本发明涉及科里奥利式质量流量计，具体地是涉及采用振动导管的质量流量计。

根据测量通过管线传送的物料数量的需要，从多种设计原理发展出好多种型式的流量计。一种用得比较广的型式是根据容积流量计原理设计的，这种容积流量计在确定传送物料的数量方面最好的也是不准的，因为物料的密度随原料的温度而改变，或者是泵经管线的流体是多相的，诸如浆状物，又或者该流体是非牛顿流体，诸如蛋黄酱及其他食物。在石油领域里，所谓“监控传输“Custody    transfer”）要求对通过管线传输的石油或汽油的准确数量有精确的测量。油价越高，流量测量不准所付的代价越大。再者，化学反应实际上是质量反应，比仍是关键的，用容积流量计效果就差。

这些问题认为是用质量流量计可以解决的，它提供直接得多的通过管线传送的物料数量的指示-理论上可达分子等级。测量在活动流中的质量要求将一个力施加到该活动流中并检测与测量所产生的加速度的一些结果。

本发明是关于一种直接测量质量的流量计-在本领域内称为科里奥利效应流量计-的改进。科里奥利力呈现在在一个旋转表面上的物质的径向运动里。想像一个平面表面以恒定角速度围绕一根垂直地与该表面相交的轴线旋转。一个物质以看起来是一个恒定直线速率在该表面上径向向外运动，实际上是沿切线方向加速。速度的变化意味着该物质被加速。该物质的加速在旋转平面上产生一个反作用力垂直于该物质的瞬时径向运动。用矢量术语来说，科里奥利力矢量是角速度矢量（平行于旋转轴线）与沿该物质相对于旋转轴线的运动方向（例如径向）的速度矢量的矢量积。将该物质视作一个人在一个转台上走动，反作用力就会显示出来，那人就会向一侧倾侧以抵偿加速度。

科里奥利效应在质量流量测量中的实用性早就认识到。如果一根管子绕一根跟该管子正交的枢轴线旋转，流经这管子的物料是一种径向运动的物质，因此它就经受加速度。科里奥利反作用力呈现为管子沿着在旋转平面里科里奥利力矢量的方向偏移或偏置。

现有技术通过旋转来诱发科里奥利力的质量流量计分成两类：持续旋转式与振动式。这两种型式的主要功能性差别在于该振动型式不同于持续型式，具有周期性地（即，常常是正弦地）变化的角速度，结果产生一个能级持续变化的科里奥利力。再者，振动装置一个主要困难在于科里奥利力的作用不但比起驱动力来而且比起外来振动来是比较小的。另一方面，一个振动装置可利用管子本身的弯曲弹性作为振动枢纽或支点，因而排除了分开的旋转接头或挠性接头。

现有技术的科里奥利效应质量流量计遗留下来的问题是它们对外来振动太敏感，对进行振动的导管段要求精确的平衡，占管线太大的轴向长度并在导管挠曲点上产生不适当的应力并导致疲劳，或者在振动导管上不能提供合适的机械基板。

本发明总的目的是要通过优选这种流量计的最佳总体设计来改进科里奥利式质量流量计的性能。一个更特定的目标是要消除或减少现有技术质量流量计的一些缺点使它们变成更可靠，更紧凑与及对外来负荷的干扰不那么敏感，当然还要更精确，不会不适当地增加这流量计的复杂性或制造成本。

