Способ измерения параметров текучей силы, протекающей в трубе, измерительный преобразователь и измерительный прибор - RU2297600C2
Код документа: RU2297600C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу измерения, по меньшей мере, одного физического параметра, в частности удельного массового расхода, и/или плотности, и/или вязкости текучей среды, протекающей в трубе, в частности многофазной текучей среды, бесконтактным методом и к измерительному преобразователю.
Предшествующий уровень техники
В автоматизированной технологии измерения параметров процессов физические параметры текучей среды, такие как удельный массовый расход, плотность и/или вязкость, часто измеряют бесконтактным методом посредством измерительных приборов, которые за счет использования вибрационного измерительного преобразователя, мимо которого проходит текучая среда, и соединенной с ним измерительной и управляющей цепи индуцируют силы реакции, такие как силы Кориолиса, соответствующие удельному массовому расходу, инерциальные силы, соответствующие плотности, или силы трения, соответствующие вязкости, в текучей среде, и на основании этих измерений получается измерительный сигнал, отображающий соответствующий удельный массовый расход, вязкость и/или плотность текучей среды.
Такие вибрационные измерительные преобразователи описаны, например, в публикациях WO-A 01/33174, WO-A 00/57141, WO-A 98/07009, WO-A 95/16897, WO-A 88/03261, патенте США №6006609, патенте США №5796011, патенте США №5301557, патенте США №4876898, патенте США №4524610, документе ЕР-А 553939 или документе ЕР-А 1001254.
Чтобы через них проходила текучая среда, каждый из измерительных преобразователей содержит, по меньшей мере, одну расходомерную трубку, удерживаемую в несущей раме и имеющую изогнутый или прямой сегмент трубки, возбуждаемый во время работы электромеханическим узлом возбуждения, вследствие чего вынуждаются колебания этого сегмента, приводящие к созданию вышеупомянутых сил реакции. Чтобы измерить колебания сегмента трубки, в частности колебания впускной стороны и выпускной стороны, каждый измерительный преобразователь содержит устройство датчиков, которое реагирует на движения сегмента трубки.
Помимо таких вибрационных измерительных преобразователей, в автоматизированной технологии измерения параметров процессов, применяемой при оперативных измерениях (измерениях в реальном масштабе времени), часто используют электромагнитные измерительные преобразователи или преобразователи, оценивающие время прохождения электромагнитных волн, передаваемых в направлении течения текучей среды, в частности измерительные преобразователи, основанные на принципе Доплера. Поскольку базовая конструкция и работа таких электромагнитных измерительных преобразователей достаточно подробно описаны, например, в документе ЕР-А 1039269, патенте США №6031740, патенте США №5540103, патенте США №5351554 или патенте США №4563904, а базовая конструкция и работа таких ультразвуковых измерительных преобразователей достаточно подробно описаны, например, в патенте США №6397683, патенте США №6330831, патенте США №6293156, патенте США №6189389, патенте США №5531124, патенте США №5463905, патенте США №5131279 или патенте США №4787252, подробное описание этих принципов измерения можно с учетом вышеизложенного опустить.
Для ясности следует упомянуть, что в рамках объема притязаний изобретения термин «бесконтактные измерительные преобразователи» означает те измерительные преобразователи, которые не содержат никаких расходомерных тел, погружаемых в текучую среду и служащих для оказания влияния на ее течение в целях получения измерительных эффектов. В отличие от этого в рамках объема притязаний изобретения те измерительные преобразователи, которые для измерения параметров текучей среды создают завихрения в потоке текучей среды или в которых используются отклоняющие лопатки, плохо обтекаемые тела, поплавки или измерительные диафрагмы, именуются «контактными измерительными преобразователями». Такие контактные измерительные преобразователи также известны специалистам в данной области техники и достаточно подробно описаны, например, в публикациях WO-A 01/20282, WO-A 97/22855, патенте США №6352000, патенте США №6003384, патенте США №5939643, патенте США №5922970, патенте США №5458005, патенте США №4716770, патенте США №4476728, патенте США №4445388, патенте США №4437350, патенте США №4339957, документах ЕР-А 690292, ЕР-А 684458, DE-A 3904224, DE-A 3810889, DE-A 1798360 или DE-A10001165.
При использовании бесконтактных или контактных измерительных преобразователей обнаружено, что в случае неоднородных текучих сред, в частности многофазных текучих сред, получаемые измерительные сигналы даже несмотря на то, что вязкость и плотность поддерживаются, по существу, постоянными, в частности, в лабораторных условиях, подвергаются значительным и невоспроизводимым изменениям и могут вследствие этого становиться, в частности, бесполезными для измерения соответствующего физического параметра.
В патенте США №4524610 указана возможная причина этой проблемы при эксплуатации лабораторных измерительных преобразователей, а именно тот факт, что паразитные неоднородности, вносимые текучей средой в расходомерную трубку, такие как пузырьки газа, могут улавливаться на внутренней стенке трубки. Чтобы избежать этой проблемы, предлагается устанавливать измерительный преобразователь так, чтобы прямая расходомерная трубка оказывалась, по существу, в вертикальном положении и чтобы предотвращалось улавливание таких паразитных, в частности газовых, неоднородностей.
