Измерительный преобразователь вибрационного типа и применение измерительного преобразователя в измерительном приборе - RU2396520C2
Код документа: RU2396520C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к измерительному преобразователю вибрационного типа и к применению измерительного преобразователя в измерительном приборе.
Для определения весового расхода протекающей в трубопроводе среды, в частности жидкости, часто используются такие измерительные приборы, которые посредством измерительного преобразователя вибрационного типа и присоединенного к нему электронного устройства управления и обработки результатов вызывают в среде кориолисовы силы и на основании их вырабатывают выражающий собой весовой расход измерительный сигнал.
Такого рода измерительные приборы кориолисова весового расхода уже давно известны и равным образом учреждены для использования в промышленных целях. Так, к примеру, в ЕР-А 317340, US-A 5398554, US-A 5476013, US-A 5531126, US-A 5691485, US-A 5705754, US-A 5796012, US-A 5945609, US-A 5979246, US-A 6006609, US-B 6397685, US-B 6691583, US-B 6840109, WO А 9951946, WO A 9940394 или в WO A 0014485 описаны измерительные приборы кориолисова весового расхода, соответственно, с одним измерительным преобразователем вибрационного типа. Каждый из представленных измерительных преобразователей содержит в себе одну единственную прямую, вибрирующую в процессе работы, измерительную трубу для проведения среды, и эта измерительная труба посредством входящего со стороны впуска впускного участка трубы и посредством выходящего со стороны выпуска выпускного участка трубы сообщается с трубопроводом, а также возбуждающее устройство, которое побуждает измерительную трубу в процессе работы к изгибным колебаниям в плоскости трубы и сенсорное устройство для выборочного учета колебаний измерительной трубы со стороны впуска и со стороны выпуска.
Прямые измерительные трубы, в которых инициированы изгибные колебания в соответствии с первой формой собственных колебаний, вызывают, как известно, кориолисовы силы в протекающей через них среде. Последние, в свою очередь, способствуют тому, что на возбужденные изгибные колебания напластовываются копланарные изгибные колебания в соответствии со второй формой собственных колебаний более высокого и/или более низкого порядка и, соответственно этому, зарегистрированные посредством сенсорного устройства колебания с впускной стороны и с выпускной стороны имеют также зависящую от весового расхода, измеряемую разность фаз.
Обычно измерительные трубы таких, встроенных, к примеру, в измерительные приборы кориолисова весового расхода, измерительных преобразователей в процессе работы возбуждаются на резонансную частоту первой формы собственных колебаний в данный момент времени, в частности, при отрегулированной на постоянную величину амплитуде колебаний. Так как эта резонансная частота, в частности, зависит также и от плотности среды в данный момент времени, посредством обычных, имеющихся на рынке измерительных приборов весового расхода, наряду с весовым расходом может измеряться также и плотность протекающей среды.
Преимущество прямых измерительных труб состоит, к примеру, в том, что они практически в любом монтажном положении, в частности, также после произведенной очистки, с высокой степенью надежности могут быть полностью опорожнены. Далее, такие измерительные трубы по сравнению, к примеру, с омегообразно изогнутой или со спирально изогнутой измерительной трубой, значительно легче и, соответственно, менее затратны при изготовлении. Следующее преимущество вибрирующей вышеописанным образом, прямой измерительной трубы, по сравнению с изогнутыми трубами, можно, к примеру, усмотреть также и в том, что в процессе измерения через измерительную трубу не вызываются практически никакие торсионные колебания в присоединенном трубопроводе.
В противоположность этому, существенный недостаток описанного ранее измерительного преобразователя состоит в том, что в силу взаимных поперечных отклонений вибрирующей единственной измерительной трубы, колеблющиеся с той же частотой поперечные усилия могут воздействовать на трубопровод и, что эти поперечные усилия могут компенсироваться в настоящее время лишь очень ограниченно и с большими техническими затратами.
Для улучшения динамического баланса измерительного преобразователя, в частности, для уменьшения таких, выработанных посредством единственной вибрирующей измерительной трубы, воздействующих на трубопровод со стороны впуска и со стороны выпуска, поперечных усилий, представленные в ЕР-А 317340, US-A 5398554, US-A 5531126, US-A 5691485, US-A 5796012, US-A 5979246, US-A 6006609, US-B 6397685, US-B 6691583, US-B 6840109 или в WOA 0014485 измерительные преобразователи содержат в себе, соответственно, по меньшей мере, один цельный или составной противоколебательный контур, который посредством образования первой соединительной зоны закреплен на измерительной трубе со стороны впуска и который посредством образования второй соединительной зоны закреплен на измерительной трубе со стороны выпуска. Такого рода, имеющие форму балки, в частности форму трубы, или выполненные как соосные с измерительной трубой колеблющиеся корпуса, противоколебательные контуры колеблются в процессе работы не в фазе с измерительной трубой, в частности в противофазе, благодаря чему воздействие вызванных, соответственно, измерительной трубы и противоколебательным контуром боковых поперечных усилий и/или поперечных импульсов на трубопровод может быть минимизировано а, при необходимости, полностью погашено.
Такие измерительные преобразователи с одной единственной измерительной трубой и противоколебательным контуром зарекомендовали себя, в частности, в таких случаях применения, в которых измеряемая среда имеет, в основном, постоянную или лишь в незначительной степени изменяющуюся плотность, то есть в таких случаях применения, в которых действующее на присоединенный трубопровод результирующее усилие, складывающееся из выработанных измерительной трубой поперечных усилий и выработанных противоколебательным контуром контр-усилий, изначально сразу же может быть фиксировано отрегулировано на ноль. В противоположность этому, такие измерительные преобразователи, в частности, в соответствии с US-А 5531126 или с US-А 5969265, при использовании для сред с колеблющейся в широких пределах плотностью, к примеру, для различных, последовательно измеряемых сред, хотя и в менее значительной степени, но имеют практически тот же недостаток, что и измерительные преобразователи без противоколебательного контура, так как вышеуказанные результирующие усилия зависят также и от плотности среды и, тем самым, в значительной степени могут отличаться от нуля. Другими словами, также образованная посредством, по меньшей мере, измерительной трубы и противоколебательного контура внутренняя часть измерительного преобразователя в процессе работы из-за зависящей от плотности неуравновешенности и возникающих, вследствие этого, поперечных усилий сильно отклоняется от предписанного статического нейтрального положения.
Возможность уменьшения зависящих от плотности поперечных усилий описана, к примеру, в US-А 5287754, US-A 5705754, US-A 5796010 или в US-B 6948379. У представленных там измерительных преобразователей выработанные со стороны единственной вибрирующей измерительной трубы, колеблющиеся, скорее всего, со средней или с высокой частотой поперечные усилия посредством очень тяжелого, по сравнению с измерительной трубой, противоколебательного контура и, при необходимости, относительного гибкого соединения измерительной трубы с трубопроводом, т.е. практически посредством механического фильтра низких частот, удерживаются вдали от трубопровода. Большой недостаток такого измерительного преобразователя состоит, в частности, однако в том, что необходимая для достижения достаточно сильного демпфирования масса противоколебательного контура возрастает непропорционально внутреннему диаметру измерительной трубы. Наоборот, при использовании такого массивного противоколебательного контура можно, однако, констатировать, что уменьшающаяся с уменьшением массы минимальная собственная частота измерительного преобразователя по-прежнему сильно отличается от также очень низких собственных частот присоединенного трубопровода.
Различные дальнейшие возможности для уменьшения зависящих от плотности поперечных усилий предложены, к примеру, в US-A 5979246, US-B 6397685, US-B 6691583, US-В 6840109, WOA 9940394 или в WOA 0014485. У представленных компенсационных механизмов речь в основе своей идет о том, чтобы увеличить ширину полосы частот, которые действуют внутри противоколебательного контура и консоли, посредством подходящей комбинации отдельных компонентов внутренней части измерительного преобразователя.
В частности, в US-B 6397685 известен измерительный преобразователь вышеуказанного типа, у которого в качестве измеряющей массу компенсационной меры для возбуждающего колебания предусмотрена и в перпендикулярной к продольной оси средней плоскости компенсирующего цилиндра соединена с ним первая компенсационная масса, а в качестве измеряющей массу компенсационной меры для кориолисового колебания предусмотрены вторая компенсационная масса и третья компенсационная масса; и вторая компенсационная масса и третья компенсационная масса выполнены как концевые зоны противоколебательного контура. Таким образом должно быть достигнуто то обстоятельство, что состоящая из кориолисовой измерительной трубы и из компенсационного цилиндра, способная выполнять колебательные движения система, по меньшей мере, полностью уравновешена по массе как для возбуждающих колебаний кориолисовой измерительной трубы, так и для кориолисовых колебаний кориолисовой измерительной трубы.
