбуждения, через которую в рабочем состоянии протекает соответствующий ток возбуждения, и с постоянно намагниченным якорем, способным втягиваться, по меньшей мере, частично в катушку возбуждения и закрепленным снаружи, в частности, на измерительной трубке 10 по ее середине. Кроме того, в качестве устройства 40 возбуждения может также использоваться, например, электромагнит.
Для обнаружения колебаний измерительной трубки 10 измерительный преобразователь дополнительно содержит сенсорное устройство 50. В качестве сенсорного устройства 50 может применяться практически любое из обычных для измерительных преобразователей сенсорных устройств, которые регистрируют движения измерительной трубки 10, в частности, с впускной и выпускной сторон и преобразует их в соответствующие сигналы датчика. Так, например, сенсорное устройство 50 может быть выполнено известным специалисту образом с помощью установленного на измерительной трубке с впускной стороны первого датчика и с помощью установленного на измерительной трубке 10 с выпускной стороны второго датчика. В качестве датчиков могут применяться, например, измеряющие относительные колебания электродинамические датчики скорости или электродинамические датчики перемещения, или датчики ускорений. Вместо электродинамических сенсорных устройств могут применяться также сенсорные устройства, осуществляющие измерения с помощью резисторных или пьезоэлектрических тензометрических датчиков, или оптоэлектронные сенсорные устройства для обнаружения колебаний мерной трубки 10.
При необходимости могут, кроме того, применяться известным специалисту образом другие, необходимые для измерения и/или эксплуатации измерительного преобразователя датчики, как, например, дополнительные, расположенные на контрвибраторе 20 и/или корпусе 100 преобразователя датчики колебаний, см. также US-А 5736653 или, например, расположенные на измерительной трубке 10, контрвибраторе 20 и/или корпусе 100 преобразователя температурные датчики, см. US-A 4768384 или WO-A 00/102816.
Как следует из приведенных выше пояснений, контрвибратор 20 служит практически несущей системой для устройства 40 возбуждения и сенсорного устройства 50.
Однако контрвибратор 20 предназначен также и для динамической балансировки измерительного преобразователя на точно заданный, например, наиболее часто ожидаемый в рабочем состоянии измерительного преобразователя или особо критический показатель плотности текучей среды, а именно таким образом, чтобы возникающие в вибрирующей измерительной трубке 10 и действующие преимущественно перпендикулярно продольной и вертикальной осям А1 и А2 поперечные силы полностью компенсировались лишь одними противодействующими силами, создаваемыми контрвибратором 20, см. также US-A 5549009. Такие поперечные силы в измерительной трубке 10, которые, как известно, возникают при возбуждении консольных колебаний в этой трубке в соответствии с ее первой формой собственных колебаний вследствие связанного с этим ускорения масс, составили бы около 45 Н, например, для упомянутой выше трубки из качественной стали при амплитуде колебаний около 0,03 мм.
Но в том случае, когда, как это имеет место, например, в измерительном преобразователе, согласно US-A 5549009, указанные поперечные силы в измерительной трубке 10 не компенсируются, то внутренняя часть, подвешенная на впускном 11 и выпускном 12 патрубках и состоящая из измерительной трубки 10, контрвибратора 20, содержащего при необходимости расположенные на нем элементы 21 для уравновешивания масс, устройства 40 возбуждения и сенсорного устройства 50, а также закрепленные на нем элементы 31, 32 связи, отклоняется в сторону из заданного статического монтажного положения. Таким образом поперечные силы способны воздействовать через впускной и выпускной патрубки 11, 12, по меньшей мере, частично и на подключенный трубопровод и вызывать его вибрацию. Кроме того, такие поперечные силы могут приводить к тому, что измерительная трубка 10 вследствие неравномерной, с точки зрения вибрационной техники, подвески внутренней части или всего измерительного преобразователя обуславливает, например, практически из-за неизбежных технологических допусков, дополнительно к консольным колебаниям возбуждаются колебания, согласно второй форме собственных колебаний, которые затем датчиками практически не отличаются от собственной кориолисовой моды колебаний.
Как уже неоднократно упоминалось, динамическая балансировка измерительной трубки 10 может обеспечиваться только контрвибратором 20, но только для одного значения плотности текучей среды, в лучшем случае - для очень узкого диапазона плотности.
