具有至少一個測量管的科氏型質量流量計的制作方法

專利名稱：具有至少一個測量管的科氏型質量流量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及科氏型質量流量計，該流量計包括至少一個用于測量流體的測量管。
本申請人的WO-A 95/03528(對應美國專利申請系列No，08/277 245)說明了一種利用法蘭裝在給定直徑導管中使其與上述導管軸向準直的質量流量傳感器，要測量的流體流過該導管，該流量傳感器包括直的管，在法蘭之間延伸，流過流體；直的仿真管，平行于測量管延伸，不流過流體；在入口側的波節板和在出口側的波節板，波節板中的一個使測量管的入口側端部固定在仿真管的相應端部上，波節板中的另一個使測量管的出口側端部固定在仿真管的相應端部上，使得測量管和仿真管并排配置；支承管，其端部固定在相應法蘭中；一種裝置，該裝置只作用在仿真管上，以激勵測量管共振；加速度傳感器，裝在支承管上，提供一咱信號，通過該信號支承管的振動被減到最小。
本申請人的美國專利4 949 583公開了一種質量流量傳感器，該傳感器包括可被激勵成其橫截面發生蠕動振動的單一的直的測量管。
實際上已經證明，具有上述質量流量傳感器的質量流量計在其對于振動的不靈敏性方面還不是最佳的。這些振動起源于例如其中安裝質量流量傳感器的導管，起源于例如使流體在導管中流動的振動泵。
為進一步改進和優化這種對起源于導管的振動的不靈敏性，本發明提供一種科氏型質量流量計，該流量計可以應用例如法蘭裝在給定直徑的導管中，使其與上述導管軸向準直，要測量的流體通過該導管，該流量計包括至少一個測量管，在法蘭之間延伸，固定在法蘭上并流過流體；支承管，其端部固定在相應法蘭上；激勵一個或多個測量管進入共振的裝置；第一速度傳感器和第二速度傳感器，沿一個或多個測量管配置，用于測量一個或多個測量管的振動；第一加速度傳感器的第二加速度傳感器，沿操作質量流量計期間與科氏力作用所在平面相交的交線配置在支承管上；將速度傳感器的信號和加速度傳感器的信號處理成基本上消除干擾的質量流量信號的裝置。
在本發明的優選實施例中，提供單一的直的測量管。在本發明的另一優選實施例中，提供了在一個平面內延伸的單一的彎曲的測量管。
在本發明的再一優選實施例中，將速度傳感器的信號和加速度傳感器的信號處理成質量流量信號的裝置包括以下分支電路第一減法器，其減數輸入連接到第一加速度傳感器，其被減數輸入連接到第二加速度傳感器；第二減法器，其減數輸入連接到第一速度傳感器，其被減數輸入連接到第二速度傳感器；第一加法器，其第一輸入連接到第一速度傳感器，其第二輸入連接到第二速度傳感器；第一乘法器，其第一輸入連接到第一減法器的輸出，在存在通過導管作用在質量流量計上的振動時利用校正法確定的第一校正因子被加在其第二輸入上；第二乘法器，其第一輸入連接在第一加法器的輸出，在不存在通過導管作用在質量流量傳感器上的振動時由校正法確定的第二校正因子被加在其第二輸入上；積分器，其輸入連接在第二減法器的輸出上；
第二加法器，其第一輸入連接在第一乘法器的輸出上，其第二輸入連接在積分器的輸出上；第一倒相器，連接在第二加法器的輸出上；第一雙擲開關，其第一輸入連接在第二加法器的輸出上，其第二輸入連接在第一倒相器的輸出上；第二倒相器，連接在第二乘法器的輸出上；第二雙擲開關，其第一輸入連接在第二乘法器的輸出上，其第二輸入連接在第二倒相器的輸出上；閾值開關，其信號輸入連接在第二乘法器的輸出上，其閾值輸入接地，其輸出連接在第一雙擲開關和第二雙擲開關的控制輸入上；第一低通濾波器，連接在第一雙擲開關的輸出上；第二低通濾波器，連接在第二雙擲開關的輸出上，上述兩個低通濾波器具有上截止頻率，該頻率比在其輸入信號中存在的最高頻率低約一個數量級；除法器，其被除數輸入連接在第一低通濾波器的輸出上，其除數輸入連接在第二低通濾波器的輸出上，其輸出提供質量流量信號。
