紧凑的振动型流量计的制作方法

专利2022-06-28  119


本发明涉及流量计,并且更特别地涉及紧凑型流量计和相关方法。



背景技术:

振动传感器(诸如,例如振动密度计和科里奥利流量计)是公知的,并且被用于测量质量流量和与流过流量计中导管的材料相关的其他信息。美国专利4,109,524、美国专利4,491,025和re.31,450中公开了示例性科里奥利流量计。这些流量计具有笔直或弯曲构型的一个或多个导管。例如,科里奥利质量流量计中的每个导管构型具有一组固有振动模式,这些模式可以是简单的弯曲、扭转或耦合类型。每个导管可以被驱动以在优选模式下振荡。

材料从流量计入口侧的连接管道流入流量计中,被引导通过导管,并通过流量计出口侧流出流量计。振动系统的固有振动模式部分地由导管和在导管内流动的材料的组合质量限定。

当没有流通过流量计时,施加到导管的驱动力使沿着导管的所有点以相同的相位或小的“零偏移”振荡,零偏移是在零流量下所测量的入口和出口之间的时间延迟。当材料开始流过流量计时,科里奥利力使沿着导管的每个点具有不同的相位。例如,流量计入口端处的相位滞后于居中的驱动器位置处的相位,而出口端处的相位领先于居中的驱动器位置处的相位。导管上的敏感元件(pickoff)产生代表导管运动的正弦信号。对从敏感元件输出的信号进行处理,以确定敏感元件之间的时间延迟。两个或更多敏感元件之间的时间延迟与流过导管的材料的质量流率成比例。

连接到驱动器的仪表电子器件生成驱动信号以操作驱动器,并且还根据从敏感元件接收的信号来确定过程材料的质量流率和/或其他性质。驱动器可包括许多公知的装置中的一种;然而,磁体和相对的驱动线圈已在流量计工业中获得了巨大成功。交流电被传送到驱动线圈,以用于使导管以期望的导管振幅和频率振动。在本领域中还已知将敏感元件设置为非常类似于驱动器装置的磁体和线圈装置。然而,当驱动器接收到感应出运动的电流时,敏感元件可以使用由驱动器提供的运动来感应出电压。由敏感元件测量的时间延迟的幅度非常小;常常以纳秒为单位进行测量。因此,有必要使换能器输出非常准确。

现有技术的流量计通常利用两个导管,每个导管具有圆形横截面积。为了测量科里奥利力,通常在导管中形成弯曲,这使得流量计的占地面积相对于其中安装流量计的生产线相当大。

因此,在本领域中需要一种方法和相关设备来减小流量计的轮廓。需要一种方法和相关设备来保持最小流体速度,使得可在仍然紧凑的流量计中的大范围的流率下获得准确的流量测量结果。

本发明克服了这些和其他问题,并且实现了本领域的进步。所提供的传感器被设计成紧凑、有效地使用具有给定圆形横截面积的外壳内的空间。此外,传感器沿着中心线保持平衡,并且独立于外壳起作用,因此消除了对笨重、昂贵和被高度阻尼的外壳的需要。



技术实现要素:

提供了一种具有流入口和流出口的流量计。具有入口支管的第一导管流体联接到中心导管部分,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。具有入口支管的第二导管流体联接到中心导管部分,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。流入口流体联接到第一导管的第一端和第二导管的第一端,且流出口流体联接到第一导管的第二端和第二导管的第二端。歧管流体联接到入口支管和出口支管。驱动器联接到歧管,其中,驱动器可操作以使第一和第二导管振动。

提供了一种具有流入口和流出口的流量计。具有入口支管的第一导管流体联接到中心导管部分,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。具有入口支管的第二导管流体联接到中心导管部分,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。流入口流体联接到第一导管的第一端和第二导管的第一端,且流出口流体联接到第一导管的第二端和第二导管的第二端。入口支管包括第一横截面轮廓,并且中心导管部分包括不同于第一横截面轮廓的第二横截面轮廓。

方面

根据一个方面,流量计包括流入口、流出口和第一导管,该第一导管具有流体联接到中心导管部分的入口支管,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。具有入口支管的第二导管流体联接到中心导管部分,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。流入口流体联接到第一导管的第一端和第二导管的第一端,且流出口流体联接到第一导管的第二端和第二导管的第二端。歧管流体联接到入口支管和出口支管。驱动器联接到歧管,其中,驱动器可操作以使第一和第二导管振动。