В WO-A 0014485 описан далее измерительный преобразователь вибрационного типа для протекающей в трубопроводе среды, у которого предусмотрены расположенная с впускной стороны первая консоль, которая в расположенной между первой и второй соединительными зонами третьей соединительной зоне соединена с измерительной трубой и которая имеет расположенный в зоне измерительной трубы центр тяжести, а также расположенная с выпускной стороны вторая консоль, которая в расположенной между первой и второй соединительными зонами четвертой соединительной зоне соединена с измерительной трубой и которая имеет расположенный в зоне измерительной трубы центр тяжести. Каждая из обеих консолей предусмотрена для того, чтобы осуществлять выравнивающие колебания, которые сформированы таким образом, что поперечные импульсы компенсируются и, таким образом, центр масс образованной из измерительной трубы, возбуждающего устройства, сенсорного устройства и обеих консолей внутренней части удерживается стационарно. Далее, в WO-A 9940394 описан измерительный преобразователь вышеуказанного типа, у которого предусмотрены служащая для создания противодействующих со стороны впуска поперечным усилиям сил реакции первая консоль, а также служащая для создания противодействующих со стороны выпуска поперечным усилиям сил реакции вторая консоль. При этом первая консоль закреплена как в области первой соединительной зоны на измерительной трубе, так и со стороны впуска на корпусе преобразователя, а вторая консоль закреплена как в области второй соединительной зоны на измерительной трубе, так и со стороны выпуска на корпусе преобразователя, так что силы реакции сформированы таким образом, что измерительная труба, несмотря на образовавшиеся поперечные усилия, удерживается в назначенном статическом нейтральном положении.
У вышеуказанных измерительных преобразователей, включая описанный в US-A 5979246, проблема зависящих от плотности дисбалансов, в принципе, решается посредством того, что шаг амплитуды противоколебательного контура, в частности, посредством изменяющейся в зависимости от амплитуды упругой жесткости противоколебательного контура, заранее и/или в процессе работы приводится в соответствие с колебаниями измерительной трубы таким образом, что вырабатываемые измерительной трубой и противоколебательным контуром усилия, в основном, компенсируют друг друга.
Наконец, в US-B 6691583 и в US-B 6840109, соответственно, представлены измерительные преобразователи, у которых предусмотрены, соответственно, в области первой соединительной зоны, в основном, жестко закрепленная на измерительной трубе, противоколебательном контуре и на впускном участке трубы первая консоль и в области второй соединительной зоны, в основном, жестко закрепленная на измерительной трубе, противоколебательном контуре и на выпускном участке трубы вторая консоль.
Обе консоли, расположенные, в частности, симметрично относительно середины измерительной трубы, служат в данном случае для того, чтобы во впускном участке трубы или в выпускном участке трубы динамически формировать изгибные моменты, когда вибрирующая измерительная труба совместно с противоколебательным контуром, а, тем самым, также и соединительные зоны поперечно смещаются из своего, соответственно, назначенного статического нейтрального положении, причем изгибные моменты сформированы таким образом, что в деформируемом впускном участке трубы и в деформируемом выпускном участке трубы вырабатываются импульсы, которые направлены против сформированных в измерительной трубе поперечных импульсов. Обе консоли сформированы для этого таким образом и расположены в измерительном преобразователе таким образом, что расположенный в зоне впускного участка трубы центр тяжести первой консоли и расположенный в зоне выпускного участка трубы центр тяжести второй консоли, несмотря на то, что измерительная труба поперечно смещается из своего назначенного статического нейтрального положения, в основном, неподвижно остаются в своем статическом нейтральном положении. Основной принцип этого компенсационного механизма состоит в том, чтобы негативным образом воздействующие на измерения и/или на присоединенный трубопровод поперечные движения смещения вибрирующей трубы, которые напластовываются на ее первичные, воздействующие на эффекты измерения, деформации, преобразовывать в динамически балансирующие измерительный преобразователь, встречные деформации впускного и выпускного участков трубы и, таким образом, далее исключать. Посредством подходящего согласования внутренней части деформации впускного и выпускного участков трубы могут быть сформированы таким образом, чтобы поперечные импульсы далее в независимости от амплитуд и/или частот колебаний измерительной трубы в данный момент времени компенсировали друг друга. Соответствующим образом, и поперечные усилия, сформированные вибрирующей измерительной трубой, посредством сформированных деформированным впускным участком трубы и деформированным выпускным участком трубы поперечных усилий могут быть, в основном, компенсированы.
Дальнейшие исследования показали, однако, что, несмотря на то, что посредством предложенного в US-B 6691583 и в US-B 6840109 механизма разъединения можно, в принципе, добиться очень хороших результатов в отношении помехоустойчивости, с представленными там конфигурациями для определенных применений, в частности, с колеблющейся в очень широких диапазонах плотностью среды, тем не менее, следует отметить слишком маленькие ширины полос для механизма разъединения и, таким образом, не удовлетворяющие результаты в отношении помехоустойчивости измерительного преобразователя. Правда можно констатировать далее, что посредством предложенного в US-A 5287754, US-А 5705754, US-A 5796010 или в US-B 6948379 использования лишь сравнительно тяжелого противоколебательного контура, нельзя добиться значительных улучшений для представленного в US-B 6691583 и в US-B 6840109 механизма разъединения.
Задача изобретения состоит поэтому, в том, чтобы предоставить сведения о подходящем, в частности, для измерителя кориолисова весового расхода или же для измерителя кориолисова весового расхода / плотности измерительный преобразователь вышеуказанного типа, который в процессе работы динамически хорошо сбалансирован в широком диапазоне плотности среды и у которого как измерительная труба, так и противоколебательный контур могут иметь, тем не менее, сравнительно небольшую массу.
Для решения задачи изобретение относится к измерительному преобразователю вибрационного типа для протекающей в трубопроводе среды. Измерительный преобразователь содержит в себе, по меньшей мере, периодически вибрирующую в процессе работы измерительную трубу для проведения среды, причем измерительная труба посредством входящего со стороны впуска впускного участка трубы и посредством выходящего со стороны выпуска выпускного участка трубы сообщается с трубопроводом, а также противоколебательный контур, который посредством образования первой соединительной зоны закреплен на измерительной трубе со стороны впуска и который посредством образования второй соединительной зоны закреплен на измерительной трубе со стороны выпуска. Далее измерительный преобразователь содержит в себе первую консоль для создания изгибающих моментов во впускном участке трубы, который в области первой соединительной зоны, в основном, жестко соединен с впускным участком трубы и с измерительной трубой, и который имеет расположенный в зоне впускного участка трубы центр тяжести, а также вторую консоль для создания изгибающих моментов в выпускном участке трубы, который в области второй соединительной зоны, в основном, жестко соединен с выпускным участком трубы и с измерительной трубой, и который имеет расположенный в зоне выпускного участка трубы центр тяжести.
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из обеих консолей имеет массу, которая, по меньшей мере, равна массе противоколебательного контура.
В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из обеих консолей имеет массу, которая больше 1,5-кратного значения массы противоколебательного контура. В соответствии с вариантом усовершенствования изобретения предусмотрено, что каждая из обеих консолей имеет массу, которая меньше 5-кратного значения массы противоколебательного контура, в частности, не больше 3-кратного значения массы противоколебательного контура.
В соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что масса противоколебательного контура минимально соответствует 5-кратному значению массы измерительной трубы.
В соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из обеих консолей имеет массу, которая соответствует, по меньшей мере, 10-кратному значению массы измерительной трубы.
В соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что длина консолей соответствует не более чем 0,9-кратному значению длины впускного участка трубы или выпускного участка трубы.
В соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из обеих консолей сформирована, в основном, в форме трубы или в форме втулки. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что каждая из консолей имеет самую большую толщину стенки, которая больше самой большой толщины стенки противоколебательного контура. Далее предусмотрено, что каждая из консолей имеет самую маленькую толщину стенки, которая больше самой большой толщины стенки противоколебательного контура.
В соответствии с седьмым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что измерительная труба, впускной участок трубы и выпускной участок трубы образованы, соответственно, посредством сегментов одной единственной, цельной трубы.
В соответствии с восьмым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что измерительная труба выполнена, в основном, прямой. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что противоколебательный контур выполнен также прямым и что измерительная труба и противоколебательный контур ориентированы относительно друг друга, в основном, коаксиально. В соответствии с другим вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что каждая из консолей имеет длину, которая соответствует не более чем 0,5-кратному значению длины измерительной трубы. В частности, каждая из консолей имеет при этом длину, которая меньше 0,4-кратного значения длины измерительной трубы.
В соответствии с девятым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что измерительная труба, по меньшей мере, частично окружена противоколебательным контуром.