在最近的實施例中，可以用一個單一的響應轉動振動的加速度傳感器取代第一減法器和加速度傳感器。
下面參照附圖更詳細說明本發明，在附圖中作為優選實施例示出質量流量計的機械部分和用于產生質量流量信號的分支電路。


圖1是具有單一直測量管的質量流量計的機械部分的部分截面垂直縱向視圖；圖2示出產生質量流量信號的分支電路；圖3示出圖2部分支電路的改型線路。
圖1是部分截面垂直縱向視圖，圖1示出的質量流量計機械部分即質量流量計的質量流量傳感器1可以利用法蘭2、3裝在一定直徑的導管(為清楚起見未示出)中，該導管傳送待測量的流體。
本實施例的質量流量傳感器1具有單一的直的測量管，該管的端部通過端板13、14固定在相應的法蘭2、3上，測量管4的相應端部最好氣密地固定在該端板上，例如用焊接、釬焊或采用軋機的壓力結合法。在本申請人先有的還未出版的歐洲專利申請95 810199.0(對應于美國專利申請系列No.08/434070，1995年5月3日提出)中說明了這種壓力結合。
按照本發明的另一方面，不用單一的直的測量管，而用一個在一個平面內延伸的單一的彎曲的測量管，例如用圓扇形的測量管。也可以應用兩個或多個測量管，但最好采用兩個測量管，或如上述的WO-A 95/03528(對應于美國專利申請系列No.08/277 245)中公開的那樣，應用具有一個測量管和一個仿真管的質量流量傳感器。
法蘭2、3和端板13、14固定在支承管15上或該管內。圖1中法蘭2、3利用螺釘固定在支承管15上，在右上的橫截面圖中可以完全看到其中的一個螺釘5。端板13、14可以焊接到或釬焊到支承管15的內壁上，形成密封接合，特別是構成氣密封閉。也可以將支承管15和端板13、14制成為整體件。
作為激勵測量管4進入共振最好進入撓性共振的裝置，驅動器組件16例如電動驅動器組件配置在法蘭2、3和端板13、14之間的中間，位于支承管15和測量管4之間的空間中。它包括裝在測量管4上的永久磁鐵161和裝在支承管15上的線圈162，永久磁鐵161伸入該線圈中，可以在其中來回運動。激勵測量管進入共振的裝置還包手驅動器線路，這種驅動器線路已在先有技術例如本申請人的美國專利4 801 897中說明。
用于測量管4振動的第一速度傳感器17和第二速度傳感器18也裝在支承管15和測量管4之間的空間中，這些傳感器沿測量管4配置，最好與驅動器組件16即與測量管的中點隔開相同的距離。
如果速度傳感器17、18與測量管4的中點的距離不同或它們的靈敏度不同，則形成的不平衡可以通過后面放大器的增益來補償。
速度傳感器17、18是例如在上述美國專利4 801897中說明的那種光學速度傳感器。但是，速度傳感器17、18最好是電動速度傳感器，這種傳感器各自包括裝在測量管4上的永久磁鐵171、181和固定在支承管15上的線圈172、182。永久磁鐵171、181伸入線圈172、182，并可在其中來回移動。速度傳感器17和18分別提供信號X17和X18。
第一加速度傳感器19和第二加速度傳感器20固定在支承管15上，沿操作質量流量計期間與科氏力作用所在平面相交的交線分開配置。加速度傳感器19和20分別提供信號x19和x20。
在圖1中，上述平面是紙的平面，因為驅動器組件16在紙的平面內激勵測量管4進入撓性振動，所以科氏力在此平面內作用。因此上述交線是支承管15的邊界線，在圖1中示為151。兩個加速度傳感器19、20最好與支承管15的中點隔開相同的距離；這一距離不必與速度傳感器17、18之間的上述距離完全相同。
為獲得盡可能高的信號/噪聲比，該距離必須盡量大。如果距離不同，上面關于速度傳感器的說明同樣適用。
盡可能靠近傳感器用窄帶濾波器過濾信號x17…x20使該信號除去干擾是合適的，該濾波器的中心頻率是測量管4的振動頻率。因此為此目的所用的帶通濾波器的相應中心頻率必需是可調的。
圖1還示出固定在支承管15上的外殼21，該外殼特別用于保護與驅動器組件16、速度傳感器17、18和加速度傳感器19、20相連接的線路，但是為清楚起見，圖中未示出這些線路。
