内流式科氏效应质量流量计

技术领域

本发明涉及科氏(科里奥利)效应质量流量计。更为具体地 说，本发明涉及一种方法和设备，用以借助于测量装入较大导管 之中的较小流管之内的物料流而生成在大导管中的物料流的质 量流量信息。 存在的问题

科氏流量计直接测定通过导管的质量流速。正象在本技术领 域中，比如美国专利第4491025号(1985年1月1日颁发给 J.E.Smith等人，下面称作美国专利第4491025号)以及 Re.31450(于1982年2月11日颁发给J.E.Smith，下面称作美国 专利Re.第31450号)之中所披露的那样，这种流量计具有一根 或几根平直或弯曲外形的流管。在科氏质量流量计之中的每一构 形的流管各自具有一组固有振动模式，这引起振动模式可以具有 简单弯曲型、扭转型或耦合型。流体从入口侧的相邻管道流入流 量计，导向一根或几根流管，再通过流量计的出口侧流出流量计。 振动着的、充满流体的系统的固有振动模式部分地由流管和流管 内流体的综合质量决定。每一流管都受驱动以这些固有模式中的 一个作共振振动。

在无流动通过流量计时，沿着流管的所有的点都以相同的位 相振荡。当流体开始流动时，科氏加速度会使沿着流管的每一点 具有不同的位相。流管入口侧的位相滞后于驱动器，而流管出口 侧的位相则超前于驱动器。可以在流管上装设一些传感器以产生 表示流管运动状况的一些正弦型信号。两项传感器信号之间的位 相差正比于通过流管流体的质量流速。这种测量方法中的一个复 杂化因素是，一般的工艺流体的密度是变化的。密度的改变会导 致固有模式的频率发生变化。由于流量计的控制系统维持共振， 因而振动频率也相应地改变。在这种情况下，质量流量速度正比 于位相差与振动频率的比值。

美国专利第Re.31450号披露了一种科氏流量计，不再需要 对位相差和振荡频率两者都进行测定。位相差是靠测定两个正弦 型信号的水平跨越(level crossing)之间的时间滞后而予以确定 的。在使用这一方法时，振荡频率方面的变化消除了，而质量流速 正比于测出的时间滞后。这种测量方法此后称作时间滞后测量 法。

在先前技术中，包括Smith的在内，流管必须是刚性的。管壁 做得足够厚，以便把压力和弯曲应力保持在容许的程度上。这种 要求是很不希望的，因为厚壁会造成科氏流量计的灵敏度很低。 流管必须也足够大，以便在没有过分的阻力或压降的情况下载送 供给导管的全部物料。对于大型管道中的一般物料流来说，这会 导致不切实际的流量计尺寸和价格。同样，使用在旁路管道中而 不直接在主干导管中工作的流管的测量技术也是不切实际的。原 因是，很难产生一些条件，即旁路的物料流无论主干流路中的流 速如何都始终保持同样的与主干物料流精确相同的比例。只靠测 量旁路流量来算出主导管中的流量时，这些条件是必须具备的。

目前可供使用的科氏流量测定设备的另一问题是，它们对气 体场合的适用性有限。气体的密度较液体为小，因而，在同样的流 动速度下产生较小的科氏力。这种情况要求灵敏度较高的流量 计。换句话说，如果增大流动速度以获得同样的科氏加速度，则可 以使用具有常规灵敏度的流量计。然而不幸的是，这种替代方案 会导致灵敏度不恒定的一种流量计。 解决方案

本发明克服了以上各种问题，并在本技术领域中取得进展， 这是靠提供一种经过改进的方法和设备，用以测定经过导管的物 料的质量流量。按照本发明，大导管之中的物料流的质量流量信 息是依靠在此导管里面嵌装较小口径的流管而生成的。此小流管 由于流管内外的物料流而生成科氏加速度，作为一个科氏效应质 量流量计。这些科氏加速度是相叠加的，并可产生一种非常灵敏 的流量计。驱动器和传感器与小流管相关联，以生成导管之中物 料流里面的物料流的质量流量信息。总流量与小流管之内流量的 比值是恒定的并被确定出来。此嵌置的流量计的输出信息可以按 照流经小流管物料部分与流经导管的物料部分的对比关系予以 调整，以取得针对导管的精确的质量流量信息。