В соответствии с десятым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что и противоколебательный контур имеет форму трубы.
В соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что противоколебательный контур имеет внутренний диаметр более 50 мм и/или толщину стенки более 5 мм.
В соответствии с двенадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что впускной участок трубы и выпускной участок трубы выполнены, в основном, прямыми. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что впускной участок трубы и выпускной участок трубы ориентированы относительно друг друга, а также к воображаемой, соединяющей обе соединительные зоны, продольной оси измерительного преобразователя, в основном, соосно. В соответствии с другим вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что измерительная труба в процессе работы, по меньшей мере, периодически осуществляет изгибные колебания вокруг, в основном, параллельной продольной оси, в частности, совпадающей с ней, оси изгибных колебаний. Далее может быть предусмотрено, что измерительная труба в процессе работы, по меньшей мере, периодически осуществляет торсионные колебания вокруг, в основном, параллельной продольной оси, в частности, совпадающей с ней, оси торсионных колебаний.
В соответствии с тринадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что длина впускного участка трубы, а также длина выпускного участка трубы соответствует не более чем 0,5-кратному значению длины измерительной трубы. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что как впускной участок трубы, так и выпускной участок трубы имеют длину, которая меньше 0,4-кратного значения длины измерительной трубы.
В соответствии с другим вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено, что измерительная труба в процессе работы, по меньшей мере, периодически вибрирует с частотой колебаний, которая с учетом длины впускного участка трубы, а также жесткости при изгибе впускного участка трубы больше, чем:
где L11 - длина впускного участка трубы, m - масса первой консоли, а Е11·I11 -представляет собой жесткость при изгибе впускного участка трубы, которая определена посредством модуля упругости Е11 материала впускного участка трубы, а также аксиального момента инерции I11 площади впускного участка трубы. Далее предусмотрено, что и наполненная водой измерительная труба имеет самую низкую естественную собственную частоту, которая больше, чем
В соответствии с четырнадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что пустая измерительная труба имеет самую низкую естественную собственную частоту, которая больше или примерно равна самой низкой естественной собственной частоте противоколебательного контура. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что самая низкая естественная собственная частота даже наполненной водой измерительной трубы соответствует, по меньшей мере, 1,1-кратному значению самой низкой естественной собственной частоты противоколебательного контура.
В соответствии с пятнадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что впускной участок трубы, выпускной участок трубы и измерительная труба являются, в основном, прямыми и что длина впускного участка трубы, а также длины выпускного участка трубы соответствует не более чем 0,5-кратному значению длины измерительной трубы. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что как впускной участок трубы, так и выпускной участок трубы имеют длину, которая, соответственно, меньше 0,4-кратного значения длины измерительной трубы.
В соответствии с шестнадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что соотношение первого момента инерции массы первой консоли вокруг расположенной в первой соединительной зоне, воображаемой первой оси вращения первой консоли и второго момента инерции массы первой консоли вокруг, в основном, параллельной продольной оси измерительной трубы, воображаемой второй оси вращения первой консоли меньше 5, в частности, меньше 2. К тому же предусмотрено, что и соотношение первого момента инерции массы второй консоли вокруг расположенной во второй соединительной зоне, в основном параллельной первой оси вращения первой консоли, воображаемой первой оси вращения второй консоли и второго момента инерции массы второй консоли вокруг, в основном, параллельной продольной оси измерительной трубы, воображаемой второй оси вращения второй консоли меньше 5, в частности, меньше 2. Далее предусмотрено, что каждый из обоих первых моментов инерции массы составляет, по меньшей мере, 0,01 кг·м2 и/или что каждый из обоих вторых моментов инерции массы составляет, по меньшей мере, 0,01 кг·м2. В соответствии с другим вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено далее, что частное первого момента инерции массы каждой консоли и ее соответствующей массы меньше 0,03 м2, в частности, лежит в пределах от 0,001 м2 до 0,01 м2. Далее предусмотрено, что отношение этого ранее упомянутого частного соответствующей консоли к площади поперечного сечения измерительной трубы меньше 10. В частности, при этом предусмотрено каждую из обоих консолей выполнять таким образом, что это ранее упомянутое соотношение находится в пределах от 0,5.
В соответствии с семнадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из консолей, по меньшей мере, частично закреплена непосредственно на противоколебательном контуре.
В соответствии с восемнадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из консолей имеет, по меньшей мере, один продольный паз.
В соответствии с девятнадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из консолей посредством резьбовых соединений закреплена на противоколебательном контуре.
В соответствии с двадцатым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из консолей образована посредством надвинутой на противоколебательный контур втулки. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено, что каждая из образующих консоли втулок имеет, соответственно, по меньшей мере, один кольцевой паз. Далее предусмотрено, что, по меньшей мере, один кольцевой паз каждой из обеих консолей ориентирован, в основном, коаксиально, в частности, концентрично, к главной оси инерции соответствующей консоли.
В соответствии с двадцать первым вариантом осуществления изобретения измерительная труба имеет внутренний диаметр более чем 40 мм и/или толщину стенки более чем 2 мм.
В соответствии с двадцать вторым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что измерительный преобразователь включает в себя далее сенсорное устройство для учета колебаний, по меньшей мере, измерительной трубы.
В соответствии с двадцать третьим вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что измерительный преобразователь включают в себя далее возбуждающее устройство для приведения в движение, по меньшей мере, измерительной трубы.
В соответствии с двадцать четвертым вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что измерительная труба, по меньшей мере, периодически вибрирует с частотой колебаний, которая соответствует, по меньшей мере, 1,5-кратному значению самой низкой естественной собственной частоты колебательной внутренней части измерительного преобразователя, которая образована, по меньшей мере, посредством измерительной трубы, противоколебательного контура, впускного участка трубы, выпускного участка трубы, а также обеих консолей. В соответствии с вариантом усовершенствования данного варианта осуществления изобретения предусмотрено, что самая низкая естественная собственная частота внутренней части определена, в основном, посредством масс консолей, измерительной трубы и противоколебательного контура, а также действующей жесткости при изгибе впускного и выпускного участков трубы, которая противодействует таким деформациям впускного и выпускного участков трубы, которые являются результатом поперечных смещений соединительных зон из соответствующего статического нейтрального положения и возникающих в связи с этим скручиваний консолей вокруг их соответствующих центров тяжести.
Сверх того, изобретение состоит в выполненном, к примеру, в виде измерительного прибора кориолисова весового расхода, измерительного прибора плотности, измерительного прибора вязкости или нечто подобного, встроенного измерительного прибора для измерения и/или контроля, по меньше мере, одного параметра, к примеру, весового расхода, плотности и/или вязкости протекающей в трубопроводе среды, и в этом встроенном измерительном приборе используется измерительный преобразователь вышеуказанного типа.
Преимущество изобретения состоит в том, что за счет незначительного, в частности, по сравнению с предложенными в US-A 5287754, US-A 5705754, US-A 5796010 или в US-B 6948379 тяжелыми противоколебательными контурами, повышения массы внутренней части могут быть достигнуты значительные улучшения баланса измерительного преобразователя и, в этом отношении, и его помехоустойчивости. Измерительный преобразователь в соответствии с изобретением отличается тем, что он очень помехоустойчив и в отношении паразитных колебаний, введенных при известных условиях через присоединенный трубопровод. Далее выявило себя то обстоятельство, что такого рода измерительный преобразователь, к примеру, по сравнению с измерительным преобразователем, внутренние поперечные усилия которого сравнительно хорошо компенсируются посредством упомянутой в US-A 5287754, US-A 5705754, US-A 5796010 или в US-B 6948379 простой механической системы фильтра нижних частот, может иметь значительно меньшую массу. К тому же, в силу динамического разъединения колебаний, он может быть выполнен очень компактным. А потому, измерительный преобразователь пригоден, в частности, и для измерения в трубопроводах с большим номинальным внутренним диаметром, к примеру >50 мм.
В последующем изобретение и другие преимущества будут пояснены на основании примера осуществления, который представлен на чертежах. Одинаковые детали снабжены на чертежах одинаковыми обозначениями. С целью наглядности на последующих чертежах отказываются от ранее упомянутых обозначений.