本发明的这些以及其他目的是通过在这里公开的特点的各种组合来实现。一个刚性中央块体或支座支撑着至少一个通过该块体连接到流量计同轴出入口的导管的环路。环路本身的入口和出口端最好通过相互靠近设置的、并且它们的靠近端刚性地连接到块体上的相应的直的平行导管腿连接到块体上。环路包括一段最好是垂直于入口与出口腿的直线段。但是，接普遍情况来说，平行的入口/出口腿应当基本上垂直于直线段在由腿界定的平面上的正交投影上。直线段的相应端头通过侧段或侧瓣连接到入口与出口。在一个实施例中，侧段是倾斜的和是直的，构成一个像一个衣架的总体构形，除了平行的入口/出口腿以外。提供了驱动装置用来振动直线部份使其绕垂直平分线前后振动，这平分线最好是环路的对称轴线。在或靠近直线段相对端采用的附加位置检测器的检测装置用来检测该振动段的位移，产生对应的包含一个驱动分量与一个科里奥利分量的附加传感器输出，这些输出代数结合以产生一个科里奥利相关项。提供了用来控制这些驱动装置使其间的直线段围绕它的垂直平分线振动的控制装置。提供了测量装置来测量由在导管的进行振动的那部分里的质量流所引起的科里奥利力的大小。还提供一个信号处理电路以接受传感器输出来从其中还原出一个分量-驱动分量或科里奥利分量。信号处理电路包含一个检测电路以接受从该信号处理电路来的经还原的科里奥利分量并具有一个象征质量流的输出信号;这检测电路包括至少一个同步解调器用来接受经还原的科里奥利分量与一个跟驱动分量有90°相位差的基准信号并具有一个象征质量流的输出信号;这信号处理电路从两个传感器输出中还原出驱动分量并包括一个90°相位差基准信号发生器用来接受经还原的驱动分量并具有一个跟驱动分量90°异相的输出90°相位差基准信号;还包括一个导出电路的微分器，其输入端接受经还原的驱动分量，而其输出则形成输入到振动驱动装置的驱动分量;还包括一个驱动信号发生器，它对微分器的输出起反应产生一个输出到振动驱动装置的驱动信号，与及一个可变增益控制电路设置在微分器与驱动信号发生器之间;这振动驱动装置包括一个连接在每一导管段每端的驱动器，驱动信号的附加形式加到每一导管段相对端的附加力驱动器上，导出电路还包括有一个可变幅度控制电路。

还提供了一种具有至少一个振动导管的科里奥利式质量流量计的信号处理与控制方法，它包括振动环路导管的一段的步骤，检测该段的相应端头的位移并产生两个对应的包括一个驱动分量与一个科里奥利分量的附加传感器输出的步骤，和从两个传感器输出中还原其中至少一个分量的步骤。有两个环路时振动另一条环路导管段使之与第一段同步，并同样检测其附加传感器输出与还原其中的分量。还原一个分量的步骤是通过将两个传感器输出相加或相减来抵销另一个分量来实现的。从经还原的科里奥利分量中导出一个象征质量流的输出信号，是通过用一个跟驱动分量有90°相位差的基准信号来同步解调这经还原的科里奥利分量信号来产生的，这同步解调的基准信号是从两个传感器输出还原出的驱动分量所发生的，跟还原出的驱动分量90°异相。从经还原的驱动分量导出的、相当于其一次导数的驱动信号控制每一导管段的振动。驱动信号的附加型式相应施加到每段的相对端的附加力驱动器。

在本发明的另一方面，附加双驱动装置设置在直线段的相对端头并将围绕垂直平分轴线的振动运动传给直线段。直线段的中间部分这样就处于自由状态。在最佳实施例里，相应的驱动装置与位置检测器设置在沿着环路约在相应同一位置上以驱动和检测同样形式的运动。

在最佳实施例里并作为本发明的另一方面，一个平行于第一环路的第二环路以同样方式支撑在同一块体上。第二环路最好是跟第一环路完全一样并处在一个靠近的跟第一环路平面对称的平行平面里，所有的驱动装置、位置检测器以及控制装置与测量装置都跟第一环路完全一样地配置，工作方式与功能也完全一样。块体内部开槽作为集合管并连接到生产管线上。进入的流体进入一个开口通过块体的进料集合管通到两个环路的至少一个入口端。两个环路至少一个出口端开口通过块体通到一个重新接入管线的出口集合管。块体这样不但作为每一个环路的机械基体同时也作为一个集合管。块体下面开一个槽让环路的直线段自由通过。块体的槽可以开成将两个环路的出入口端组合连接，使环路连接成串联流或并联流形式，而且串联流块体跟并联流块体可以互换。在两个环路里的流向最好一样。

在最佳实施例里，环路是180°异相驱动。给出一条平行于两段直线段并在它们之间的中央的中心线，两个环路的两段直线段的相应端头同时朝向或同时背向中心线移动。每个环路的运动转化为将相应环路连接到集合管块体的直的平行腿的扭转挠曲而被吸收掉。合在一起，两个环路跟集合管块体形成一个音叉组合。两个环路的运动会在块体上抵销掉，而块体的惯性会将环路跟外来振动隔离开。将环路管焊到一块离开集合管设置的隔离板上就能实现进一步的隔离。