采用嵌装在大导管之内的小流管，解决了与先前的科氏流量 计相关联的上述各种问题。把小流管嵌入在大导管中的流动物 料，消除了压差问题，这是因为所嵌置的流管的内外表面均处于 与在导管中流动的物料相同的压力之下。由于消除了这种压差， 比起流管的外部处于大气压力之下的情况来，小流管可以用较薄 和不太刚硬的材料制成。一种较薄和较为柔软的流管更适于产生 有意义的科氏力。此外，没有必要阻断导管之中的流体来安装相 对来说大而昂贵的装置以测定流量。这里公布的嵌入型科氏质量 流量计对于大尺寸管道是实用的，现在可供使用的最大的科氏质 量流量计(管道直径8英寸或更大)不能经济地用于这类管道。

把小流管嵌入导管里面的物料流中克服了上述沿着流管长 度的温差问题，这是由于使得流管所有部分都处于与导管里面的 物料流温度相同的温度之下了。结果是，使用这种嵌入流管的直 管式仪器的质量流量测定方法要比以前的方法简单。

采取上述较薄和较为柔软的材料用于流管管壁可导致构成 一种更为有效的科氏效应流量计，这是因为较为柔软的材料可导 致在流管之中生成响应于给定驱动信号的较大的科氏效应。这种 增大的灵敏度使得流管可以更好地适用于象气体这样密度较小 介质的质量流量测定。

流管可以设置在雷诺数表明存在紊流的用于流量测定的导 管中任何地方。不过，在导管里面的流动成为层流时(雷诺数低于 4000)，流管应当设置在大导管的几何中心处，以便获得尽可能最 好的精度。

在第一可能的优选实施例中，设置在较大导管里面的流管由 封套围绕，此封套可以把流管的外部隔绝开来，不与流动于导管 里面的物料接触。压力调控器向封套内供给充分的空气压力，以 使流管的外表面基本上处于与流动于流管和导管之内的物料压 力相同的压力之下。从而，流管的两面保持在相同的压力之下，即 导管之中物料的压力。流管的壁部于是就可以较薄而导致质量流 量计灵敏度增大。

按照本发明另一可能的优选实施例，小直径流管嵌置在较大 导管之内，流管只在其中部由磁致伸缩驱动器支承。流管在其与 传感器相关联的两端处不受支承。传感器检测出由科氏加速度造 成的流管运动，科氏加速度则是由驱动器所施加的横向运动与流 管内外的物料流的综合效应所产生的。 附图的简要说明

图1示出本发明一个可能的典型的优选实施例的侧面局部 剖视图；

图2示出沿着图1实施例的直线2-2所取的端向局部剖视 图；

图3示出流管由于流经它的物料流的科氏效应而发生变化 后所可能取的各种各样的形状；

图4示出本发明另一个可能的典型性优选实施例的侧面局 部剖视图，此实施例适于低粘度物料的质量流速测量；

图5示出沿着图4实施例的直线5-5所取的端向局部剖视 图；

图6示出图1的导管的变化，以适应各种流动型线的变化；

图7示出图1的流管的一种改变，以增大其物料流量；以及

图8示出图4的流管由于流管中物料流的科氏效应而发生 变化后所可能取的各种各样的形状。

详细的描述

图1和2显示出导管101，在导管里面设置流管104，流管的 纵向轴线平行于导管的纵向轴线。流管104由封套103围绕。流 管104在其两端处固定于支承件119和120上，这些支承件是支 承结构105的一部分。驱动器121与流管104中段相关联，驱动器 121包括固定于流管104中心部位的磁铁121A和固定于支承结 构105上的驱动线圈121B。驱动线圈121B由经过电缆123分支 117而来自驱动器电路125的驱动电流供电，把一种横向振荡运 动施加到流管104上。包括磁铁113A和传感线圈113B的左侧传 感器和包括磁铁112A和传感器线圈112B的右侧传感器分别在 驱动器121的左侧与右侧与流管104相关联。磁铁112A和113A 固定于流管104上。传感线圈112B和113B固定于支承结构105 上。