Фиг.1 демонстрирует вставляемый в трубопровод встроенный измерительный прибор для измерения, по меньшей мере, одного параметра протекающей в трубопроводе среды,
Фиг.2 демонстрирует пример осуществления подходящего для встроенного измерительного прибора с Фиг.1 измерительного преобразователя вибрационного типа с измерительной трубой и противоколебательным контуром, а также с расположенными на торцах консолями, на перспективном виде сбоку,
Фиг.3 демонстрирует измерительный преобразователь с Фиг.2 в разрезе, на виде сбоку,
Фиг.4 демонстрирует измерительный преобразователь с Фиг.2 в первом поперечном сечении,
Фиг.5 демонстрирует измерительный преобразователь с Фиг.2 во втором поперечном сечении,
Фиг.6а-6d схематично показывают линии изгиба измерительной трубы и противоколебательного контура, колеблющихся в поперечном режиме изгибных колебаний,
Фиг.7а, b демонстрируют на различных видах, частично с разрезами, вариант осуществления расположенной с торца консоли измерительного преобразователя, в соответствии с Фиг.2, и
Фиг.8 схематично представляет в разрезе измерительный преобразователь с вибрирующей в соответствии с Фиг.6 с измерительной трубой.
На Фиг.1 представлен вставляемый в трубопровод, выполненный, к примеру, в виде измерительного прибора кориолисова весового расхода, измерительного прибора плотности, измерительного прибора вязкости или нечто подобного, встроенный измерительный прибор, который служит для измерения и/или контроля, по меньшей мере, одного параметра, к примеру, весового расхода, плотности и/или вязкости и т.д. протекающей в трубопроводе среды. Встроенный измерительный прибор содержит в себе для этого измерительный преобразователь вибрационного типа, через который в процессе работы соответственно протекает измеряемая среда. На Фиг.2-5 схематично представлены соответствующие примеры осуществления и варианты выполнения таких измерительных преобразователей вибрационного типа. Сверх того, принципиальная механическая конструкция, а также его принцип действия сравнимы с механической конструкцией и принципом действия представленных в US-B 6691583 или в US-B 6840109 измерительных преобразователей. Измерительный преобразователь служит для того, чтобы вызывать в протекающей через него среде механические силы реакции, к примеру, зависящие от весового расхода кориолисовы силы, зависящие от плотности силы инерции и/или зависящие от вязкости силы трения, которые, в свою очередь, воздействуют на измерительный преобразователь с возможностью измерения, в частности, посредством датчика. На основании этих сил реакции могут, таким образом, известным специалисту способом измеряться, к примеру, весовой расход m, плотность ρ и/или вязкость h среды.
Для проведения среды измерительный преобразователь содержит в себе одну - в данном случае единственную - в основном, прямую измерительную трубу 10, которая в процессе работы принуждается к вибрациям и при этом, колеблясь вокруг статического нейтрального положения, снова упруго деформируется.
С целью минимизации воздействующих на измерительную трубу 10 возмущающих воздействий, также как и для уменьшения колебательной энергии, отдаваемой со стороны измерительного преобразователя на присоединенный трубопровод, в измерительном преобразователе предусмотрен далее - в данном случае проходящий, в основном, параллельно измерительной трубе 10 - противоколебательный контур 20. Этот противоколебательный контур, как показано и на Фиг.3, посредством образования - практически определяющей впускной конец измерительной трубы 10 - первой соединительной зоны 11# закреплен на измерительной трубе 10 со стороны впуска, а посредством образования - практически определяющей выпускной конец измерительной трубы 10 - второй соединительной зоны 12# закреплен на измерительной трубе 10, соответственно, со стороны выпуска. Противоколебательный контур 20 может быть выполнен в форме трубы или в форме короба и соединен с измерительной трубой 10 на впускном конце и на выпускном конце, к примеру, таким образом, что он, как очевидно на основании Фиг.2 и 3, ориентирован в основном коаксиально к измерительной трубе 10, измерительная труба 10, таким образом, оказывается окруженной противоколебательным контуром 20. К тому же, в предложенном на рассмотрение примере осуществления изобретения противоколебательный контур 20 рассчитан значительно тяжелее измерительной трубы 10.
Для инициирования протекания измеряемой среды измерительная труба 10 посредством входящего со стороны впуска в области первой соединительной зоны впускного участка 11 трубы и посредством выходящего со стороны выпуска в области второй соединительной зоны, в частности, в основном, идентичного впускному участку 11 трубы, выпускного участка 12 трубы подсоединена, соответственно, к подводящему или отводящему среду - не изображенному здесь - трубопроводу. Впускной участок 11 трубы и выпускной участок 12 трубы в представленном примере осуществления изобретения выполнены, в основном, прямыми и ориентированы соосно относительно друг друга, относительно измерительной трубы 10, а также относительно практически соединяющей соединительные зоны, воображаемой продольной оси L. В соответствии с вариантом осуществления изобретения длина L11 впускного участка 11 трубы, а также длина L12 выпускного участка 12 трубы соответствуют не более чем 0,5-кратному значению длины L10 измерительной трубы 10. Чтобы иметь возможность изготовить как можно более компактный измерительный преобразователь, впускной участок 11 трубы имеет длину L11 и выпускной участок 12 трубы имеет длину L12, которые, в частности, соответственно меньше 0,4-кратного значения длины L10 измерительной трубы 10.
В предпочтительном варианте измерительная труба 10, впускной участок 11 трубы и выпускной участок 12 трубы могут быть изготовлены монолитно, так что для их изготовления может использоваться, к примеру, одна единственная трубная заготовка. Вместо изготовления измерительной трубы 10, впускного участка 11 трубы и выпускного участка 12 трубы, соответственно, в виде сегментов одной единственной, монолитной трубы, в случае необходимости они могут изготавливаться также и в виде отдельных, соединенных впоследствии, к примеру, сваренных полуфабрикатов.
Как схематично представлено на Фиг.2 и 3, измерительный преобразователь в соответствии с изобретением включает в себя далее соединенную в области первой соединительной зоны с впускным участком 11 трубы и с измерительной трубой 10 первую консоль 15, которая имеет расположенный в зоне впускного участка 11 трубы центр тяжести M15, а также соединенную в области второй соединительной зоны с выпускным участком 12 трубы и с измерительной трубой 10 вторую консоль 16, которая имеет расположенный в зоне выпускного участка 12 трубы центр тяжести M16. Иначе говоря, обе, в основном конструктивно подобные, при известных условиях, даже идентичные друг другу, консоли 15, 16 расположены в измерительном преобразователе таким образом, что соответствующий центр тяжести М15, M16 находится на расстоянии от измерительной трубы 10, в частности, соосно. Обе консоли 15, 16 удерживаются, таким образом, эксцентрично к впускному или выпускному участкам трубы и, соответственно, также эксцентрично к измерительной трубе 10 и к противоколебательному контуру 20. В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения консоль 15 сформирована таким образом и размещена на измерительной трубе 10 таким образом, что ее центр тяжести M15, в основном, располагается в районе половины длины впускного участка 11 трубы, а консоль 16 сформирована таким образом и размещена на измерительной трубе 10 таким образом, что ее центр тяжести M16, в основном, располагается в районе половины длины выпускного участка 12 трубы. Для получения как можно более компактного измерительного преобразователя, в соответствии с вариантом осуществления изобретения предусмотрено выполнять каждую из консолей таким образом, чтобы ее длина L15или L16 соответствовала не более чем 0,9-кратному значению длины L11 впускного участка 11 трубы и длины L12 выпускного участка 12 трубы и/или не более чем 0,5-кратному значению длины L10 измерительной трубы. В частности, каждая из консолей 15, 16 выполнена далее таким образом, что соответствующая длина при этом также по возможности меньше 0,4-кратного значения длины L10 измерительной трубы 10.
Как очевидно из обзора Фиг.1 и 3, образованная посредством измерительной трубы 10, противоколебательного контура 20, впускного участка 11 трубы, выпускного участка 12 трубы, а также обеих консолей 15, 16 внутренняя часть измерительного преобразователя удерживается далее с возможностью колебаний в корпусе 30 преобразователя, который окружает внутреннюю часть и при этом внутренняя часть плотно окружена средой, и который имеет определенную прочность на сжатие, и который закреплен, соответственно, на удаленных от соединительных зон концах впускного и выпускного участков 11, 12 трубы. Для случая, когда измерительный преобразователь должен монтироваться с трубопроводом разъемным образом, на впускном участке 11 трубы и на выпускном участке 12 трубы сформированы, соответственно, первый или второй фланец 13, 14. Фланцы 13, 14 могут быть при этом выполнены одновременно и как составные элементы корпуса 30 преобразователя. В случае необходимости впускной участок 11 трубы и выпускной участок 12 трубы могут быть, однако, напрямую соединены с трубопроводом, к примеру, посредством сварки или пайки твердым припоем.