环路的平面的取向可以跟生产管线垂直或平行（顺列）。在垂直取向中，在直线段端头的驱动器与检测器组件最好是支撑在从集合管块体悬臂伸出的方向相反的支撑臂的端头上。沿生产管线方向的流量计轴向长度可以做得很短，对一英寸管道来说这个长度约为一英尺。对其他的取向，例如，每个环路的平面跟生产管线平行，驱动器/检测器组件可以支撑在跨在生产管线上的类似的悬臂上。虽然顺列结构可能降低流量计对某些情况的振动的敏感性，换来的是流量计轴向长度的增大。

图1是本发明的双环路、双驱动、中央集合管、科里奥利（Coriol-is）效应质量流量计的斜等角投影图。

图2是带并联流道集合管块的图1的流量计的平面示意图。

图2a是类同图2的带串联流道集合管块体的流量计的平面示意局部图。

图3是图2的装置从线3-3往里看的侧面示意立面图。

图4是图1的装置的较详细的侧面立面图，中央集合管组件剖开以显示入口与出口室。

图5是沿图4线5-5剖开往下看的平面剖视图。

图6是中央集合管组件的侧立面图，管子与支撑臂沿图4线6-6剖开往里看。

图7是本发明的双环路、双驱动科里奥利效应质量流量计一个顺列实施例的平面图，环路平面平行于生产管线。

图8是图7装置的侧面立面图。

图9是图1与图7装置的三种运动模式的示意表示图。

图10A与图10B是分别经受扩大扭转同平面挠曲的双节板与单节板的对比示意表示图。

图11A与图11B是扩大扭转挠曲作用到分别在垂直与顺列实施例中接到铸件16的管线上的效应的对比示意表示图。

图12是图1与图7的垂直与顺列实施例所带的驱动器与检测器的电路方块图。

图13与图14是不同环路构形的分别的示意透视与平面图。

一种特定管形结构在此按两个取向描述，与生产流道的方向、亦即在流量计插入其内的管线的直线段的物流的方向垂直与顺列的方向。这里所例举的实施例是为输送各种产品包括例如石油基燃料的一英寸管线而设计的。本发明当然适用于同样的或不同的应用中的很多其他特定的设计里。

图1.例举了一种双环路、双驱动器/检测器装置，连接到跟生产流道顺列连接的一个单体坚固的中央集合管上的管子端头带扭转负载。同样的实施例显示在图1、2与3到6中，图4到6提供更详细的细节。

图1的质量流量计是设计用来插入在管线10中的，这管线拆掉或保留一小段留给流量计安装。管线10配有带孔法兰12跟焊到短管段10′上的安装法兰14配对，管段10′连接到一个支承着两个平行平面环路18与20的结实的中央集合管块体上。环路18与20的构形相同，因此对环路18的描述对环路20也适用。集合管块体16最好是一个整体的长方块的铸件，具有一个平的水平上表面或顶部16a和成整体的管段10′。环路18的端头包含直的、最好是垂直的平行出入口段或腿22，牢固地用例如对焊的方法固定在集合管顶部16a上，相互靠得很近。环路18的底部是一个长的直线段26，自由地通过在铸件16底面的一个凹槽28。在环路18底部的长直线段26跟直立腿22与24分别用斜段30与32连接起来。环路18的各直段之间的四个接合处用大半径转角圆滑连接以提供尽可能小的流阻。具体来说，直立腿22与24分别通过顶转角34与36跟相应的斜段30与32连接。长直底段26通过下圆滑转角38与40跟斜段30与32的相应端连接。

两个环路18与20的平行入口/出口端22、24穿过一个相应开孔隔离板或节板41，这节板平行于表面16a并相距一个预定的距离，例如在一个一英寸管子实施例中就是0.825英寸。这节板起一个应力隔离挡板的作用并形成一个公共机械基板给每个环路。