Однако это решение весьма специфично и его можно реализовать лишь в некоторых условиях, в частности в технологии измерения параметров промышленных процессов. С одной стороны, труба, в которую следует ввести измерительный преобразователь, должна быть адаптирована к этому измерительному преобразователю, а не наоборот, что, вероятно, не подойдет пользователю. С другой стороны, расходомерные трубки, как упоминалось выше, также могут иметь криволинейную форму, так что эту проблему не удастся решить путем адаптации положения установки в любом варианте. Также обнаружено, что вышеупомянутые искажения измерительного сигнала не удается должным образом уменьшить, даже если используют вертикально установленную прямую расходомерную трубку. В любом случае таким путем невозможно предотвратить изменения в измерительном сигнале в присутствии протекающей текучей среды.
Краткое изложение сущности изобретения
Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы разработать способ и измерительный преобразователь, которые даже в случае неоднородных, в частности многофазных, текучих сред обеспечивают точные, но, по меньшей мере, легко воспроизводимые и очень робастные (стойкие к внешним воздействиям) измерительные сигналы, по существу, независимо от мгновенного распределения плотности в пределах текучей среды, протекающей в подсоединенной трубе, и, в частности, по существу, независимо от концентрации любых паразитных неоднородностей и, по существу, независимо от положения установки расходомерной трубки.
Чтобы решить эту задачу, в изобретении предложен способ измерения, по меньшей мере, одного физического параметра, в частности удельного массового расхода, и/или плотности, и/или вязкости текучей среды, протекающей в трубе, включающий в себя этапы, на которых вызывают завихрение в протекающей текучей среде вокруг оси завихрения, ориентированной в направлении течения текучей среды, чтобы принудительно реализовать такое распределение плотности в текучей среде, которое является как можно более симметричным относительно оси завихрения; вызывают протекание текучей среды, вращающейся вокруг оси завихрения, по меньшей мере, по одной расходомерной трубке бесконтактного измерительного преобразователя, введенного в трубу, для получения реакций в текучей среде, соответствующих измеряемому параметру; и воспринимают реакции в текучей среде для генерирования, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, на который влияет измеряемый параметр.
Кроме того, в изобретении предложен измерительный преобразователь для генерирования измерительного сигнала, соответствующего, по меньшей мере, одному физическому параметру текучей среды, протекающей в трубе, содержащий по меньшей мере, одну расходомерную трубку с предварительно определенным каналом для пропускания текучей среды, причем эта расходомерная трубка сообщается на своих впускном и выпускном концах с трубой; узел возбуждения для создания реакций в текучей среде внутри, по меньшей мере, одной расходомерной трубки, причем эти реакции в текучей среде создаются бесконтактным методом; и устройство датчиков для восприятия реакций в текучей среде и для генерирования измерительного сигнала, снабженное средствами, находящимися во впускной области измерительного преобразователя или, по меньшей мере, в ее ближайшей окрестности, которые вызывают завихрение в поступающей текучей среде, а значит и вращательное движение в текучей среде, протекающей в канале расходомерной трубки, происходящее вокруг оси вращения, пролегающей в направлении течения текучей среды.
Развивая вышеизложенное, отметим, что в изобретении преложен измерительный прибор для измерения, по меньшей мере, одного физического параметра текучей среды, протекающей в трубе, в частности измерительный прибор, пригодный для осуществления способа, соответствующего изобретению, и содержащий измерительный преобразователь, соответствующий изобретению.
В конкретном варианте осуществления способа согласно изобретению труба, по которой пропускают текучую среду, совершает колебания для получения в текучей среде, где проводят измерение, сил реакций, соответствующих измеряемому параметру, и реагирования на колеблющуюся расходомерную трубку, и воспринимают колебания расходомерной трубки для генерирования, по меньшей мере, одного измерительного сигнала.
В первом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению упомянутая, по меньшей мере, одна расходомерная трубка сообщается с трубой через посредство впускной секции трубки и выпускной секции трубки и при этом упомянутые средства, вызывающие завихрение, по меньшей мере, частично расположены внутри впускной секции трубки.
Во втором конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению средства, вызывающие завихрение, по меньшей мере, частично расположены внутри упомянутой, по меньшей мере, одной расходомерной трубки.
В третьем конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению средства, вызывающие завихрение, по меньшей мере, частично расположены внутри трубы.
В четвертом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению средства, вызывающие завихрение, содержат, по меньшей мере, один турбулизатор, проходящий в протекающую текучую среду, в частности неподвижный турбулизатор.
В пятом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению турбулизатор содержит, по меньшей мере, одну отклоняющую лопатку, проходящую в протекающую текучую среду.
В шестом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению турбулизатор имеет форму пропеллера.
В седьмом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению турбулизатор имеет форму спирали.
В восьмом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению турбулизатор является винтообразным.
В девятом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению средства, вызывающие завихрение, прикреплены к внутренней стенке впускной секции трубки и/или к внутренней стенке расходомерной трубки.
В десятом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению средства, вызывающие завихрение, удерживаются у внутренней стенки впускной секции трубки и/или у внутренней стенки расходомерной трубки.