В том случае, когда масса контрвибратора 20, выполненного идентично измерительной трубке 10, меньше массы направляющей текучую среду измерительной трубки 10, эта вибрирующая трубка и контрвибратор 20 могут дополнительно совершать совместные маятниковые движения вокруг продольной оси A1, являющиеся, как это показано на фиг.1b, по меньшей мере, при нахождении текучей среды в состоянии покоя преимущественно равнофазными по отношению друг к другу и к консольным колебаниям контрвибратора 20; в том случае, когда масса измерительной трубки 10 с протекающей по ней текучей средой меньше массы контрвибратора 20, такие совместные или глобальные маятниковые движения могут формироваться равнофазно с консольными колебаниями измерительной трубки 10. Другими словами, вследствие вызванного, в частности, зависимостью от плотности дебаланса между измерительной трубкой 10 и контрвибратором 20 вся внутренняя часть может совершать в рабочем состоянии крутильные колебания вокруг продольной оси А1, которые являются равнофазными по отношению к консольным колебаниям измерительной трубки 10 или контрвибратора 20.
Вследствие этих крутильных колебаний внутренней части оба, практически жестко связанных с внутренней частью элемента 31, 32 связи совершают соответствующий поворот вокруг продольной оси А1, т.е. они колеблются, в частности, равнофазно как по отношению к внутреннему элементу, так и по отношению друг к другу. В одинаковой степени происходит, по меньшей мере, на отдельных участках, по существу, крутильная упругая деформация впускного и выпускного патрубков 11, 12, закрепленных с возможностью колебаний на корпусе 100 преобразователя и измерительной трубке 10.
При этом неожиданно было установлено, что только соответствующей настройкой указанного выше крутильного вибратора, а именно впускного патрубка 11 вместе с элементом 31 связи и выпускного патрубка 12 вместе с элементом 32 связи, можно динамически сбалансировать измерительный преобразователь практически независимо от плотности ρ текучей среды и таким образом существенно снизить чувствительность к возникающим внутри поперечным силам.
Согласно изобретению заданный с помощью, по меньшей мере, элемента 31 связи момент инерции массы с впускной стороны вокруг продольной оси А1 и крутильная жесткость впускного патрубка 11 согласованы между собой таким образом, что заданная относительно впускной стороны, т.е. практически расчетная мода собственных крутильных колебаний элемента 31 связи и впускного патрубка 11 вокруг оси А1 характеризуется собственной частотой f1, которая по существу равна или даже меньше частоты возбуждения Fexc. Кроме того, момент инерции масс с выпускной стороны вокруг продольной оси A1, обеспечиваемый в данном случае, по меньшей мере, элементом 32 связи, и крутильная жесткость выпускного патрубка 12 согласованы между собой таким образом, что присущая выпускной стороне мода собственных крутильных колебаний элемента связи 32 и выпускного патрубка 12 вокруг оси А1 характеризуется собственной частотой f2, которая по существу равна собственной частоте f1. Для изображенного измерительного преобразователя при определении момента инерции масс для согласования моды собственных крутильных колебаний с входной стороны необходимо, кроме того, учитывать практически не вибрирующие трубчатые сегменты, расположенные между обеими обвязочными пластинами элемента 31 связи; при настройке моды собственных крутильных колебаний с выпускной стороны необходимо соответственно добавить к моменту инерции масс элемента 32 связи также и инерцию трубчатых сегментов, расположенных между обеими обвязочными пластинами элемента 32 связи.
В результате согласования полезной моды колебаний и моды собственных крутильных колебаний описанным образом обеспечивается то, что внутренняя часть, которая в рабочем состоянии совершает маятниковые колебания с одинаковой частотой, что и колеблющаяся измерительная трубка 10 с частотой fexc возбуждения, практически точно возбуждает моду собственных крутильных колебаний с впускной и выпускной сторон. В этом случае крутильные вибраторы, колеблющиеся с собственной частотой f1 или f2 и принудительно равнофазно с внутренней частью, не противодействуют или противодействуют лишь очень незначительно ее крутильным колебаниям противоположно направленными моментами. Следовательно внутренняя часть в рабочем состоянии расположена настолько мягко вращению, что она практически может рассматриваться как полностью не связанная с впускным и выпускным патрубками 11, 12.