用节板41作为机械基板跟铸件16相比有一个优点，节板跟入口/出口腿22、24之间的连接完全是在板上下表面上的外圆焊接，形成环绕每一腿的两个外环。对比之下，管端头跟铸件16上的凸台的对焊接头内部暴露于生产过程中的流体，如果这些焊接头是经受经常反向扭转应力，这流体就会比较快地腐蚀焊接头。

集合管铸件16内部加工成槽状使进入的流体流分成并联两路给环路18与20的直立腿22，如图2所示。从直立腿24出来的流体合起来转向流量计的出口回到管线10内。环路18与20就是这样在流动方式跟几何方式上都是并联连接的。

图2A是一种变型，集合管块体16′内的槽修改成使环路成串联。块体16与16′在不同情况下是可以互换的。

图4与图5示出集合管铸件16。一对平行于生产管线的偏置的交叠槽42与44通过大一些的偏置开口46与48分别连接到成整体的入口与出口管段10′。槽42与44分别跟流量计的入口与出口接通，形成输入与排出集合管。一对垂直相距布置的孔口52穿过铸件16将环路18与20的进口腿22跟槽42形成的输入集合管连接起来。同样，一对垂直相距布置的孔口54将环路18与20的出口腿24跟槽44形成的排出集合管连接起来。如图4与图6所示，两对直立腿22与24的端头对焊在跟铸件整体铸出并分别跟孔口52与54同轴的空心锥形凸台56上。

电驱动器/检测器组件独立地支撑在坚固的相对臂60与62的外侧端头上，这相对臂呈T型梁状，通过盘状安装法兰64牢固地装在集合管铸件16的相对面上。法兰64跟铸件可如图5所示那样成键状配合以获得特佳的稳定度。悬臂60与62在两个环路18与20的平面之内平行伸展，悬臂的垂直板件在转角38与40之间通过，两个环路的驱动器/检测器就装在此处。

在每个悬臂60、62上面的端头设置了两个完全相同的螺管型驱动器组件70，用驱动器夹子72固定就位。每个驱动器包含一对螺管线圈和极块74，对焊在下转角38、40两对侧上的铁磁片76起作用。因此，有8个独立的驱动器，每环路18、20每端一对。每个驱动器将反复的侧向运动传给铁磁片76之间的管子。

给同一根管子相对端的驱动器对通以大小相同极性相反（180°反相）的电流，导致直线段26绕共平面的垂直平分线79旋转，平分线跟管子相交于c点，如图1所示。因此驱动旋转最好是在一个围绕着c的水平面里。两个环路的直线段的垂直平分面最好是在图1中两个环路的对称公共平面上。

将附加驱动器70的励磁电流反复倒相（例如，正弦控制）使环路18的直线段26实现一个绕着c点在水平面上的振动运动。每个直线段26的运动扫出一个蝴蝶领结形状。环路在转角38与40处的整个侧向偏移是小的，对一个一英寸管子的两英尺长直线段26来说约为1/8英寸。这个位移传到直立平行腿22与24处成为绕腿22与24的轴线并在节板41开始的扭转偏转。同类型的振动运动也通过其他的分别支撑在悬臂60与62上面外端的相应附加驱动器对70在环路20的直线段内诱发。

T形梁的中间垂直部分分别伸展在两个环路18与20的转角38与40之间，并在悬臂60与62的相应端头处将检测器组件80支承在夹子82上。四个检测器组件80的每一个包括一个位置、速度或加速度传感器，例如一个可变差接变压器，它具有一对装在不动的夹子82上的线圈和一个装在管子转角38、40上的在线圈间的活动零件。这活动零件按图示那样连接到焊在环路的转角38、40上的一个小片上。常规的光学的、电容性的或线性可变位移传感器（LVDT）可以代用。位置检测器最好有一个对在有限的偏移范围内的位移是线性关系的输出，并且这输出对相对于相应环路平面实质上歪斜的运动相对地不敏感。但是，检测器的实施只是设计选择的问题，并不构成本发明的一部份。

环路18的驱动器检测器组件副70、80以A与B标示，对应于环路18直线段26的相对端。同样，其他一个平行环路20的驱动器/检测器组件以C与D标示左右端（从图面上看）。