В одиннадцатом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению средства, вызывающие завихрение, выполнены в виде рифления во внутренней стенке впускной секции трубки и/или во внутренней стенке расходомерной трубки.
В двенадцатом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению средства, вызывающие завихрение, имеют эффективную длину в направлении течения, которая, по существу, равна номинальному диаметру трубы.
В тринадцатом конкретном варианте осуществления измерительный преобразователь установлен в, по существу, горизонтальной трубе.
В четырнадцатом конкретном варианте осуществления измерительный преобразователь установлен в, по существу, вертикальной трубе.
В пятнадцатом конкретном варианте осуществления измерительного преобразователя согласно изобретению для получения сил реакции, действующих на текучую среду, в упомянутой, по меньшей мере, одной расходомерной трубке возбуждаются колебания посредством узла возбуждения и при этом колебания расходомерной трубки воспринимаются посредством устройства датчиков.
В первом конкретном варианте осуществления измерительного прибора согласно изобретению измеряемым физическим параметром является удельный массовый расход.
Во втором конкретном варианте осуществления измерительного прибора согласно изобретению измеряемым физическим параметром является плотность.
В третьем конкретном варианте осуществления измерительного прибора согласно изобретению, измеряемым физическим параметром является вязкость.
Основная идея изобретения заключается в том, чтобы индуцировать в текучей среде посредством вращательного движения вокруг оси завихрения такие центробежные силы, что, по меньшей мере, внутри канала расходомерной трубки вынуждается распределение плотности, которое является как можно более симметричным относительно оси завихрения вращающегося «столбика текучей среды» и вследствие этого в основном воспроизводимым. По сравнению с вышеописанными невоспроизводимыми изменениями, возможную небольшую погрешность измерения, в частности небольшую погрешность, которая встречается в измеренном значении плотности и которую следует ожидать главным образом в случае жидкостей с паразитными газообразными неоднородностями ввиду того, что такие газовые включения концентрируются в центре канала расходомерной трубки, можно считать пренебрежимо малой в результате действия центробежных сил.
Предпосылкой создания изобретения явилось, в частности, осознание того, что вышеописанные изменения измерительных сигналов вызваны не только тем, что газовые пузырьки, например, улавливаются на внутренней стенке расходомерной трубки, а в частности, и тем, что это происходит, в сущности, хаотично и поэтому невоспроизводимым или непредсказуемым образом. Иными словами, если для неоднородных, в частности многофазных, текучих сред используют обычные измерительные преобразователи, то изменения измерительных сигналов можно отнести в основном на счет, по существу, хаотичного распределения в текучей среде таких неоднородностей, как газовые пузырьки, а значит на счет постоянно изменяющегося, но практически необнаружимого распределения плотности в пределах текучей среды в канале расходомерной трубки.
Одно преимущество изобретения, в частности способа, соответствующего изобретению, заключается в том, что его можно применять, в частности, во всех известных измерительных преобразователях в оперативном режиме (в реальном масштабе времени), в частности, при любых принципах измерения, а значит как в лабораторных измерительных преобразователях, так и, например, в электромагнитных или ультразвуковых измерительных преобразователях.
Краткое описание чертежей
Изобретение и его дополнительные преимущества станут более очевидными по прочтении нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления, приводимого в связи с прилагаемыми чертежами. На различных фигурах чертежей одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями, а позиции, которые уже присвоены, опущены на последующих чертежах, если это служит ясности изложения. На чертежах:
на фиг.1 представлено перспективное изображение измерительного прибора для измерения, по меньшей мере, одного физического параметра текучей среды, протекающей в трубе;
на фиг.2 представлено первое перспективное изображение конкретного варианта осуществления вибрационного измерительного преобразователя, подходящего для измерительного прибора, показанного на фиг.1;
на фиг.3 представлено второе перспективное изображение конкретного варианта осуществления измерительного преобразователя, показанного на фиг.2;
на фиг.4 показан конкретный вариант осуществления электромеханического узла возбуждения, подходящего для измерительного преобразователя, показанного на фиг.2 и 3; и
на фиг.5а-5d показаны конкретные варианты осуществления средств, вызывающих завихрение в текучей среде, где проводят измерения, согласно изобретению.
Подробное описание возможных предпочтительных конкретных вариантов осуществления
Хотя в изобретение можно внести различные изменения и придать ему альтернативные формы, на чертежах в качестве примера показаны возможные конкретные варианты осуществления изобретения, подробное описание которых приводится ниже. Вместе с тем, должно быть ясно, что не следует считать изобретение сводящимся к описываемым конкретным формам, а, наоборот, следует считать изобретение охватывающим все модификации, эквиваленты и альтернативы, оказывающиеся в рамках существа и объема притязаний изобретения, ограниченных предлагаемой формулой изобретения.
На фиг.1 условно показан измерительный прибор с измерительным преобразователем 10, предпочтительно заключенным в корпусе 100 измерительного преобразователя, и с электронным блоком (не показан) измерительного прибора, заключенным в корпусе 200 электронного блока и электрически соединенным с измерительным преобразователем 10. Измерительный прибор служит, в частности, для восприятия физического параметра текучей среды, протекающей в трубе (не показана), в частности удельного массового расхода m, и/или плотности ρ, и/или вязкости η, и преобразования упомянутого параметра в измеренное значение, отображающее этот параметр. Измерительный прибор также можно использовать, например, для измерения удельного объемного расхода текучей среды.