Для изготовления отдельных компонентов вышеуказанной внутренней части может использоваться практически любой из обычных для таких измерительных преобразователей материалов, как то, к примеру, сталь, титан, тантал, цирконий и т.д., или же соответствующие комбинации этих материалов. К примеру, использование титана для измерительной трубы 10, а также для впускного участка 11 трубы и выпускного участка 12 трубы выявило себя как особо подходящее, в то время как, к примеру, из соображений экономии, как для противоколебательного контура 20 и консолей 15, 16, так и для корпуса 30 преобразователя преимущественным является использование стали. Для как можно более простого и недорогого изготовления консолей, и в конечном итоге, измерительного преобразователя, каждая из обеих консолей 15, 16 может быть выполнена, к примеру, в основном, в форме трубы или в форме втулки, так что она может быть образована практически посредством надетой на противоколебательный контур 20, в частности, металлической втулки, в частности, и тогда, когда противоколебательный контур 20 уже соединен с измерительной трубой 10. В соответствии с вариантом усовершенствования изобретения каждая из образующих при этом соответствующие консоли 15, 16 втулок имеет, соответственно, по меньшей мере, один кольцевой паз. Как очевидно из обзора Фиг.2 и 3, каждый, по меньшей мере, из двух кольцевых пазов в представленном на рассмотрение примере осуществления изобретения ориентирован, в основном, коаксиально, в частности, концентрично по отношению к, в основном, параллельной продольной оси L главной оси инерции соответствующей консоли 15, 16. В качестве альтернативы при использовании вышеуказанных втулок для консолей 15, 16, они могут изготовляться также и совместно с противоколебательным контуром 20, к примеру, однако же, и при помощи одной единственной заготовки в форме трубы монолитно или из двух частей посредством двух половинок трубы.
В процессе работы измерительного преобразователя измерительная труба 10 - как уже упоминалось ранее - по меньшей мере, периодически возбуждается к поперечным изгибным колебаниям, в частности, в зоне естественной резонансной частоты, таким образом, что в данном, так называемом полезном режиме изгибается, в основном, в соответствии с естественной первой формой собственных колебаний. Изгибные колебания ориентированы при этом, в основном, поперечно к оси изгибных колебаний, которая, в основном, параллельна продольной оси L или совпадает с ней. В соответствии с вариантом осуществления изобретения измерительная труба 10 возбуждается при этом с частотой fexc колебаний, которая по возможности точно соответствует естественной резонансной частоте так называемого собственного режима fl измерительной трубы 10, то есть симметричному собственному режиму, как схематично представлено на Фиг.6b-6d, вибрирующая измерительной трубы 10, через которую, однако, не протекает среда, в основном, симметрично изгибается относительно перпендикулярной продольной оси центральной оси и имеет при этом, в основном, одну единственную пучность колебаний. Как схематично представлено на Фиг.6b, и противоколебательный контур 20 в процессе работы измерительного преобразователя равным образом также побуждается к изгибным колебаниям, которые сформированы, в основном, копланарно, однако, в основном, в противофазе к изгибным колебаниям измерительной трубы 10. Для случая, когда в трубопроводе протекает среда и, таким образом, весовой расход m отличается от нуля, посредством вибрирующей вышеуказанным образом измерительной трубы 10 в среде, протекающей через нее, индуцируются кориолисовы силы. Они, в свою очередь, воздействуют на измерительную трубу 10 и вызывают, тем самым, дополнительную, регистрируемую посредством датчика - здесь, однако, не изображенную - деформацию измерительной трубы 10 в соответствии с естественной второй формой собственных колебаний, которая, в основном, копланарно напластована на возбужденный полезный режим. Проявление деформации измерительной трубы 10 в данный момент времени зависит при этом, в частности, в отношении ее амплитуды, также и от весового расхода m в данный момент времени. В качестве второй формы собственных колебаний, так называемого кориолисова режима, может служить, как это обычно имеет место у такого рода измерительных преобразователей, к примеру, форма собственных колебаний антисимметричного собственного режима Ј2, то есть та, которая имеет две пучности колебаний, и/или форма собственных колебаний антисимметричного собственного режима f4 с четырьмя пучностями колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения измерительная труба 10 и противоколебательный контур 20 рассчитаны далее таким образом, что пустая измерительная труба 10 имеет самую низкую естественную собственную частоту f10, которая больше или примерно равна самой низкой естественной собственной частоте f20 противоколебательного контура 20. В частности, измерительная труба 10 и противоколебательный контур 20 рассчитаны при этом таким образом, что наполненная водой измерительная труба 10 имеет самую низкую естественную собственную частоту f10, H2O, которая, по меньшей мере, равна самой низкой естественной собственной частоте f20 противоколебательного контура 20. В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения далее предусмотрено согласовывать измерительную трубу 10 и противоколебательный контур 20 в отношении их колебательных свойств таким образом, чтобы самая низкая естественная собственная частота f10, H2O измерительной трубы 10 и тогда соответствовала, по меньшей мере, 1,1-кратному значению самой низкой естественной собственной частоты f20 противоколебательного контура 20, когда она полностью заполнена водой. У измерительной трубы 10 из титана с номинальным внутренним диаметром DN, равным примерно 55 мм, длиной L10 примерно 570 мм и толщиной стенки примерно 2,5 мм естественная резонансная частота f10, воздух собственного режима f1 пустой измерительной трубы будет иметь значение примерно около 550 Гц, в то время как естественная резонансная частота f10, H2O собственного режима f1 наполненной водой измерительной трубы будет составлять примерно 450 Гц.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения измерительная труба 10 и противоколебательный контур 20 рассчитаны для этого далее таким образом, что масса m20 противоколебательного контура 20 минимально соответствует 5-кратному значению массы m10 измерительной трубы 10. При использовании трубы из стали с наружным диаметром примерно 100 мм и толщиной стенки примерно 10 мм, с учетом измерительной трубы, рассчитанной вышеописанным образом, для противоколебательного контура 20 будет выявляться масса m20 порядка примерно 10 кг.
В соответствии с вариантом усовершенствования изобретения измерительная труба 10, в частности, и по образцу представленного в US-B 6840109 измерительного преобразователя, осуществляет далее в процессе работы, по меньшей мере, периодически, торсионные колебания вокруг, в основном, параллельной продольной оси L, в частности, совпадающей с ней, оси торсионных колебаний. Ось торсионных колебаний, ось изгибных колебаний, а также продольная ост L могут совпадать, как это обычно непременно имеет место у такого рода измерительных преобразователей. Для вышеописанной измерительной трубы 10, к примеру, самая низкая естественная резонансная частота для торсионных колебаний будет выявляться в области примерно 750 Гц.
Для формирования механических колебаний измерительной трубы 10 - если это изгибные колебания и/или торсионные колебания - измерительный преобразователь включает в себя далее, в частности, электродинамическое возбуждающее устройство 40. Это устройство служит для того, чтобы преобразовывать подводимую от не изображенного здесь электронного управляющего устройства электрическую энергию Еехсвозбуждения, к примеру, посредством регулируемого тока и/или с регулируемого напряжения, в воздействующую на измерительную трубу 10, к примеру, в форме импульсов или гармонично, и упруго деформирующую ее вышеописанным образом, возбуждающую силу Fexc. Возбуждающая сила Fexc может быть сформирована при этом, как схематично показано на Фиг.4, двунаправленной или же однонаправленной и известным специалисту образом может регулироваться, к примеру, посредством регулировочной схемы тока и/или напряжения в отношении ее амплитуды и, к примеру, посредством системы фазовой автоподстройки частоты в отношении ее частоты.
В качестве возбуждающего устройства может служить, к примеру, простое, дифференциально воздействующее на измерительную трубу 10 и противоколебательный контур 20 устройство подвижной катушки с закрепленной на противоколебательном контуре 20 катушкой возбуждения, через которую в процессе работы протекает соответствующий ток возбуждения, и, по меньшей мере, с частично погружаемым в катушку возбуждения сердечником постоянного магнита, который снаружи, в частности, по центру, закреплен на измерительной трубе 10. Далее, возбуждающее устройство 40 может быть реализовано также, к примеру, в виде электромагнита или же, как представлено, к примеру, в WOA 9951946, в виде сейсмического возбудителя. Для обнаружения колебаний измерительной трубы 10 может использоваться, к примеру, обычное для такого рода измерительных преобразователей сенсорное устройство, в котором, известным специалисту образом, посредством расположенного с впускной стороны первого датчика 50А и посредством расположенного с выпускной стороны второго датчика 50В регистрируются движения измерительной трубы 10 и преобразуются в соответствующий первый или второй сенсорный сигнал S1, S2. В качестве датчиков 50А, 50В, к примеру, могут использоваться, к примеру, дифференциально измеряющие колебания относительно противоколебательного контура, электродинамические датчики скорости или же электродинамические датчики направления или датчики ускорения. Вместо электродинамических сенсорных устройств или в дополнение к ним, далее для обнаружения колебаний измерительной трубы 10 могут служить также датчики, измеряющие посредством тензорезистора сопротивления или пьезоэлектрического тензорезистора, или оптоэлектронные датчики.