同样的平行环路的结构转一个90°的另一实施例示于图7与图8。这里，环路18与20的平面平行于生产流体流向设置。将安装法兰连接到多少有点简化了的集合管铸件16的顺列管段10″伸展（或接到另一管段）通过环路18与20一边的全长。环路的运动及节板与驱动器/检测器组件的放置跟图1的垂直实施例相同。但是，在图7与图8的顺列实施例内，驱动器/检测器组件臂60′与62′，如果需要，可在全长上支承在相应的管段10″上。在图7与图8中环路18与20间的平行流径跟图1的实施例相同。集合管铸件16″的开槽多少有点不同，集合管42′与44′垂直于同轴的入口/出口管线。

图9示出垂直或顺列实施例的环路18与20的直线段26的运动的三种模式a、b与c。驱动模式b是绕点c振动，两个环路同步但反向旋转，即当环路18顺时针方向旋转时，环路20是逆时针方向旋转。因此如图9所示的例如A与C这样的相应端部周期性地靠近及离开。这种型式的驱动运动诱发相反方向的科里奥利效应，如图9的a所示。科里奥利模式运动这就会相应摆动环路18与20的整个平面，但朝相反方向。当两个直线段26如图9的a所示那样平行的时候科里奥利效应最大，因为按正弦变化的角速度当时是最大。因为每环路的科里奥利模式运动是朝相反方向，直线段26如图9的a所示那样稍为相向或相背运动。一种共模运动，这是本仪表不希望有的，它的环路如图9的c所示那样朝同方向偏转。这种类型的运动可由图1实施例中管线本身内的轴向波所产生，因为环路的取向是垂直于管线的。图7与图8的顺列实施例可能不那么容易受这类型的外来振动所损伤。

科里奥利运动与共模运动的共振频率应决定于设计结构不同于直线段振动运动的共振频率，亦即驱动模式运动的共振频率。

图1的节板41位移得离铸件16越远，驱动模式的环路的共振频率越高。但是节板41离铸件16越远，节板也会减小科里奥利效应位移。可用两块节板41a与41b如图10A所示那样将相应的环路端头连起来。但是如图1与图10B所示那样用一块整板可提供更好的隔离。在两种情况下，当一整块节板或两块节板跟集合管的距离增大，流量计变成对科里奥利模式不那么灵敏，并且对同样的管子构形需要更大的驱动力。

图7与图8的顺列型式比图1的垂直型式有一个可能的优点，这在图11A与图11B中说明。在环路垂直于生产管线的流量计中，加在铸件16上的扭转应力会由于面16b受张力而面16c受压力将连接生产管线的面歪扭而使铸件轻微变形。当集合管铸件16弯曲量小于图10A与图10b的节板时，会产生如图11A所描绘的管线的横向振动。顺列结构可能不那么敏感，这是由于管线是连接到面16b与16c，它们是比其他两面较平行地弯曲的，如图11B所示那样，当然铸件扭转应力的大小在两种情况都会由于使用节板（一块或多块）而降低。

如图12所示，传感与控制设计采用双传感器与双推动器对应于每个环路的端头。对环路18，在下转角38与40的位置A与B被相应的传感器和推动器所点据。同样，在环路20的下直线段的端头的位置C与D被相应的传感器与驱动器所占据。四个位置传感器，最好是可变差接变压器，是由一个从振荡器100产生的30千赫的正弦波激励。变压器线圈的输出由相应的振幅解调器102解调并馈给图示的和差电路。在这点上，传感器A的输出电压将是：V＝ADsinωt+Accosωt传感器B的输出将是：V＝-ADsinωt+Accosωt正弦项代表驱动模式运动而余弦项则是跟正弦项90°异相，代表科里奥利模式运动。这些电压信号之差（DRV1）将驱动信号加倍而对消了科里奥利项。这些电压信号之和（COR1）将科里奥利项加倍而对消了驱动信号。从微分器104出来的驱动项DRV1的微商将信号转化为余弦用以作为驱动信号。一个同样的正弦驱动模式项（DRV2）从环路20的位置传感器C与D导出并且，如有需要，跟从环路18导出的驱动模式项在锁相伺服装置106内进行比较。从电路106出来的误差信号给相控器108用作控制信号，在需要时加回去一点正弦分量到微商项里用来转相。正弦驱动模式项DRV1通过一个振幅伺服装置110跟一个直流基准信号比较并馈送到增益控制放大器112来调整送到驱动器70的驱动信号的振幅以保持驱动输出项的平均振幅恒定。可在驱动电路的输出端改变并简单地监控与比较正弦驱动模式顶的振幅而不用振幅伺服装置110。