Из-за того обстоятельства, что внутренняя часть, несмотря на практически полное отсутствие связи, в рабочем состоянии совершает маятниковые движения вокруг оси A1 и не вращается, не возникает общий крутильный импульс внутренней части. В результате равны нулю также боковой общий импульс, почти непосредственно зависящий от общего крутильного импульса, в частности, при схожих распределениях масс в измерительной трубке 10 и контрвибраторе 20, и, следовательно, вытекающие отсюда боковые поперечные силы, которые внутренней частью могут передаваться наружу. Иначе говоря, в измерительном преобразователе, согласно изобретению, зависимый от плотности дебаланс почти исключительно приводит к изменению мгновенной амплитуды крутильных колебаний внутренней части, но не вызывает или вызывает ее ничтожно малые боковые смещения от заданного монтажного положения.
Исследования, проведенные на измерительных преобразователях с описанной выше мерной трубкой из качественной стали, показали, например, что, несмотря на изменение частоты fexc возбуждения на типичную для таких измерительных преобразователей величину около 100 Гц, что соответствует приблизительно плотности текучей среды в диапазоне 0-2000 кг.м-3, воздействующая на внутреннюю часть максимальная поперечная сила Q*, нормированная по максимальному зажимному усилию, создаваемому противофазными движениями измерительной трубки 10 и контрвибратиора 20 в элементах 31, 32 связи, может поддерживаться заметно ниже 5%, т.е. на уровне около 2 Н, см. также фигуры 2 и 3.
В приведенном выше случае заданный с впускной стороны момент инерции масс должен был бы составлять, например, при длине L11 впускного патрубка 11 около 170 мм около 1,5.10-3 кг.м2 при настройке соответствующей моды собственных крутильных колебаний указанным выше образом на частоту fexc возбуждения, см. также фиг.2. Параметры, настраиваемые на конкретном измерительном преобразователе с целью оптимального согласования моды собственных крутильных колебаний с впускной и выпускной сторон с полезной модой колебаний, а именно соответствующее распределение масс, моменты инерции масс, крутильная жесткость и вытекающие отсюда геометрические размеры измерительной трубки 10, контрвибратора 20, впускного и выпускного патрубков 11, 12, а также обоих элементов 31, 32 связи и т.д., могут определяться известным специалисту образом, а именно расчетами по методу конечных элементов или другими компьютерными моделирующими расчетами в сочетании с соответствующими калибровочными измерениями.
В целях по возможности точной настройки моды собственных крутильных колебаний, в частности, при заданной монтажной длине измерительного преобразователя, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, на впускном патрубке 11, в частности, вблизи от элемента 31 связи жестко закреплен, по меньшей мере, один первый элемент 33 для уравновешивания крутильных масс, а для настройки моды собственных крутильных колебаний на выпускном патрубке 12, в частности, вблизи от элемента 32 связи жестко закреплен, по меньшей мере, один дополнительный второй элемент 34 для уравновешивания крутильных масс. Элементы 33, 34 для уравновешивания крутильных масс, являющиеся, в частности, идентичными, выполнены преимущественно шайбообразными и могут быть расположены, как это показано, например, на фигурах 1а и 1b либо концентрично, т.е. при расположении центра тяжести на продольной оси А1, либо эксцентрично на впускном и выпускном патрубках. В изображенном измерительном преобразователе упомянутый выше момент инерции масс, составляющий 1,5×10-3 кг.м2, может быть обеспечен, например, очень простым способом и почти исключительно с помощью служащего в качестве элемента 33 или 34 для уравновешивания крутильных масс кольцевой шайбы из качественной стали диаметром около 100 мм и толщиной около 15 мм.