В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения возбуждающее устройство 40, как показано также на Фиг.2-4, выполнено таким образом и расположено в измерительном преобразователе таким образом, что оно в процессе работы одновременно, в частности, дифференциально воздействует на измерительную трубу 10 и противоколебательный контур 20. В примере осуществления изобретения, представленном на Фиг.4, возбуждающее устройство 40 имеет для этого, по меньшей мере, одну первую катушку 41а возбуждения, через которую в процессе работы, по меньшей мере, периодически проходит ток возбуждения или частичный ток возбуждения, и которая закреплена на соединенном с измерительной трубой 10 рычаге 41с, и через него и через закрепленный снаружи на противоколебательном контуре 20 сердечник 41b дифференциально воздействует на измерительную трубу 10 и на противоколебательный контур 20. Такое расположение имеет, в частности, преимущество и в том, что, с одной стороны, противоколебательный контур 20 и, таким образом, также и корпус 100 преобразователя в поперечном сечении удерживаются небольшими и, тем не менее, катушка 41а возбуждения, в частности, и при монтаже, оказывается легко доступной. Сверх того, следующее преимущество данного варианта осуществления возбуждающего устройства 40 состоит также в том, что возможно используемые, в частности, при номинальный внутренних диаметрах свыше 50 мм, тяжелые стаканы 4Id для катушек, которыми нельзя пренебречь, также закрепляются на колебательном контуре 20 и, таким образом, практически не оказывают влияния на резонансные частоты измерительной трубы 10. В данном месте, однако, следует указать на то, что в случае необходимости катушка 41а возбуждения также может удерживаться посредством противоколебательного контура 20, а сердечник 4lb, соответственно, посредством измерительной трубы 10.
Соответственно и сенсорное устройство 50 может быть выполнено таким образом и расположено в измерительном преобразователе таким образом, что с его помощью дифференциально регистрируются вибрации измерительной трубы 10 и противоколебательного контура 20. В представленном на Фиг.5 примере осуществления изобретения сенсорное устройство 50 включает в себя закрепленную на измерительной трубе 10, в данном случае расположенную вне всех главных осей инерции сенсорного устройства 50, сенсорную катушку 51а. Сенсорная катушка 51а расположена максимально близко к закрепленному на противоколебательном контуре 20 сердечнику 5lb и магнитно соединена с ним таким образом, что в сенсорной катушке индуцируется подверженное воздействию вращательных и/или поперечных, меняющих свое относительное положение и/или свое относительное расстояние относительных движений между измерительной трубой 10 и противоколебательным контуром 20, изменяющееся измеряемое напряжение. В силу такого расположения сенсорной катушки 51а предпочтительным образом одновременно могут регистрироваться как вышеуказанные торсионные колебания, так и, в случае необходимости, возбужденные изгибные колебания. В случае необходимости сенсорная катушка 51а может быть для этого закреплена также и на противоколебательном контуре 20, а соответствующим образом соединенный с ней сердечник 5lb может быть закреплен на измерительной трубе 10.
Как уже многократно упоминалось ранее, при возбуждении полезного режима в вибрирующей вышеописанным образом, единственной измерительной трубе 10, из-за сопровождающих изгибные колебания ускорений массы, как известно, вырабатываются поперечные усилия Q1; таким образом, в измерительном преобразователе соответствующим образом возникают также поперечно ориентированные поперечные импульсы. К примеру, при амплитуде колебаний примерно в 0,03 мм для вышеупомянутой измерительной трубы из инструментальной стали будет иметь место поперечное усилие примерно в 100 Н. В случае невозможности компенсации этих поперечных усилий Q1, это приводит к тому, что подвешенная на впускном участке 11 трубы и на выпускном участке 12 трубы внутренняя часть измерительного преобразователя соответственно поперечно смещается из предписанного статического нейтрального положения. В соответствии с этим поперечные усилия Q1 через впускной участок 11 трубы и выпускной участок 12 трубы, по меньшей мере, частично воздействуют также на присоединенный трубопровод и принуждают его, таким образом, точно также, к вибрациям. Как разъясняется далее, измерительная труба 10 может быть также посредством противоколебательного контура 20 динамически сбалансирована практически лишь для одного единственного значения плотности среды, в лучшем случае, однако, для очень узкого диапазона плотности среды, сравнить Фиг.6b. Более того, измерительная труба 10 и, вследствие этого, практически вся внутренняя часть при колеблющейся плотности r среды поперечно смещается из нейтрального положения, обозначенного на Фиг.6а-d, по продольной оси L, а именно, при низкой плотности r ниже значения плотности среды, как схематично представлено на Фиг.6, в направлении своего собственного колебательного движения или же при высокой плотности r выше упомянутого значения плотности среды, как показано на Фиг.6d, в направлении колебательного движения противоколебательного контура 20. В этом отношении противоколебательный контур 20 служит, таким образом, скорее для того, чтобы динамически сбалансировать измерительный преобразователь точно для заданного, к примеру, зачастую ожидаемого в процессе работы измерительного преобразователя или же критического значения плотности среды, к примеру, плотности воды, настолько, чтобы создаваемые в вибрирующей измерительной трубе 10 поперечные усилия Q1 по возможности полностью компенсировались, и измерительная труба в таком случае практически не покидала бы своего статического нейтрального положения, сравнить Фиг.6а, 6b. Для того чтобы осуществить максимально простое, удобное для пользования согласование противоколебательного контура 20 на упомянутое значение плотности среды и на фактически возбуждаемую тогда форму колебаний измерительной трубы 10, в соответствии с вариантом осуществления изобретения на противоколебательный контур 20 надеты, в частности, разъемным образом, отдельные грузы 201, 202. Грузами 201, 202 могут быть, к примеру, диски, навинченные на соответствующие, закрепленные снаружи на измерительной трубе шпильки или надетые на измерительную трубу 10 короткие трубные элементы. Далее может осуществляться соответствующее распределение по весу на противоколебательном контуре 20, к примеру, также посредством формирования продольных или кольцевых пазов. Подходящее для соответствующего применения распределение по весу может известным специалисту образом сразу заранее определяться, к примеру, посредством методики расчета конечных элементов и/или посредством экспериментальных измерений. В случае необходимости, само собой разумеется, могут использоваться также и более чем два изображенных груза 201, 202.
Для дальнейшей улучшенной динамической сбалансированности измерительного преобразователя, в частности, и для сред со значительно колеблющейся плотностью г, также при рассмотрении представленных в US-B 6691583 или в US-B 6840109 принципов разъединения для изгибных и/или торсионных колебаний, консоль 15, в основном, жестко присоединена к впускному участку 11 трубы, противоколебательному контуру 20 и измерительной трубе 10 так же, как и консоль 16 - к выпускному участку 12 трубы, противоколебательному контуру 20 и измерительной трубе 10. При этом, в частности, расположенные максимально близко к измерительной трубе 10 консоли 15, 16 могут быть соединены как посредством сплошного соединения, так и путем кинематического замыкания и/или соединения с силовым замыканием, соответственно, с другим компонентом внутренней части, к примеру, с противоколебательным контуром 20. В соответствии с этим консоли 15, 16 могут быть, к примеру, приварены, припаяны, зажаты и/или напрессованы. Таким образом, посредством консолей 15, 16, равным образом эксцентрично, то есть не в соответствующих центрах тяжести М15или M16, создаются воздействующие на соответствующее место закрепления первые моменты J15x, J16x инерции массы, которые не являются главным моментом инерции соответствующей консоли 15, 16. К примеру, каждая из консолей 15, 16 для этого может быть, по меньшей мере, частично, закреплена непосредственно на противоколебательном контуре 20.
Для вышеупомянутого случая, когда консоли 15, 16 должны быть зажаты, соответственно, на противоколебательном контуре 20 и/или на соответствующем соединительном участке трубы, они могут быть закреплены, к примеру, также посредством соответствующих резьбовых соединений. Так на Фиг.7а,b на примере консоли 15 представлено предпочтительное зажимное соединение для консоли описанного типа. Консоль после насаживания на противоколебательный контур 20 закреплена при этом посредством, по меньшей мере, двух параллельных друг другу стяжных шпилек 15, 15b и соответствующих гаек 15с, 15d, причем обе стяжные шпильки 15а, 15b размещены в расположенных на противолежащих сторонах в консоли 15 сквозных отверстиях 15е, 15f. С целью предотвращения нежелательного отвинчивания гаек 15с, 15d, они, в случае необходимости, после монтажа дополнительно могут быть соединены с соответствующей стяжной шпилькой подходящим образом, к примеру, посредством клея по металлу, адгезионно и/или, к примеру, посредством сварки и/или пайки, сплошным соединением. Для обеспечения максимально хорошего силового замыкания между консолью 15 и противоколебательным контуром 20 при приемлемых зажимных усилиях в стяжных шпильках 15а, 15b и в противоколебательном контуре 20, в представленном здесь варианте дополнительно вмонтированы продольные шлицы 15g, 15h, в основном, соосные с продольной осью L и, по меньшей мере, радиально проходящие по обращенной к противоколебательному контуру 20 и измерительной трубе 10 передней части.