С этой целью во время работы создают бесконтактным методом посредством измерительного преобразователя 10 с возбуждением от электронного блока измерительного прибора реакции в текучей среде, которые зависят от измеряемого параметра и реагируют на состояние измерительного преобразователя 10 измеримым образом, т.е. так, что это можно обнаружить с помощью технологии датчиков и преобразовать в полезные входные сигналы для электронного блока с целью последующей оценки. Такие реакции могут быть, например, силами Кориолиса, которые зависят от удельного объемного расхода, напряжениями, генерирование которых обуславливают электромагнитные волны, силами Кориолиса, которые зависят от удельного массового расхода, силами инерции массы, которые зависят от плотности, и/или силами трения или демпфирования, которые зависят от вязкости, и т.д. Как уже упоминалось в начале описания, термин «создание бесконтактным методом реакций в текучей среде» означает, что воспринимаемые реакции, которые соответствуют измеряемому параметру, получаются без привлечения каких бы то ни было расходомерных тел, дополнительно погружаемых в поток текучей среды и изменяющих его.
На случай, когда измерительный прибор предназначен для подключения к транспортному средству для измерений в полевых условиях, электронный блок - предпочтительно программируемый - измерительного прибора включает в себя подходящий интерфейс связи для передачи данных, например, для передачи данных измерения в блок более высокого уровня для управления хранимыми программами или в систему более высокого уровня для управления процессом.
На фиг.2 и 3 показан конкретный вариант осуществления измерительного преобразователя 10 в форме узла вибрационного измерительного преобразователя физических величин в электрические. Конструкция такого узла измерительного преобразователя подробно описана, например, в патенте США №6006609. Такие измерительные преобразователи уже используются в промышленно поставляемых массовых расходомерах Кориолиса - плотномерах, предлагаемых заявителем, например, в рамках серии "PROMASS-I".
Для пропускания текучей среды, в которой проводят измерения, измерительный преобразователь 10 содержит, по меньшей мере, одну расходомерную трубку 13 с предварительно определенным упругодеформируемым каналом 13 А и предварительно определенным номинальным диаметром, имеющую впускной конец 11 и выпускной конец 12. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «упругая деформация» канала 13А означает, что для получения сил реакций в пределах текучей среды, т.е. сил реакций, характеризующих эту текучую среду, а именно сил сдвига или трения, а также сил Кориолиса и/или сил инерции массы, во время работы измерительного преобразователя 10 трехмерная форма и/или положение в пространстве канала 13 А изменяются предварительно определенным циклическим образом, в частности периодически в пределах диапазона упругости расходомерной трубки 13; см., например, патент США №4801897, патент США №5648616, патент США №5796011 и/или патент США №6006609.
Сейчас нужно отметить, что вместо измерительного преобразователя, соответствующего конкретному варианту осуществления, показанному на фиг.2 и 3, для осуществления изобретения можно использовать, в сущности, любой из измерительных преобразователей, которые предназначены для расходомеров Кориолиса - плотномеров и которые известны специалисту в данной области техники, в частности измерительный преобразователь, работающий в режиме изгибных колебаний и имеющий изогнутую или прямую расходомерную трубку, совершающую колебания исключительно или, по меньшей мере, частично в режиме изгибных колебаний. Дополнительные реализации узлов измерительных преобразователей, пригодных для использования в качестве измерительного преобразователя 10, описаны, например, в патентах США №5301557, 5357811, 5557973, 5602345, 5648616 или 5796011, упоминаемых в данном описании для справок. Можно также использовать, например, электромагнитные или ультразвуковые измерительные преобразователи. Материалами, подходящими для изготовления расходомерной трубки 13, в данном случае, по существу, прямой трубки, являются, например, сплавы титана. Вместо сплавов титана для изготовления таких расходомерных трубок обычно используют другие материалы, в частности, для изготовления изогнутых трубок можно применять такие материалы, как нержавеющая сталь, тантал или цирконий.
Расходомерная трубка 13, сообщающаяся с трубой, по которой пропускают текучую среду, обычным образом - посредством впускной секции 13+ трубки и выпускной секции 13# трубки - заделана в жесткой несущей раме 14, в частности в раме, жесткой на изгиб и кручение, вследствие чего она может совершать колебательное движение, причем эта несущая рама предпочтительно заключена в корпусе 100 измерительного преобразователя. Расходомерная трубка 13, а также впускная и выпускная секции 13+ и 13# трубки предпочтительно изготовлены как единое целое из одного трубчатого полуфабриката; конечно, при необходимости, им можно придать многоэлементную конструкцию.