Кроме того, было установлено, что для надежного предупреждения противофазных по отношению друг к другу крутильных колебаний крутильных вибраторов, расположенных с впускной и выпускной сторон, может оказаться эффективным дополнительная, характеризующаяся стойкостью к крутильным колебаниям связь обоих элементов 31, 32 связи или обоих элементов 33, 34 для уравновешивания крутильных масс с внутренней рамой. Также было установлено, что частоту fexc возбуждения необходимо задавать преимущественно в размере не более 85% от наиболее низкой частоты собственных колебаний корпуса 100 преобразователя, который служит практически наружной несущей рамой.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изобретения измерительный преобразователь дополнительно содержит расположенный с впускной стороны первый гаситель 60 крутильных колебаний и выполненный, по существу, одинаковым, расположенный с выпускной стороны второй гаситель 70 крутильных колебаний. Гаситель 60 крутильных колебаний служит, в частности, для подавления моментов крутильных колебаний, вызванных совершающей маятниковые движения внутренней частью и передаваемых через впускной патрубок 11 на подключенный трубопровод и/или закрепленный на впускном конце корпус 100 преобразователя.
Для этого гаситель 60 крутильных колебаний закреплен на впускном конце впускного патрубка 11 или, по меньшей мере, вблизи от впускного конца, например, непосредственно на корпусе 100 преобразователя; аналогичным образом второй гаситель крутильных колебаний, также предназначенный для предупреждения воздействия моментов крутильных колебаний на подключенный трубопровод и/или корпус 100 преобразователя, расположен на выпускном конце выпускного патрубка 12.
Гаситель 60 крутильных колебаний содержит, как это показано на фиг.4, крутильную пружину 61, выполненную преимущественно трубчатой, расположенную преимущественно соосно впускному патрубку 11 и закрепленную на впускном конце с возможностью крутильных колебаний, т.е. с возможностью поворачиваться в сторону впускного патрубка 11, по меньшей мере, на отдельных участках. Кроме того, гаситель 60 крутильных колебаний содержит предпочтительно дисковый элемент 62 с крутильными массами, расположенный с зазором по отношению к впускному концу впускного патрубка 11 на крутильной пружине. Крутильная пружина 61 и элемент 62 с крутильными массами согласованы между собой таким образом, что гаситель 60 крутильных колебаний, в котором в рабочем состоянии возбуждаются посредством скручивающегося впускного патрубка 11 и/или легко деформируемого корпуса 100 преобразователя крутильные колебания вокруг оси A1, колеблется внефазно, в частности, противофазно по отношению к упомянутому выше, расположенному с впускной стороны крутильному вибратору, состоящему из элемента 31 связи и впускного патрубка 11. Для поддержания возбуждения гасителя 60 крутильных колебаний крутильную пружину 61 предпочтительно надо выполнить с длиной, например, до присутствующего при необходимости элемента 33 для уравновешивания крутильных масс или до элемента 31 связи и закрепить на одном из них. Впоследствии это может использоваться также для подавления возможных боковых изгибных колебаний гасителя 60 крутильных колебаний.
Благодаря своей хорошей динамической балансировке даже при переменной плотности ρ перемещающейся текучей среды измерительный преобразователь, согласно изобретению, пригоден для использования в кориолисовом весовом расходомере, кориолисовом весовом расходомере/денсиметре или в кориолисовом весовом расходомере/денсиметре/вискозиметре.
1. Измерительный вибрационный преобразователь для текучей среды, протекающей в трубе, при этом указанный вибрационный преобразователь задает продольную ось и включает корпус преобразователя и внутреннюю часть, подвешенную внутри указанного корпуса преобразователя с помощью расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора, при этом каждый из крутильных вибраторов содержит патрубок, прикрепленный к корпусу преобразователя, и элемент связи, прикрепленный к патрубку, при этом патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора находятся, по существу, на одной линии друг с другом и с указанной продольной осью преобразователя, указанная внутренняя часть содержит измерительную трубку для пропускания текучей среды, при этом указанная измерительная трубка соединена с трубой через патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и через патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора; контрвибратор, механически соединенный с измерительной трубкой с помощью элемента связи, расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и с помощью элемента связи расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора; устройство возбуждения для вибрации измерительной трубки на частоте возбуждения и сенсорное устройство для регистрации вибраций указанной измерительной трубки, при этом по меньшей мере, внутренняя часть и указанные крутильные вибраторы колеблются, по существу, вокруг продольной оси преобразователя так, что вызывается кручение элементов связи указанных крутильных вибраторов вокруг указанной продольной оси и, по существу, крутильная упругая деформация, по меньшей мере, патрубков указанных крутильных вибраторов; мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора имеет частоту f1, не более частоты fexc возбуждения, а мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора имеет частоту f2, по существу, равную частоте f1 указанной моды крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора.