将相位与增益调整信号从微分器104出来的驱动模式阻尼信号进行比较并通过加法器114和一个放大器馈送到环路18上的力驱动器A。如有需要，加法器114加进一个科里奥利模式项的和一个共模的阻尼项。科里奥利模式阻尼用余弦项COR1与COR2按科里奥利共振频率的相对方向的科里奥利模式来推动以对由于例如流体流离心加速度所引起的科里奥里模式运动的虚假的增大起反应。

共模阻尼的提供是由将从相应环路来的反的科里奥利项COR1与COR2加起来看看它们是否在相反方向，即是否它们是相等的并且是相反的。这项是在加法器114内的驱动信号补偿之前加到科里奥利项上。

力驱动器B的信号用完全相同的方法导来，只是该驱动模式信号是反相的。环路20上的驱动器C与D的驱动信号是用相应方式同样地导出来的。

设计来追踪科里奥利模式运动的输出信号的导出是将科里奥利项的幅度加起来，并用90°异相的驱动模式运动信号去产生一个90°相位差的基准信号116用于将科里奥利项跟驱动信号的相位比较的同步解调器118。解调器118的输出通过一个低通滤波器以消除噪声。经同步解调这一步消除了跟驱动信号同相的分量使科里奥利项净化。

虽然在本发明范围内的一些组合与应用里需要共模阻尼与两环路之间的锁相，但是这些结合特点在图1的实施例的原型中发现并不是必需的，这是因为共模运动与两个环路之间的相位差在实践中可忽略。

环路的总构形不限于详细描绘的实施例的“衣架”式结构。也可以用其它的结构形式来体现振动直线段的原理，这直线段的端头通过侧段或侧瓣连接到相应的平行的入口/出口腿L1与L2，这些腿接近垂直于直线段s在腿所在的平面上的正投影s′，如图13所示。衣架式结构是作为图13设计原理的一个特定例子。

图14示出另一个体现本原理的基本上是平面的环路结构。宽度A、直线段B、高度C与半径R的参数可以改变来实现不同的工作特性。

本发明以及前述的实施例的优点是很多的。具体来说，每个环路的独立控制的双驱动装置消除了在轴线80上用一个单一的振动驱动装置可能发生的沿直线段26的长度的不平衡与挠曲，并允许两端分开控制以改善该运动。检测器在驱动器得到矫正这就保证了该装置驱动和检测出正确的模式。构形的总的对称性增加它的稳定度。刚性的中央集合管跟节板一起作为机械基体，同时，经受附加扭力的两对直腿22、24跟刚性块体结合在一起呈现一个音叉效应，降低了块体本身的振动。由于环路的正交取向，图1-6的流量计所占的轴向管线的长度减到最小，如图2所示的长度L。在图7与图8的另一构形中，虽然沿管线占的长度L′大得多，但是流量计的伸展，即其横向宽度w′大大减小，如图7所示。图7与图8的顺列实施例还能比垂直型式更好地消除零点偏置，即当流体流停断的时候。

直线段26的振动在每端上呈现的总的直线位移远比管段的直径小。事实上，在成功的原型里，偏移约为管路直径的10%左右。

上述的实施例只为了说明，并不带限制性。例如有需要的话环路的取向可转90°使长直线段26呈垂直向。事实上环路可能有很多种取向而并不会影响流量计的工作。虽然这装置的对称性可以改度，但是还是希望保持对称，因为它允许将部件倒转而不影响仪表的工作。不影响总体结构，在低流率的条件下这流量计只要简单地装上并联或串联集合管就可以提供按图所示的并联流体流环路或串联流体流环路。再者，臂60与62不是必不可少的，检测驱动组件可以直接装到环路本身上面，虽然这样做会对共模运动敏感一些。这些所涉及的推挽式驱动装置也不一定必需如此，因为传递振动运动的其他适用的装置也可满足要求。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对例举的实施例进行很多其它的修改及/或增减。本发明的精神与范围显示在所附的权利要求中。