При поперечных движениях обеих соединительных зон 11#, 12#, к примеру, вследствие зависящих от плотности дисбалансов между измерительной трубой 10 и противоколебательным контуром 20 и/или введенных снаружи в измерительный датчик паразитных колебаний, со стороны консоли 15 во впускном участке 11 трубы и со стороны консоли 16 в выпускном участке 12 трубы, соответственно, создаются изгибные моменты, которые в силу эксцентриситета и инерции массы консолей 15, 16 направлены таким образом, что возникающие при этом деформации впускного и выпускного участков 11#, 12# трубы направлены против поперечных движений соединительных зон 11#, 12#. Другими словами, консоли 15, 16 сформированы и соизмерены таким образом, что получаемые отсюда первые моменты J15X, J16X инерции массы вокруг проходящей перпендикулярно к продольной оси L, однако, отстоящей от параллельной ее главной оси инерции соответствующей консоли, воображаемой оси D15x, D16x вращения, позволяют именно скручивание консолей 15, 16 при ускоренном поперечном смещении соединительных зон 11#, 12#; соответствующие центры тяжести М15, M16, однако, по меньшей мере, поперечно, в основном, жестко сохраняются в статических нейтральных положениях, которые соответственно назначены им в силу конкретных механико-геометрических свойств консолей 15, 16. Таким образом, каждый из центров тяжести М15 или M16 практически образует центр вращения для создающих изгибные моменты вращательных движений консолей 15, 16.
Вышеуказанным образом эксцентрично воздействующие на места закрепления моменты инерции массы J15x, J16x консолей 15, 16 вызывают таким образом - в силу ускоренных поперечных движений V смещения измерительной трубы 10, колеблющейся вокруг соответствующего, практически неподвижного центра тяжести М15 или M16 - дополнительное скручивание соответствующего места закрепления вокруг перпендикулярной данному поперечному движению V смещения, а также продольной оси L, воображаемой первой или вокруг, в основном, параллельной первой, воображаемой второй оси D15x, D16x вращения, сравнить Фиг.6с и d. Это, еще раз представленное на Фиг.8 в увеличенном масштабе, скручивание практически всей первой соединительной зоны 11# с впускной стороны, в частности впускного конца, снова воздействует, по меньшей мере, частично на дополнительное, направленное против движения V смещения измерительной трубы 10 изгибание впускного участка 11 трубы, которое соответствует практически одноосному, свободному от поперечных усилий и, таким образом, свободному также от напряжения сдвига, изгибу; аналогичным образом, также против движения V смещения, изгибается выпускной участок 12 трубы.
Обе консоли 15, 16, как представлено также на Фиг.1-4, закреплены односторонне, то есть лишь в области соединительных зон 11#, 12#. Для подавления возможных нежелательных колебательных режимов далее, как схематично представлено на Фиг.8, могут быть предусмотрены, однако, дополнительные, служащие для стабилизации центров тяжести M15, M16консолей 15 или 16 в их соответствующем нейтральном положении, пружины и/или демпфирующие элементы, которые, к примеру, располагаясь перпендикулярно к главной плоскости колебаний, или, как представлено здесь, в основном, в главной плоскости колебаний соответственно закреплены на массе консолей и на корпусе 30 преобразователя.
Расчет параметров внутренней части, включая измерительную трубу, противоколебательный контур, впускной и выпускной участки трубы, а также консоли, а также подверженные воздействию с их стороны изгибы впускного и выпускного участков 11, 12 трубы, могут быть оптимизированы, к примеру, посредством осуществляемых компьютером моделирующих расчетов или посредством экспериментальных измерений, в том отношении, что образованные за счет изгиба силы реакции Q2 компенсируют вышеупомянутые поперечные усилия Q1 в вибрирующей измерительной трубе 10 в максимально широком диапазоне плотности среды, полностью или, по меньшей мере, значительно, и именно таким образом, что снаружи на корпусе 30 преобразователя и, таким образом, также и на присоединенном трубопроводе не возникает практически никаких, вызванных вибрирующей трубой 10, а при определенных условиях, и всей колеблющейся внутренней частью, поперечных усилий. Возможные деформации присоединенного трубопровода в силу сформированных таким образом изгибных моментов могут сразу подавляться, к примеру, посредством соответствующей высокой жесткости на изгиб корпуса 30 преобразователя.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что измерительная труба 10, приведенная в действие посредством возбуждающего устройства, в процессе работы в преобладающей степени и/или, по меньшей мере, периодически принуждается к вибрациям с частотой fexc колебаний, которая соответствует, по меньшей мере, 1,5-кратному значению самой низкой естественной собственной частоты колебательной внутренней части измерительного преобразователя, которая образована - как осуществлено раннее - по меньшей мере, посредством самой измерительной трубы 10, противоколебательного контура 20, впускного участка 11 трубы, выпускного участка 12 трубы, а также обеих консолей 15, 16. Другими словами, естественная резонансная частота полезного режима должна соответствовать, по меньшей мере, 1,5-кратному, по возможности же, более чем 2-кратному значению самой низкой естественной собственной частоты внутренней части. При представленных в данном случае габаритах внутренней части самая низкая естественная собственная частота при пустой измерительной трубе, к примеру, составит примерно 250 Гц или меньше, в то время как при наполненной водой трубе она составит примерно порядка 200 Гц или ниже.
Дальнейшие исследования показали, что это вышеуказанное требование может быть действенным образом реализовано, в частности, и при сохранении представленного в US-B 6691583 или в US-B 6840109 принципа разъединения, и, таким образом, в частности, по сравнению с представленными в US-B 6691583 или в US-B 6840109 измерительными преобразователями, могут быть достигнуты значительные улучшения в отношении помехоустойчивости и, тем самым, также и в отношении точности измерений встроенных измерительных приборов описанного типа посредством того, что каждая из обеих консолей 15, 16 выполнена таким образом, что она имеет значительно большую, по сравнению с массой m10 измерительной трубы 10, массу а именно, по меньшей мере, порядка величин массы m20 противоколебательного контура 20. Поэтому в измерительном преобразователе в соответствии с изобретением согласно варианту осуществления предусмотрено далее, что параметры противоколебательного контура 20 и консоли 15, 16 установлены таким образом, что масса m15 или m16каждой из обеих консолей 15, 16, по меньшей мере, равна массе m20 противоколебательного контура 20. В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения каждая из обеих консолей 15, 16 имеет массу m15, m16, которая больше 1,5-кратного значения массы m20 противоколебательного контура 20. В зависимости от номинального внутреннего диаметра используемой измерительной трубы масса m15, m16 каждой из обеих консолей 15, 16 может быть, таким образом, больше 10-кратного значения массы m10измерительной трубы 10. Далее, можно констатировать при этом, что можно добиться хороших результатов в отношении помехоустойчивости, если каждая из обеих консолей 15, 16 имеет массу m15, m16, которая меньше 5-кратного значения массы m20противоколебательного контура 20 или, которая, по меньшей мере, для измерительных труб с большим номинальным внутренним диаметром свыше 50 мм соответствует самое большое даже лишь 3-кратному значению массы m20 противоколебательного контура 20.
В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения каждая из консолей 15, 16 соразмерена таким образом, что соответствующая масса m15, m16 составляет более 5 кг, в частности, более 10 кг, в частности, однако, менее 50 кг.
Чтобы предоставить достаточно большую массу m15, m16, каждая из консолей 15, 16 выполнена в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения таким образом, что она имеет, по меньшей мере, самую большую толщину стенки, которая больше самой большой толщины стенки противоколебательного контура 20. Далее в представленном примере осуществления изобретения размеры каждой из консолей 15, 16 установлены, однако, также таким образом, что самая маленькая из толщин ее стенок больше самой большой толщины стенки противоколебательного контура 20, благодаря чему может быть достигнута не только соответственно большая масса m15, m16, но и, в сравнении с измерительной трубой 10 и противоколебательным контуром 20, - соответственно высокая жесткость при изгибе для каждой из консолей 15, 16.