2. Преобразователь по п.1, в котором мода собственных крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора имеет частоту меньше частоты возбуждения.
3. Преобразователь по п.1, в котором указанная измерительная трубка выполняет консольные колебания.
4. Преобразователь по п.1, в котором контрвибратор расположен, по существу, параллельно измерительной трубке.
5. Преобразователь по п.1, в котором контрвибратор имеет распределение массы, по меньшей мере, аналогичное распределению массы измерительной трубки.
6. Преобразователь по п.1, в котором контрвибратор выполнен трубчатым.
7. Преобразователь по п.1, в котором контрвибратор расположен, по существу, соосно измерительной трубке.
8. Преобразователь по п.1, в котором контрвибратор выполнен, по существу, идентичным по форме измерительной трубке.
9. Преобразователь по п.1, в котором для регулирования распределения массы указанного контрвибратора на нем установлены элементы для уравновешивания масс.
10. Преобразователь по п.1, в котором контрвибратор выполнен более тяжелым, чем измерительная трубка.
11. Преобразователь по п.1, в котором для регулирования моды собственных крутильных колебаний крутильного вибратора со стороны впуска первый элемент для уравновешивания масс жестко закреплен на впускном патрубке, а для регулирования моды собственных крутильных колебаний крутильного вибратора со стороны выпуска второй элемент для уравновешивания крутильных масс жестко закреплен на выпускном патрубке.
12. Преобразователь по п.1, дополнительно содержащий первый гаситель крутильных колебаний, расположенный, по существу, соосно впускному патрубку, и второй гаситель крутильных колебаний, расположенный, по существу, соосно выпускному патрубку.
13. Преобразователь по п.1, содержащий закрепленный на впускном и выпускном патрубках корпус, частота собственных колебаний которого является более низкой и превышает частоту возбуждения, по меньшей мере, на 20%.
14. Кориолисовый массовый расходомер, содержащий преобразователь по любому из пп.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 или 13.
15. Способ работы вибрационного преобразователя для измерения текучей среды, протекающей в трубе, при этом преобразователь содержит корпус преобразователя и внутреннюю часть, при этом внутренняя часть подвешена внутри корпуса преобразователя с помощью расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора, при этом каждый из крутильных вибраторов содержит патрубок, прикрепленный к корпусу преобразователя, и элемент связи, прикрепленный к патрубку, патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора находятся, по существу, на одной линии друг с другом и с продольной осью преобразователя, указанная внутренняя часть содержит измерительную трубку для пропускания текучей среды, при этом указанная измерительная трубка соединена с трубой через патрубок расположенного со стороны впуска крутильного вибратора и через патрубок расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора; контрвибратор, механически соединенный с указанной измерительной трубкой с помощью элемента связи, расположенного со стороны впуска крутильного вибратора, и с помощью элемента связи, расположенного со стороны выпуска крутильного вибратора; устройство возбуждения для вибрации указанной измерительной трубки на частоте возбуждения; сенсорное устройство для регистрации вибраций указанной измерительной трубки, при этом способ содержит стадии вибрации измерительной трубки на частоте возбуждения и вызванных ею колебаний как внутренней части, так и двух крутильных вибраторов вокруг указанной продольной оси преобразователя с частотой колебаний, по существу, равной частоте моды собственных крутильных колебаний расположенного со стороны впуска крутильного вибратора.
16. Способ по п.15, в котором стадия вибрации измерительной трубки содержит стадию отклонения измерительной трубки в соответствии с формой моды собственных колебаний.
17. Способ по п.15, в котором стадия вибрации измерительной трубки содержит стадию выбора частоты возбуждения в соответствии с частотой собственных крутильных колебаний измерительной трубки.
18. Способ по п.15, в котором стадия вибрации измерительной трубки содержит стадию возбуждения измерительной трубки в консольные колебания, так что измерительная трубка колеблется вокруг указанной продольной оси преобразователя.
19. Способ по п.15, дополнительно содержащий стадию вибрации контрвибратора.
20. Способ по п.15, дополнительно содержащий стадию вибрации контрвибратора в противофазе с измерительной трубкой.