外殼21具有頸狀過渡部分22，用于安裝質量流量計的整個驅動電路和計算電子電路的電子線路外殼23(僅示出一部分)固定在過渡部分22上。
如果過渡部分22和電子線路外殼23對支承管15的振動響應產生不利的影響，它們也可以與質量流量傳感器1分開配置。在那種情況下，在電子線路和質量流量傳感器1之間僅有導線連接。
圖2示出將速度傳感器17、18的信號x17、x18、加速度傳感器19、20的信號x19、x20處理成基本上無干擾的質量流量信號的裝置。這些裝置包括在圖2中的各種分電路。
第一加速度傳感器19連接在第一減去器31的減數輸入“-”，第二加速度傳感器20則連接到該減法器31的被減數輸入“+”。第一速度傳感器17連接到第二減法器32的減數輸入“-”，而第二速度傳感器18則連接到該減法器32的被減數輸入“+”。第一速度傳感器17與連接到第一加法器33的第一輸入“+”，而第二速度傳感器18連接到該加法器的第二輸入“+”。
第一減法器31的輸出連接到第一乘法器35的第一輸入，該乘法器的第二輸入供給第一校正因子K1，該因子在存在通過導管作用在質量流量計上的振動時由校正法確定。第一加法器33的輸入連接在第二乘法器36的第一輸入上，該乘法器的第二輸入供給第二校正因子K2，該因子在不存在通過導管作用在質量流量計上的振動時確定。
在用常規方法作完質量流量計之后用校正方法確定兩個校正因子K1、K2，即將已知的質量流量與質量流量計對此已知的質量流量進行測量的流量值相比較，隨后將該因子存入質量流量計中的存貯裝置中，例如存入EEPROM(電可擦可編程只讀存貯器)中或類似的半導體存貯器中。
積分器37的輸入連接到第二減法器32的輸出。第一乘法器35的輸出連接在第二加法器34的第一輸入“+”，該加法器34的第二輸入“+”連接到積分器37的輸出。
第二加法器34的輸出連接到第一倒相器38的輸入，如果模擬信號加在加法器34的輸出上則該倒相器被執行例如乘-1的步驟，或者如果數字信號加在加法器34的輸出上則倒相器執行數字倒相器。
第二加法器34的輸出和第一倒相器38的輸出分別連接在第一雙擲開關39的第一和第二輸入上。
第二乘法器36的輸出連接在第二倒相器40的輸入上，象第一倒相器38一樣，如果模擬信號加在第二乘法器36的輸出上則第二倒相器40被執行乘-1的步驟，或如果數字信號加在第二乘法器36的輸出上則第二倒相器被執行數字倒相器。
第二乘法器36的輸出連接在閾值開關42的信號輸入上，后者的閾值輸入接地。閾值開關42的輸出控制雙擲開關39和41。
第一倒相器38、第一雙擲開關39和閾值開關42具有第一同步檢測器的作用，而第二倒相器40、第二雙擲開關41和閾值開關具有第二同步檢測器的作用。可以用峰值檢測器代替第二同步檢測器，峰值檢測器的輸入必需連接在第二乘法器36的輸出，該檢測器或者是半波整流器，或者是全波整波器。
雙擲開關39和41的輸出分別連接到第一和第二低通濾波器43和44。兩個低通濾波器分別具有的上截止頻率比濾波器輸入信號中，即雙擲開關39和41的輸出信號中存在的最高頻率分別低約一個數量級。
第一低通濾波器43的輸出連接到除法器45的被除數輸入，其除數輸入連接到第二低通濾波器44的輸出。除法器45的輸出提供質量流量信號q。
圖3示出圖2部分線路的改型。可以用一個加速度傳感器191代替圖2的第一減法器31和圖1的兩個加速度傳感器19、20來測量轉動振動，該傳感器191最好裝在支承管15的中間，在圖1中用虛線表示。它連接到第一乘法器35的第一輸入上。
圖2和3的線路要求其中的分線路是可以處理加速度傳感器和速度傳感器的呈模擬形式的模擬信號的電路。但是用相應的數字電路代替這種模擬電路是在本發明的范圍內，如上述關于倒相器38的說明。
但是為此必須用提供數字信號的相應傳感器代替加速度傳感器和速度傳感器，或者在加速度傳感器和速度傳感器之后必須接上模一數轉換器。