Несущая рама 14 прикреплена к впускной секции 13+ трубки посредством впускной пластины 213 и к выпускной секции 13# трубки посредством выпускной пластины 223, причем обе эти пластины пронизаны соответствующими продолжающими элементами расходомерной трубки 13. Несущая рама 14 имеет первую боковую пластину 24 и вторую боковую пластину 34, которые прикреплены к впускной пластине 213 и выпускной пластине 223 таким образом, что проходят, по существу, параллельно расходомерной трубке 13 и на некотором расстоянии от нее. Таким образом, обращенные друг к другу боковые поверхности обеих боковых пластин 23, 34 также параллельны друг другу.
К боковым пластинам 24, 34 прикреплен на некотором расстоянии от расходомерной трубки 13 продольный стержень 25, служащий в качестве балансирующей массы для амортизации колебаний расходомерной трубки 13. Как показано на фиг.3, продольный стержень 25 проходит, по существу, параллельно всей длине совершающей колебания расходомерной трубки 13. Конечно, при необходимости можно сделать продольный стержень 25 короче.
Таким образом, несущая рама 14 с двумя боковыми пластинами 24, 34, впускной пластиной 213, выпускной пластиной 223 и устанавливаемым продольным стержнем 25, длину которого задают по выбору, имеет продольную ось тяжести, по существу, параллельную центральной оси 13В расходомерной трубки, которая соединяет впускной конец 11 и выпускной конец 12.
На фиг.2 и 3 посредством изображенных головок винтов показано, что вышеупомянутое крепление боковых пластин 24, 34 к впускной пластине 213, к выпускной пластине 223 и к продольному стержню 25 можно осуществить путем привинчивания; можно также использовать другие подходящие формы крепления, известные специалистам в данной области техники.
Если измерительный преобразователь 10 должен быть непостоянно соединен с трубой, то на впускной секции 13+ трубки и выпускной секции 13# трубки предпочтительно выполнены первый фланец 19 и второй фланец 20 соответственно, см. фиг.1; вместо фланцев 19 и 20 можно использовать, например, так называемые соединения в виде трех зажимов для обеспечения непостоянного соединения с трубой, как показано на фиг.2 или 3. Вместе с тем, при необходимости, расходомерную трубку 13 также можно соединить с трубой непосредственно, например, путем сварки или пайки твердым припоем.
Чтобы создать вышеупомянутые силы реакции в текучей среде во время работы измерительного преобразователя 10, расходомерную трубку 13, возбуждаемую посредством электромеханического узла 16 возбуждения, соединенного с этой расходомерной трубкой, заставляют совершать колебания в так называемом полезном режиме на предварительно определенной частоте, в частности на собственной резонансной частоте, которая также зависит от плотности ρ текучей среды, вследствие чего расходомерная трубка упруго деформируется предварительно определенным образом.
В иллюстрируемом конкретном варианте осуществления расходомерная трубка 13, как обычно бывает с такими узлами измерительных преобразователей, совершающими изгибные колебания, испытывает пространственное, в частности боковое, отклонение из статического положения покоя; то же самое можно сказать об узлах измерительных преобразователей, в которых одна или более изогнутых расходомерных трубок совершают консольные колебания около соответствующей продольной оси, соединяющей соответствующие впускной и выпускной концы, или о тех узлах, в которых одна или более прямых расходомерных трубок совершают только плоские изгибные колебания относительно своей продольной оси. Для другого случая, в котором измерительный преобразователь 10 представляет собой узел измерительного преобразователя, работающий в режиме радиальных колебаний, а колеблющаяся расходомерная трубка симметрично деформируется обычным образом, как описано, например, в публикации WO-A 95/16897, расходомерная трубка, по существу, остается в своем статическом положении покоя.
Узел 16 возбуждения служит для получения силы возбуждения, действующей на расходомерную трубку 13, путем преобразования электрической энергии возбуждения, подводимой из электронного блока измерительного прибора. Эта энергия возбуждения служит, в сущности, лишь для компенсации составляющей энергии, теряемой в колебательной системе из-за механического и гидравлического трения. Чтобы достичь как можно более высокого кпд, энергию возбуждения предпочтительно регулируют таким образом, что поддерживаются колебания расходомерной трубки 13, по существу, в полезном режиме, т.е. колебания на самой низкой резонансной частоте.
В целях передачи силы возбуждения на расходомерную трубку 13 узел 16 возбуждения, как показано на фиг.4, имеет жесткое рычажное приспособление 15 с электромагнитным и/или электродинамическим приводом, содержащее консоль 154 и ярмо 163, причем консоль 154 жестко прикреплена к расходомерной трубке 13. Ярмо 163 жестко прикреплено к концу консоли 154, удаленному от расходомерной трубки 13, так что оно находится над расходомерной трубкой 13 и проходит поперек этой трубки. Консоль 154 может быть, например, металлической пластиной, в отверстии которой находится расходомерная трубка 13. Информацию о других подходящих реализациях рычажного приспособления 15 можно найти в вышеупомянутом патенте США №6006609. Как легко заметить из фиг.6, рычажное приспособление 15, в данном случае Т-образное приспособление, предпочтительно расположено так, что оно действует на расходомерную трубку 13 приблизительно посредине между впускным концом 11 и выпускным концом 12, вследствие чего расходомерная трубка 13 будет подвергаться минимальному боковому отклонению в своей средней точке во время работы.