导管101在其下表面上装有T形分支，此分支包括管段122 和连接法兰106，用于容纳流管104以及其包含流管封套103和 流管支承结构105在内的相关装置。

流量计支承结构105包括流量计基座法兰107。流管104两 端装接于流量计支承结构105的支承件119和120上，它们的刚 度足以在任何时候保持流管104的两端固定不动。

在支承件119与120之间的那部分流管响应驱动线圈121B 激励作横向振动。线圈113B和112B感知到流管的横向振动的速 度。如果没有物料流过流管，这些传感器的输出信号是完全相同 的。在物料流过振动着的流管时，除了来自传感器113B的信号现 在有一个小的相位滞后，而来自传感器112B的信号有一个小的 相位超前之外，传感器113B的输出与112B的完全相同。这些相 位变化是由科氏加速度造成的，而整个相位差正比于流管104内 部的质量流量。流管104外部的质量流量进行封套103的缘故是 检测不到的。

图3表明流管104在受到驱动器121激励而以基频振动时 的振动图样以及流管由于所产生的科氏力的结果而取的各种振 动图样。具有上部301A和下部301B的图样301表示在无物料流 动情况下由驱动器121加给流管104的振动运动。图样302和 303表示由驱动器121与所产生的科氏力的综合效应所形成的振 动图样。图样302具有上部302A和下部302B。图样303具有上 部303A和下部303B。从顶部的最大偏移处下行的过程中，在流 管的中点在横向上穿过由流管二端点所确定的直线的那一时刻， 流管具有由图样部分303A所代表的振动图样。类似地，303B是 流管从底部的最大偏移处上行过程中的振动图样。这两种图样表 示了假设流动从左向右进行时流管在零线跨越处和振幅峰值的 最左偏移。类似地，图样部分302A和302B表示了在它们在横向 上朝向顶部或底部最大点的过程中在跨越中心零点的那一时刻 流管的形状。所产生的科氏力导致流管偏移的形状在由图样303 所代表的最右偏移与由图样302所代表的最左偏移之间变化。质 量流速的函数，流管的左半与右半相对于彼此在时间上具有不同 大小的滞后。因而相对于无物料流动状况下的图样302，在各流动 状况中，流管左侧在参照平面跨越处具有不同于右侧的速度，正 如图样302A和302B的不同振幅所描绘的那样。类似地，图样 303A和303B代表了由科氏力所造成的另一种偏移极端。不同的 速度导致各传感器线圈中所产生的速度信号之间出现滞后。图3 的各图样以夸大形式画出以便于其理解。

图1中的传感线圈113B和112B检测流管的速度—当物料 流动时受科氏力影向—并把相应的速度信号经过导线116A和 116B以及电缆123传送到流量计电子装置108的检测器电路 124。电缆123穿过接管盒132和支承结构105的通道131。检测 器电路124从电缆123接收这种信号后作出反应，向信号处理电 路126输出信息，此电路126产生关于导管中的物料流动的质量 流量信息。零件140是一压力密封件，用以防止空气从封套103 里面的加压空气漏入通道131。

接管盒132具有出入口盖板133，借助螺纹接头131固定到 流量计基座法兰107的底部上，并由螺纹接头134固定到容纳伸 向驱动电路125和检测电路124的电缆123的接管上。

来自传感器113B和112B的信号116A和116B表示与传感 线圈112B和113B相关联的那部分流管104的瞬时速度。正如前 述Smith的重颁专利所指出的，这些传感器用来感知由振动着的 流管的位移所导致的流管上一些点的速度，这种位移由于当物料 流经流管时科氏力与驱动器121振荡运动的综合效应引起。表示 流管104相应两部分相对于彼此的运动之间的时间差△t的信号 116A和116B提供给检测器电路124然后再至信号处理电路 126，此电路生成在导管101里面流动的物料的质量流量信息。检 测器电路104和信号处理电路126产生关于流经流管104的物 料的质量流速信息。不过，由于导管101中的那部分物料与流经 流管104的那部分之间的关系是已知的，信号处理电路126就可 利用这一关系，生成代表在导管101中流动的全部物料的质量流 量信息的信息，并提供给导线127。