В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, измерительная труба 10 и консоли 15, 16 в согласовании друг с другом соразмерены таким образом, что наполненная водой измерительная труба 10 имеет самую низкую естественную собственную частоту f10, H2O, для которой действительно, по меньше мере, следующее выражение:
где E11 - представляет собой модуль упругости материала впускного участка 11 трубы, а I11 - действительный для колебаний выше обозначенной внутренней части или средний аксиальный момент инерции площади впускного участка 11 трубы. Этот момент инерции площади выявляется известным образом в соответствии с уравнением:
При этом выражение Е11·I11·/L113 соответствует практически установленному посредством впускного участка 11 трубы, в конечном счете, служащему мерилом для колебаний внутренней части, модулю упругости, который, по меньшей мере, для симметричной, в основном, конструкции внутренней части практически также равен аналогичным образом установленному модулю упругости выпускного участка 12 трубы. Таким образом, для симметричной, в основном, конструкции равным образом действительно следующее выражение:
В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения предусмотрено, что для частоты fexc колебаний, с которой измерительная труба 10, по меньшей мере, периодически преобладающим образом вибрирует в процессе работы, действительно следующее выражение:
Посредством этого впускной и выпускной участки трубы, а также массы m15, m16 консолей 15, 16 согласованы друг с другом таким образом, что уже с их помощью определена самая низкая естественная собственная частота внутренней части ниже ожидаемой в процессе работы, зависящей от плотности измеряемой среды, частоты fexcколебаний измерительной трубы 10.
Для достижения этого, а также, несмотря на это, по возможности происходящего без задержки скручивания консолей 15, 16 и, таким образом, большой ширины полосы частот разъединяющего механизма, консоли 15, 16 сформированы далее таким образом и закреплены на измерительной трубе таким образом, что частное вышеуказанного первого момента J15x, J16x инерции массы консолей и соответствующей массы m15 или m16 консолей имеет как можно меньшее значение. Экспериментальные исследования показали при этом далее, что, в частности, и при использовании сравнительно тяжелых и, таким образом, более инертных консолей 15, 16, к примеру, соответственно, более 10 кг, можно достичь сравнительно высокой помехоустойчивости измерительного преобразователя при сохранении высокой динамики, если частное J15x/m15, J16x/m16соответствующего момента J15x,J16xинерции массы каждой их консолей 15, 16 и ее соответствующей массы m15, m16 удерживается меньше, чем 0,03 м2, в частности, лежит в пределах от 0,001 м2 до 0,01 м2. Далее, посредством исследований колебательной характеристики измерительных преобразователей описанного типа различных номинальных внутренних диаметров могло быть установлено, что хороших результатов в отношении помехоустойчивости и динамики можно достичь, если отношение вышеуказанного частного J15x/m15 консоли 15 так же, как и отношение частного J16x/m16 второй консоли 16 к площади А10 поперечного сечения измерительной трубы (имеется в виду размер площади) удерживается по возможности на небольших значениях, в частности, меньше 10. С учетом этого, в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения предусмотрено выполнять консоли 15, 16 и рассчитывать их габариты, соответственно, в зависимости от выбранной для фактического измерительного преобразователя номинального внутреннего диаметра DN измерительной трубы таким образом, чтобы посредством консоли 15 выполнялось, по меньшей мере, соотношение:
а, посредством консоли 16, по меньшей мере, соотношение:
В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения консоли 15, 16 выполнены далее таким образом, что каждый из обоих первых моментов J15x, J16x инерции массы составляет, по меньшей мере, 0,01 кг·м2.
Для вышеупомянутого случая, когда измерительный преобразователь должен приводиться в движение в двоичном режиме, при котором измерительная труба 10 осуществляет, по меньшей мере, периодически как изгибные колебания, так и, по меньшей мере, периодически торсионные колебания, наряду с соответствующим моментом J15x, J16x инерции массы каждой консоли 15, 16 вокруг соответствующей оси D15x, D16x вращения непременно представляют интерес и те, вторые моменты J15x, J16xинерции массы консолей 15, 16, которые противодействуют их ускоренным скручиваниям вокруг, соответственно, в основном, параллельной продольной оси L, воображаемой оси D15z, D16z вращения. Для представленного в примере осуществления изобретения измерительного преобразователя, у которого консоли соосны не только с впускным и выпускным участками трубы, но и с измерительной трубой и противоколебательным контуром, моменты J15z, J16z инерции массы соответствуют, в основном, одному из трех главных моментов инерции соответствующей консоли 15, 16, а ось D15z, D16z вращения, в основном, соответствующим главным осям инерции. В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения размеры консолей 15, 16 установлены, поэтому, таким образом, что отношение J15x/J15z, J16x/J15zсоответственно, первого момента J15x, J16x инерции массы каждой консоли 15, 16 к ее соответствующему второму моменту J15z, J16zинерции массы меньше 5, в частности, меньше 2. По меньшей мере, для вышеописанного случая, когда каждый из обоих первых моментов J15x, J16x инерции массы составляет, по меньшей мере, 0,01 кг·м, каждый из обоих вторых моментов J15z, J16z инерции массы должен составлять, по меньшей мере, примерно 0,01 кг·м2.
Консоли 15, 16 в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения выполнены далее таким образом, что они имеют самую низкую жесткость при изгибе вокруг соответствующей оси D15x, D16x вращения, которая больше, чем сравнимая жесткость при изгибе Е11·I11 впускного участка 11 трубы и соответствующая жесткости при изгибе Е12·I12 выпускного участка 12 трубы относительно той же оси D15X или D16x вращения. Для ранее упомянутого случая, когда и соответствующая длина L15, L16 соответствующей консоли 15, 16 выбрана явно меньше, чем соответствующая длина L11 впускного участка 11 трубы и соответствующая длина L12 выпускного участка 12 трубы, может быть также установлено, что соответствующий модуль упругости каждой из консолей 15, 16 всегда больше, чем ранее упомянутый пропорциональный Е11· I11/L113 модуль упругости впускного участка 11 трубы и соответствующий модуль упругости (~Е12·I12/L123) выпускного участка 12 трубы.
Для оптимального согласования необходимых масс, моментов инерции масс и/или жесткости при изгибе консолей 15, 16, в частности, с фактически заданными посредством измерительной трубы 10 и/или противоколебательного контура 20 значениями, дополнительно или в качестве альтернативы к ранее упомянутым кольцевым пазам могут быть также предусмотрены далее, как обозначено на Фиг.7а и 7b на примере консоли 15, в основном, соосные с продольной осью L продольные пазы 15i, 15j в соответствующей консоли.
Как можно легко понять на основании предшествующих разъяснений, измерительный преобразователь в соответствии с изобретением отличается большим количеством возможностей регулировки, которые позволяют специалисту, в частности также посредством спецификации внешних и внутренних установочных параметров, добиться компенсации с высоким качеством образованных в эксплуатационных условиях в измерительной трубе 10, и при определенных условиях в противоколебательном контуре 20, поперечных усилий. Вышеуказанные параметры, в частности, массы m15, m16, первые и вторые моменты J15x, J16x, J15x, J16x инерции массы, как и выведенные на их основании соотношения, могут далее в широких пределах быть соответственно согласованы с ними посредством фактически предусмотренного для измерительной трубы 10 номинального внутреннего диаметра DN, как и посредством предусмотренной для измерительного преобразователя монтажной длины. Измерительный преобразователь в соответствии с изобретением пригоден при этом не только для измерительных труб с малыми номинальными внутренними диаметрами DN в процессе работы, менее 10 мм, но также, в частности, и для использования в трубопроводе с калибром более 50 мм и при этом также и для измерительных труб с номинальными внутренними диаметрами значительно больше 40 мм.
Реферат
Изобретение относится к измерительному преобразователю вибрационного типа и к применению измерительного преобразователя в измерительном приборе. Техническим результатом изобретения является повышение динамической сбалансированности преобразователя в широком диапазоне плотности среды. Измерительный преобразователь содержит: периодически вибрирующую в процессе работы измерительную трубу для проведения среды, которая посредством впускного и выпускного участков трубы сообщается с трубопроводом; противоколебательный контур, который посредством образования первой соединительной зоны закреплен на измерительной трубе со стороны впуска, а посредством образования второй соединительной зоны закреплен на измерительной трубе со стороны выпуска. Также измерительный преобразователь содержит: первую консоль для создания изгибающих моментов во впускном участке трубы, который в области первой соединительной зоны жестко соединен с впускным участком трубы и с измерительной трубой, и который имеет расположенный в зоне впускного участка трубы центр тяжести; вторую консоль для создания изгибающих моментов в выпускном участке трубы, который в области второй соединительной зоны жестко соединен с выпускным участком трубы и с измерительной трубой, и который имеет расположенный в зоне выпускного участка трубы центр тяжести. Измерительный преобразователь в соответствии с изобретением применяют во встроенном измерительном приборе для измерения и/или контроля весового расхода m, плотности r и/или вязкости h протекающей в трубопроводе среды. 2 н. и 44 з.п. ф-лы, 8 ил.
Формула
а вторая консоль (16) выполняет условие