Для осуществления привода рычажного приспособления 15 узел 16 возбуждения, как показано на фиг.4, содержит первую катушку 26 возбуждения и связанный с ней первый якорь 27, выполненный из материала, обладающего свойствами постоянного магнита, а также вторую катушку 36 возбуждения и связанный с ней второй якорь 37, выполненный из материала, обладающего свойствами постоянного магнита. Обе катушки 26 и 36 возбуждения, которые предпочтительно электрически соединены последовательно, прикреплены к несущей раме 14 по обе стороны от расходомерной трубки 13 ниже якоря 163, в частности, непостоянно с целью взаимодействия во время работы со связанными с ними якорями 27 и 37 соответственно. Конечно, при необходимости эти две катушки 26, 36 возбуждения можно соединить параллельно.
Как показано на фиг.2 и 4, оба якоря 27, 37 прикреплены к ярму 163 на таком расстоянии друг от друга, что во время работы измерительного преобразователя 10 якорь 27 будет пронизываться магнитным полем катушки 26 возбуждения, а якорь 37 будет пронизываться магнитным полем катушки 36 возбуждения, так что оба якоря будут двигаться за счет действия на них соответствующих электромагнитных и/или электродинамических сил.
Движения якорей 27, 37, вызываемые магнитными полями катушек 26, 36 возбуждения, передаются ярмом 163 и консолью 154 расходомерной трубке 13. Эти движения якорей 27, 37 таковы, что ярмо 163 перемещается из своего положения покоя попеременно в направлении боковой пластины 24 и в направлении боковой пластины 34. Соответствующая ось поворота рычажного приспособления 15, которая параллельна вышеупомянутой центральной оси 13В расходомерной трубки 13, может проходить, например, через консоль 154.
В частности, для поддержания катушек 26, 36 возбуждения и отдельных компонентов узла 217 магнитного тормоза, который будет описан ниже, несущая рама 14 дополнительно содержит держатель 29 для электромагнитного узла 16 возбуждения. Держатель 29 соединен, в предпочтительном варианте непостоянно, с боковыми пластинами 24, 34.
В измерительном преобразователе 10 согласно рассматриваемому конкретному варианту осуществления боковые отклонения колеблющейся расходомерной трубки 13, которая жестко заделана на впускном конце 11 и выпускном конце 12, одновременно вызывают упругую деформацию ее канала 13А; эта упругая деформация происходит, по существу, по всей длине расходомерной трубки 13.
Кроме того, из-за крутящего момента, действующего на расходомерную трубку 13 через посредство рычажного приспособления 15, по меньшей мере, секциям расходомерной трубки 13 одновременно с боковыми отклонениями сообщается кручение относительно центральной оси 13В, так что расходомерная трубка совершает колебания в смешанном режиме изгибных и крутильных колебаний, который служит в качестве полезного режима. Кручение расходомерной трубки 13 может быть таким, что направление смещения вбок конца консоли 154, удаленного от расходомерной трубки 13, является либо точно таким же, как отклонение вбок расходомерной трубки 13, либо противоположным этому отклонению. Иными словами, расходомерная трубка 13 может совершать крутильные колебания в первом режиме изгибных и крутильных колебаний, соответствующем первому случаю, или во втором режиме изгибных и крутильных колебаний, соответствующем второму случаю. В измерительном преобразователе 10, соответствующем рассматриваемому конкретному варианту осуществления, собственная резонансная частота второго режима изгибных и крутильных колебаний, составляющая, например, 900 Гц, приблизительно вдвое больше чем у первого второго режима изгибных и крутильных колебаний.
Для случая, когда расходомерная трубка 13 совершает колебания только во втором режиме изгибных и крутильных колебаний, узел 16 возбуждения преимущественно включает в себя узел 217 магнитного тормоза, работа которого основана на принципе вихревых токов и который служит для стабилизации положения оси вращения. Таким образом, посредством узла 217 электромагнитного тормоза можно гарантировать, что расходомерная трубка 13 всегда будет совершать колебания во втором режиме изгибных и крутильных колебаний, так что любое внешнее возмущение, которое действует на расходомерную трубку 13, не сможет привести к мгновенному переходу в другой режим изгибных и крутильных колебаний, в частности в первый. Подробности такого узла магнитного тормоза описаны, например, в патенте США №6006609; кроме того, использование таких узлов магнитных тормозов известно применительно к измерительным преобразователям вышеупомянутой серии "PROMASS I".
Сейчас следует упомянуть о том, что в расходомерной трубке 13, отклоняемой вышеупомянутым образом в соответствии со вторым режимом изгибных и крутильных колебаний, центральная ось 13В немного деформируется, так что во время колебаний эта ось образует несколько искривленную поверхность, а не плоскость. Кроме того, траекторная кривая, лежащая на этой поверхности и описываемая средней точкой центральной оси расходомерной трубки, имеет наименьшую кривизну среди всех траекторных кривых, описываемых центральной осью трубки.