封套103围绕着流管104，把流管104与在导管101中流动 的物料隔绝开来。在导管101中流动的物料粘度会使得它同流管 104外部的直接接触可能对于由所产生成科氏力所加于流管104 的运动产生不利影响的各种场合下，这样作是很必要的。希望的 是：这种科氏运动尽可能大，以便获得有意义的测量结果；此外， 它还不会受到围绕着流管104的流体的粘度的影响。如果流管 104的科氏运动受到导管101中流动的物料的粘度的影响，情况 就不会是所希望的这样了。封套103把流管104与导管101中流 动的物料隔绝开来。

封套103由压力调控器109加压，调控器109的空气出口经 由压力平衡管110连通到包括流管104外部与封套103内面之 间的空间的腔穴。压力平衡管110从压力调控器109的出口伸 出，并按照图1所示上行穿过支承结构105而达到围绕着流管 104外部的空隙。压力调控器109从传感器111经过路径115获 取关于在导管101中流动的物料压力的输入信息。压力调控器 109从传感器111接收这一压力信息，经由压力平衡管110提供 输出压力，对封套103的内表面施压，使得围绕着流管104外部 的基座与在导管101中的流动的物料处于同样的压力之下。由于 在导管101中流动的物料的一部分也以同样的压力流经流管 104，所以流管104的管壁内外处于基本上相同的压力之下，因而 在流管104的内外壁面之间存在接近于零的压差。

封套103的形状和尺寸使得流管104可以不受干扰地并不 受在导管101中流动的物料的粘度的影响而作横向振荡。由于流 管104的内外壁面之间存在零压差，所以流管可以用较薄材料制 成以使测量灵敏度增大。

如果需要的话，可以把微粒滤网102设置在流量计上游的导 管中，以便从流动物料中清除具有潜在危险的颗粒。

流量计电子装置108并未详细画出，因为这些细节不属本发 明的一部分。如果需要的话，流量计电子装置108可以包括质量 流速电子元件20，此元件在1989年11月14日美国专利第 4879911号的图1、2和3中有详细说明，此专利授于Michael J.Zolock并转让于本发明的受让人。Zolock专利中的温度信息 由温度传感器140经过伸向图1中检测器电路124的路径195来 提供。

图4和图5

图4和图5描述本发明的另一项示例性优选实施例，这适于 涉及到对低密度和低粘度物料，比如气体等类似物料，从事质量 流量测定的各种场合。它类似于图1的示例性实施例，只有几点 例外。图4和5的实施例画成一段导管401，在导管401内部嵌进 质量流量计400。这一段导管可以配装在供应导管(未画出)的适 当管段上。象图1那样，流管404设置在流经导管401的物料里 面。流管404在其正中处由磁致伸缩驱动器418支承，此驱动器安 装在流量计支承结构405的支座414上面。磁致伸缩驱动器418 除了支承流管404之外，还使流管404以其固有共振频率在其中 点处发生横向振荡。流管的两端由于驱动力所激发的振动可以自 由地上下振动。

磁铁112A和113A固定于流管404的各端。在每个磁铁的 下方，传感线圈113B和112B安装在支承结构419和420上面。 流管404的两端由于磁致伸缩驱动器414所施加的力而上下振 荡。传感线圈113B和112B可检测磁铁112A和113A在它们的 速度由于振动力和科氏力而随时发生变化时的速度，并生成正比 于此速度的电压信号。只由磁致伸缩驱动器418所施加的力而造 成的流管基准(无流动)振荡类似于载荷作用下挠曲的梁。在物料 在流管中流动的情况下，所生成的科氏力会与振动着的流管里面 的质量流速成比例地改变两个偏移量之间的时间关系。这一点以 夸大试画出在图8之中了。基本上类似于图3，描绘出来的各种形 状表明没有和有通过流管404的流动时在其上下运动期间，在参 照平面跨越的那一时刻的流管形状。