圖2和3的線路和它們的操作是基于下面說明的本發明人的認識。對于質量流量計1的操作條件，可以確定三種不同的振動模式，這些振動模式可以分別賦與一個(數學上的)復數振動振幅(復數是數學上的復數)。
這些復數振動振幅分別用大寫字母例如一般用Y表示。而相應的實際測量信號的有關振幅用對應的小寫字母即例如用y表示。因此以下的一般關系成立y＝Re{Y·exp(jΩt)}＝|Y|·cos〔Ωt+arc(Y)〕(1)Y＝|Y|·exp〔j·arc(Y)〕(2)在方程(1)和(2)中j=-1]]>Ω＝2πf，f是測量管4的振動頻率；t＝時間變量；Re＝一種算符，它提供復數振幅的實數部分；| |＝一種算符，它提供復數振幅的絕對值；arc＝一種算符，它提供復數振幅的相位。
現在回到質量流量計的上述振動模式，測量管4具有包含(復數)偏轉振幅AA的驅動模式和包含(復數)偏轉振幅AC，的科氏模式，而支承管15具有包括(復數)偏轉振幅AR的轉動模式。
對于科氏模式的偏轉振幅AC，可以確定以下的激勵方程AC＝KC〔jΩQKCAAA-(jΩ)2KCRAR〕＝QKCKCAVA-KCKCRBR＝VC/(jΩ) (3)據此，(復數)質量流量Q是Q＝〔VC/(jΩ)+KRBR〕/(KAVA)＝(AC+KRBR)/(KAVA)＝AC，/(KAVA) (4)在方程(3)、(4)及以下的方程中KA＝測量管激勵振動的(實數)傳輸系數，它必須用上述校正法確定，因此等于上述校正因子K2；KC＝測量管4的科氏模式的(實數)傳輸系數；KR＝支承管15的誘發干擾的轉動振動的(實數)傳輸系數，它必用上述校正方法確定，因此等于上述校正因子K1；KCA＝在測量管4的驅動模式和科氏模式之間耦合的(實數)系數；
KCR＝在支承管15的轉動模式和測量管4的科氏模式之間耦合的(實數)系數；VA＝在驅動模動模式中的測量管4的速度(復數)振幅；VC＝在科氏模式中的測量管4的速度(復數)振幅；BR＝在轉動模式中的支承管15的角加速度(復數)振幅；Ac，＝在科氏模式中的測量管4的校正的(復數)偏轉振幅。
從速度傳感器17、18的信號x17、x18的(復數)振幅X17、X18和從加速度傳感器19、20的信號x19、x20的(復數)振幅X19、X20可以得到復數量VA，VC，BR，方法是利用下列方程VA＝X18+X17(5)VC＝X18-X17(6)BR＝X20-X19(7)(復數)質量流量Q的實數部分Re(Q)給出(實數)質量流量qq＝Re(Q)＝|AC’|/(KA|VA|)(8)從下面不是理想對稱的質量流量傳感器的振動激勵方程可以得到一般系統的關系AC＝KC〔QLcsVA-MrsBR-MrdBA-DrdVA-SrdAA-MrdBT+QLcdVC〕(9)解Q得Q＝AC/(KCLcsVA)+MrsBR/)LcsVA)+MrdBA/(LcsVA)+Drd/Lcs+SrdAA/(LcsVA)+MrdBT/(LcsVA)-QLcdVC/(LcsVA)(10)在方程(9)和(10)中BT＝在平移模式中的支承管15的加速度(數復)振幅；M＝測量管4的質量；D＝振動系統的阻尼；S＝測量管4的剛度；L＝科氏模式的阻尼；另外第一下標c＝涉及科氏模式；
第一下標r＝涉及測量管4；第二下標S＝對稱分量；第二下標d＝非對稱分量。
同步解調器抑制不與VA同相的信號分量，即抑制方程(10)中的第三、五、七項，所以q＝Re(Q)＝AC/(KCLCSVA)+MrsBR/(LcsVA)+Drd/Lcs+MrdBT/(LcsVA)(11)式中第1項＝被測物理量；第2項＝由于測量管4和轉動模式的對稱質量部分而形成的無用分量；第3項＝由于測量管4的非對稱阻尼分量而形成的無用分量；第4項＝由于測量管4和平移模式的非對稱質量部分而形成的無用分量。
從根據方程(1)到(11)說明的關系可以清楚看出，用位置傳感器或加速度傳感器代替速度傳感器17、18是在本發明的范圍內，速度信號必須利用分支電路從相應的傳感器輸出信號產生，在位置傳感器的情況，該電路對時間微分一次，或者在加速度傳感器的情況下，對時間積分一次。