Для обнаружения деформаций расходомерной трубки 13 измерительный преобразователь 10 содержит устройство датчиков, содержащее, по меньшей мере, первый датчик 17, который выдает первый, в частности аналоговый, сигнал датчика в ответ на колебания расходомерной трубки 13. Как обычно бывает в таких измерительных преобразователях, датчик 17 может быть образован, например, якорем из материала, обладающего свойствами постоянного магнита, прикрепленным к расходомерной трубке 13 и взаимодействующим с катушкой датчика, которую поддерживает несущая рама 14.
К типам датчиков, особенно подходящим в качестве датчика 17, относятся те, которые воспринимают скорость отклонений расходомерной трубки на основе электродинамического принципа. Можно также использовать электродинамические датчики, измеряющие ускорение, либо резистивные или оптические датчики, измеряющие перемещение, или другие датчики, которые известны специалистам в данной области техники и которые пригодны для обнаружения таких колебаний.
В одном конкретном варианте осуществления изобретения устройство датчиков дополнительно содержит второй датчик 18, в частности датчик, идентичный первому датчику 17, причем этот второй датчик 18 выдает второй сигнал датчика, отображающий колебания расходомерной трубки. В этом конкретном варианте осуществления оба датчика 17, 18 расположены на некотором заданном расстоянии друг от друга вдоль расходомерной трубки 13, в частности на одном и том же расстоянии от средней точки расходомерной трубки 13, так что устройство датчиков будет обнаруживать колебания и впускной стороны, и выпускной стороны расходомерной трубки 13, а также будет выдавать соответствующие сигналы датчиков.
Первый сигнал датчика и - если он есть - второй сигнал датчика, каждый из которых обычно имеет частоту, соответствующую мгновенной частоте колебаний расходомерной трубки 13, подаются в электронный блок (не показан) измерительного прибора.
Чтобы заставить расходомерную трубку 13 совершать колебания, в узел 16 возбуждения из электронного блока измерительного прибора подается униполярный или биполярный ток возбуждения регулируемой амплитуды и регулируемой частоты, сообщающий аналогичные колебания, так что во время работы этот ток пересекает катушки 26, 36 возбуждения, создавая магнитное поле, необходимое для перемещения якорей 27, 37. Таким образом, силу возбуждения, необходимую для колебаний расходомерной трубки 13, можно регулировать по амплитуде, например, посредством цепи регулятора напряжения и/или тока с использованием, по меньшей мере, одного из сигналов датчиков, а также по частоте, например, посредством системы фазовой автоподстройки частоты тем способом, который известен специалистам в данной области техники. Ток возбуждения, подаваемый электронным блоком измерительного прибора, предпочтительно является синусоидальным током, но также может быть, например, пульсирующим переменным током с импульсами треугольной или прямоугольной формы.
Как обычно в измерительных приборах, предназначенных для измерения параметров колебаний и относящихся к тому типу, который рассматривается в данном описании, частота тока возбуждения равна предварительно определенной частоте колебаний расходомерной трубки 13 и поэтому в предпочтительном варианте установлена равной мгновенной собственной резонансной частоте расходомерной трубки 13, по которой протекает текучая среда.
Следует упомянуть о том, что если измерительный преобразователь представляет собой бесконтактный электромагнитный датчик расхода, то вместо узла возбуждения, показанного на вышеупомянутых чертежах, можно будет способом, известным специалистам в данной области техники, использовать узел возбуждения в форме катушечного узла, который при пересечении его током возбуждения будет создавать магнитное поле в текучей среде, протекающей в расходомерной трубке. Тогда устройство датчиков будет устройством электродов, которое снимает показание измеряемого напряжения, индуцируемого в текучей среде посредством вышеупомянутого магнитного поля.
Если измерительный преобразователь представляет собой бесконтактный ультразвуковой датчик расхода, то узел возбуждения будет выполнен в форме ультразвукового измерительного преобразователя, который при пересечении его током возбуждения будет подавать ультразвуковые волны в текучую среду, протекающую в расходомерной трубке. Тогда в качестве устройства датчиков также будет использоваться ультразвуковой измерительный преобразователь, который выделяет ультразвуковые волны из текучей среды и преобразует их в соответствующее измерительное напряжение.
Поскольку измерительный преобразователь 10, показанный на фиг.1-4, представляет собой многоцелевой измерительный преобразователь для определения в чередующемся порядке или одновременно удельного массового расхода m текучей среды посредством двух сигналов датчиков и/или плотности ρ посредством частоты возбуждения и/или вязкости η посредством тока возбуждения, то для дальнейшего пояснения изобретения и для обеспечения удобства и простоты этого пояснения сигналы датчиков, ток возбуждения или вышеупомянутые измерительные напряжения будут в дальнейшем определяться термином «измерительный сигнал».
Как упоминалось выше, исследования показали, что измерительный сигнал, соответствующий измеряемому параметру, т.е. первый сигнал датчика или ток возбуждения, например, будет в значительной степени подвергаться влиянию мгновенного распределения плотности в текучей среде, протекающей в расходомерной трубке 13, в частности влиянию концентрации и распределения возможных паразитных неоднородностей.