在图4的示例性实施例中，由于低粘度物料(气体或液体)在 导管401中流动，图1的封套103以及相关的压力平衡装置就不 需要了。低粘度物料不会显著地影响流管的振荡，因此就不再需 要流管封套。作用在流管内外壁面上的压力本来就是相等的。这 一点容许使用具有较薄壁部的流管404和需要较低的驱动力。

驱动电路425、检测器电路424以及处理电路426的工作方 式类似于图1中的各对等电路，用来驱动流管404，并测定其科氏 运动，以生成关于导管401之中质量流速的信息。元件440是压 力密封件，防止加压的物料从导管401流向通道441。

图8

图8以夸大方式表明由驱动器414以流管基本共振频率驱 动的流管404的一种振动图样，以及由所生成的科氏力造成的流 管的各种振动图样。图样802具有上部802A和下部802B。图样 803具有上部803A和下部803B。在流管自顶部向下运动期间，在 流管中心处于其运动中心的那一时刻，流管具有由803A表示的 振动图样。803B是在流管从底部位置向上运动期间的振动图样。 假定流动从左到右进行，这就表示流管振幅峰值的最右偏移。类 似地，图样部分802A和802B表示在其朝向顶部或底部最大点横 移期间的流管形状。受驱振动与所生成的科氏力相结合会导致流 管在某一给定点上的偏移的形状随时间在由图样803所表示的 最右偏移与由图样802所表示的最左偏移之间变化。如这些图样 所示，由于科氏力的缘故，流管左和右端相对于被此自参照平面 804起具有不同大小的时间滞后。因而，与表明无流动状况的图样 802相反，在流动状况下，流管左端速度不同于右端的速度，如图 样802A和802B的形状所示。图样部分803A和803B表示在另 一半振动循环期间由科氏力所导致的另一偏移极端。科氏力造成 了流管两端速度之间的这种时间滞后，如图样802A和B以及 803A和B所示。速度差可由线圈112B和113B的输出信号之间 的时间滞后表示。这种信号以类似于图1中所描绘的方式被发送 至检测器电路424。

图6表明本发明的一项实施例，其中导管601具有相对于导 管其余部分来说直径增大的一个中段。此中段的侧面是半圆形 的，与围绕着设置于导管601之中的流管604的半圆形封套603 相配。导管601、流管封套603和流管604在大多数方面分别类似 于导管101、封套103和流管104。封套603的顶部和底部在外形 上都是半圆的。导管601的中段比起导管的其余部分来具有稍大 的直径，并且外形做成半圆的，以便匹配流管封套603的半圆外 形。导管601的这一加宽段会使物料容易通过导管601和使物料 流绕过流管封套603。具有较大直径的这一段提供了一条绕过流 管封套603的流动通道，比起导管具有不变直径的情况来，其阻 抗较小。直径增大后的面积抵销了封套603所形成的物料流动阻 抗。这就使得导管601里面的物料流作为层流绕过物料流转向绕 过流管封套603的那些部分。

图7表明在其左端具有漏斗状开孔701的流管704。流管 704可以设置在象图1中导管101那样的流动导管里面。漏斗状 端部701的目的是，当流管设置在像导管101或601那样的较大 导管之中时，增大通过流管704的物料流的数量以及流动速度。 漏斗段701右侧的虚线表示一个象图6中封套603那样的封盖 板。如果需要的话，流管704可以设置在一个象601那样具有直 径增大的中心段的导管里面，以便保持绕过流管704侧面附近的 层流的物料流。由端部701所形成的被增大的流动速度会提高流 管对于科氏力的灵敏度。

显然可以理解的是，所申明的本发明不应局限于优选实施例 的说明，而是可以包括处于本发明原理的范围和精神之内的其他 各种修改和变更。因而，检测器112、113可以具有包括光学型、位 置型、加速度型或速度型在内的任何适当类型。驱动器121可以 具有任何适当的电磁型式。