另外，利用位置或速度傳感器代替加速度傳感器19、20是在本發明的范圍內，加速度信號必須利用分支電路從相應的傳感器輸出信號產生，在位置傳感器的情況下，分支電路對時間微分兩次，或者在速度傳感器的情況下對時間微分一次。
用適當的可編程微處理器執行圖2和3中個別分支電路的功能也在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種科氏型質量流量計，它可以利用例如法蘭安裝在給定直徑的導管中，使得與該導管軸向準直，要測量的流體流過該導管，該質量流量計包括至少一個測量管，在法蘭中間延伸并固定在法蘭上而且通過流體；支承管，該支承管的端部固定在相應的法蘭上；激勵一根測量管或激勵多根測量管進入共振的位置；第一速度傳感器和第二速度傳感器，用于測量一根測量管或多根測量管的振動，沿一根或多根測量管配置；第一加速度傳感器和第二加速度傳感器，沿操作質量流量計期間與科氏力作用所在的平面相交的交線配置在支承管上；將速度傳感器的信號和加速度傳感器的信號處理成基本上無干擾的質量流量信號的裝置。
2.如權利要求1所述的質量流量計，其特征在于，它包括單個的直的測量管。
3.如權利要求1所述的質量流量計，其特征在于，它包括單一的彎曲的在一個平面內延伸的測量管。
4.如權利要求1所述的質量流量計，其特征在于，將速度傳感器的信號和加速度傳感器的信號處理成質量流量信號的裝置包下分支電路第一減法器，其減數輸入連接于第一加速度傳感器，被減數輸入連接于第二加速度傳感器；第二減法器，其減數輸入連接于第一速度傳感器，其被減數輸入連接于第二速度傳感器；第一加法器，其第一輸入連接于第一速度傳感器，其第二輸入連接于第二速度傳感器。第一乘法器，其第一輸入連接于第一減法器的輸出，在存在通過導管作用在質量流量計上的振動時由校正法確定的第一校正因子加在其第二輸入上；第二乘法器，其第一輸入連接于第一加法器的輸出上，在不存在通過導管作用在質量流量計上的振動時由校正法確定的第二校正因子加在其第二輸入上；積分器，其輸入連接在第二減法器的輸出上；第二加法器，其第一輸入連接于第一乘法器的輸出，其第二輸入連接于積分器的輸出；第一倒相器，連接于第二加法器的輸出；第一雙擲開關，其第一輸入連接于第二加法器的輸出，第二輸入連接于第一倒相器的輸出；第二倒相器，連接于第二乘法器的輸出；第二雙擲開關，其第一輸入連接于第二乘法器的輸出，其第二輸入連接于第二倒相器的輸出；閾值開關，其信號輸入連接于第二乘法器的輸出，其閾值輸入接地，其輸出連接于第一雙擲開關和第二雙擲開關的控制輸入；第一低通濾波器，連接于第一雙擲開關的輸出；第二低通濾波器，連接于第二雙擲開關的輸出，上述兩個低通濾波的上截止頻率約低于其輸入信號中發生的最高頻率一個數量級；除法器，其被除數輸入連接到第一低通濾波器的輸出，其除數輸入連接到第二低通濾波器的輸出，其輸出提供質量流量信號。
5.如權利要求4所述的質量流量計，其特征在于，第一減法器和加速度傳感器可以僅用一個測量轉動振動的加速度傳感器代替。
全文摘要
科氏型質量流量計，它通過例如法蘭裝在給定直徑的導管中，使其與上述導管軸向準直，并流過要測量的液體。為改進和優化對導管的振動的不靈敏性，它包括至少一個固定在法蘭上的測量管；端部固定在相應法蘭上的支承管；激勵測量管共振的裝置；用于檢測測量管振動的沿測量管配置的速度傳感器；沿與科氏力作用所在的平面相交的交線配置在支承管上的加速度傳感器；將速度傳感器的信號和加速度傳感器的信號處理成基本上無干擾的質量流量信號的裝置。
文檔編號G01F1/84GK1153295SQ9610236
公開日1997年7月2日 申請日期1996年7月17日 優先權日1995年7月21日
發明者沃爾夫岡·德拉海姆, 阿爾弗雷德·里德爾 申請人:安德雷斯和霍瑟·弗羅泰克有限公司