Чтобы улучшить качество измерительных сигналов, в частности увеличить их робастность (стойкость) к таким неоднородностям, в соответствии с изобретением во впускной области измерительного преобразователя 10 или, по меньшей мере, в ее ближайшей окрестности предусмотрены средства, которые вызывают завихрение в поступающей текучей среде и тем самым вращательное движение в текучей среде в пределах объема расходомерной трубки, происходящее вокруг воображаемой оси вращения, пролегающей в направлении течения текучей среды. Для случая, когда расходомерная трубка является прямой, воображаемая ось вращения, в частности, совпадает с центральной осью 13В расходомерной трубки.
В одном конкретном варианте осуществления изобретения средства, вызывающие завихрение и поддерживающие требуемые условия течения, содержат, по меньшей мере, один турбулизатор 30, проходящий в протекающую текучую среду. Турбулизатор 30, который предпочтительно находится в канале трубки, может быть, например, отдельным и выполненным в форме пропеллера, спиральным или винтообразным компонентом, который, как показано на фиг.5а-5d, расположен, по меньшей мере частично, во впускной секции 13+трубки или, по меньшей мере частично, непосредственно в расходомерной трубке 13. В частности, если средства, вызывающие завихрение, выполнены в форме спирального или винтообразного компонента, как показано на фиг.5а и 5b, они могут быть введены во впускную секцию 13+трубки и/или в расходомерную трубку 13, вследствие чего будут подвергаться воздействию механического напряжения и поэтому удерживаться силой упругости у соответствующей внутренней стенки.
Сейчас нужно отметить, что средства, вызывающие завихрение, в частности турбулизатор 30 в форме отдельного компонента, можно также располагать, по меньшей мере частично, внутри трубы, подающей текучую среду в измерительный преобразователь 10. Например, турбулизатор 30 может быть расположен внутри короткой секции трубы, которая отдельно вставлена в трубу выше по течению от измерительного преобразователя 10. Кроме того, средства, вызывающие завихрение, также могут быть образованы, например, многоугольной секцией трубы.
В дополнительном конкретном варианте осуществления изобретения турбулизатор 30 содержит, по меньшей мере, одну отклоняющую лопатку 30а, проходящую в протекающую текучую среду под углом, в частности отклоняющую лопатку, выполненную в форме завихряющей лопатки турбины. Турбулизатор предпочтительно содержит две или более таких отклоняющих лопаток 30а, 30b, 30с, 30d, которые, как показано на фиг.5d, расположены таким образом, что турбулизатор 30 принимает форму направляющего колеса, например статора турбины. Упомянутая, по меньшей мере, одна лопатка 30а предпочтительно прикреплена к внутренней стенке впускной секции 13+трубки; однако в случае необходимости эту лопатку также можно прикрепить к внутренней стенке трубы, по которой подается текучая среда.
В еще одном конкретном варианте осуществления средства, вызывающие завихрение, выполнены в форме рифленого барабана, при этом рифление выполнено во внутренней стенке впускной секции 13+трубки и/или самой расходомерной трубки 13.
Исследования также показали, что средства, вызывающие завихрение, преимущественно должны иметь эффективную длину в направлении течения, которая, по меньшей мере, равна номинальному диаметру трубы. В частности, хорошие результаты измерения получены в случае, если уменьшение эффективной площади поперечного сечения впускной секции 13+трубки и/или трубы, являющееся результатом установки турбулизатора 30, либо поддерживалось очень малым, либо компенсировалось увеличением соответствующей номинальной площади поперечного сечения.
Конкретное преимущество изобретения состоит в том, что измерительный преобразователь, в котором используются средства, вызывающие завихрение, можно применять фактически в любом положении установки, в частности также в, по существу, горизонтальной трубе, и при этом точность измерения окажется, в сущности, неизменной.
Дополнительное преимущество состоит в том, что если изобретение используют в вибрационных измерительных преобразователях, величина тока возбуждения, вызывающего колебания расходомерной трубки 13, а значит и необходимое количество энергии, оказывается значительно меньше, чем в обычных измерительных преобразователях, в частности, если текучая среда, где проводят измерение, содержит большую долю газообразных неоднородностей.
Хотя изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеизложенном описании, такие иллюстрации и описание следует считать носящими характер примера, а не ограничения, поскольку ясно, что проиллюстрированы и описаны лишь возможные конкретные варианты осуществления, и можно вносить любые изменения и дополнения в рамках существа и объема притязаний изобретения, которое описано выше и для которого испрашивается защита.
Реферат
Изобретения предназначены для измерения массового расхода, плотности или вязкости многофазной текучей среды, протекающей в трубе, бесконтактным методом. Измерительный преобразователь содержит расходомерную трубку с каналом для пропускания текучей среды, узел возбуждения колебаний трубки, датчики, воспринимающие колебания трубки для генерирования измерительных сигналов. Расходомерная трубка сообщена с трубой через впускную и выпускную секции. Для получения осесимметричного распределения плотности в текучей среде в канале расходомерной трубки предусмотрен неподвижный турбулизатор, создающий вращательное движение в протекающей среде вокруг оси, проходящей в направлении течения. В вариантах выполнения турбулизатор содержит, по меньшей мере, одну направляющую лопатку, имеет форму пропеллера или является винтообразным. Изобретения обеспечивают повышенную точность измерения независимо от концентрации неоднородностей и положения расходомерной трубки. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