优选地,流量计包括联接到歧管的第二驱动器。

优选地,驱动器包括联接到第一导管的第一驱动器部件和联接到歧管的第二驱动器部件。

优选地,附加的第一驱动器部件联接到第二导管。

优选地,附加的第一驱动器部件联接到第二导管,并且附加的第二驱动器部件联接到歧管。

优选地,第一和第二导管被配置成围绕相应的弯曲轴线沿相反的方向被驱动。

优选地,第一和第二导管在整个流体流动路径中保持恒定的横截面积。

优选地,第一和第二导管在整个流体流动路径中保持恒定的横截面水力直径。

优选地,第一和第二导管被配置成在x、y和z平面中对称。

根据一个方面,流量计包括流入口和流出口。具有入口支管的第一导管流体联接到中心导管部分,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。具有入口支管的第二导管流体联接到中心导管部分,其中,中心导管部分进一步流体联接到出口支管。流入口流体联接到第一导管的第一端和第二导管的第一端,且流出口流体联接到第一导管的第二端和第二导管的第二端。入口支管包括第一横截面轮廓,并且中心导管部分包括不同于第一横截面轮廓的第二横截面轮廓。

优选地,流量计包括流体联接到入口支管和出口支管的歧管。

优选地,出口支管包括不同于第一和第二横截面轮廓的第三横截面轮廓。

优选地,至少一个横截面轮廓是六边形的。

优选地,第一和第二导管被配置成围绕相应的弯曲轴线沿相反的方向被驱动。

优选地,第一和第二导管在整个流体流动路径中保持恒定的横截面积。

优选地,第一和第二导管在整个流体流动路径中保持恒定的横截面水力直径。

优选地,第一和第二导管被配置成围绕相应的弯曲轴线沿相反的方向被驱动。

优选地,第一和第二导管被配置成在x、y和z平面中对称。

附图说明

图1图示了现有技术的振动传感器组件;

图2图示了根据实施例的流量计;

图3图示了根据实施例的传感器组件的横截面图;

图4图示了根据实施例的传感器组件的另一横截面图;

图5图示了根据实施例的传感器组件的又一横截面图;

图6a图示了根据实施例的传感器组件的实施例的弯曲轴线;和

图6b图示了表现出夸张的弯曲模式的传感器组件的实施例。

具体实施方式

图1-6b和以下描述描绘了具体示例,以教导本领域技术人员如何制造和使用本发明的最佳模式。为了教导发明原理的目的,已经简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员将了解落入本发明的范围内的来自这些示例的变型。本领域技术人员将了解,以下描述的特征可以以各种方式组合,以形成本发明的多种变型。因此,本发明不限于下面描述的具体示例,而是仅由权利要求及其等同方式限定。

图1图示了呈科里奥利流量计形式的现有技术流量计5的示例,该流量计包括传感器组件10以及一个或多个仪表电子器件20。所述一个或多个仪表电子器件20连接到传感器组件10,以测量流动材料的特性,诸如,例如密度、压力、质量流率、体积流率、总质量流率、温度和其他信息。

传感器组件10包括一对凸缘101和101’、歧管102和102’、以及导管103a和103b。歧管102、102’被固定到导管103a、103b的相对端。歧管102、102’通常是多件式组件。本示例的凸缘101和101’被固定到歧管102和102’。本示例的歧管102和102’被固定到间隔件106的相对端。在本示例中,间隔件106保持歧管102和102’之间的间隔,以防止导管103a和103b中的不希望的振动。导管103a和103b以平行方式从歧管102和102’向外延伸。当传感器组件10被插入到输运过程材料的管道系统中时,材料通过凸缘101经由入口管120进入传感器组件10,穿过材料总量被引导进入导管103a和103b的入口歧管102,流过导管103a和103b,并回到出口歧管102’,在出口歧管102’处,材料通过凸缘101’离开传感器组件10。

传感器组件10包括驱动器104。驱动器104在驱动器104可以在驱动模式下使导管103a、103b振动的位置处固定到导管103a和103b。更特别地,驱动器104包括固定到导管103a的第一驱动器部件(未示出)和固定到导管103b的第二驱动器部件(未示出)。驱动器104可包括许多公知装置中的一种,诸如安装到导管103a的磁体和安装到导管103b的相对线圈。

在本示例中,驱动模式可以是第一异相弯曲模式,并且导管103a和103b将被选择并适当地安装到入口歧管102和出口歧管102’,以便提供围绕弯曲轴线w-w和w’-w’分别具有基本相同的质量分布、惯性矩和弹性模量的平衡系统。在本示例中,在驱动模式是第一异相弯曲模式的情况下,导管103a和103b由驱动器104围绕它们相应的弯曲轴线w-w和w’-w’沿相反的方向被驱动。呈交流电形式的驱动信号可以由一个或多个仪表电子器件20提供(诸如,例如经由引线110),并被传送通过线圈以使两个导管103a、103b振荡。

所示的传感器组件10包括固定到导管103a、103b的一对敏感元件105、105’。更特别地,第一敏感元件部件(未示出)位于导管103a上,且第二敏感元件部件(未示出)位于导管103b上。在所描绘的实施例中,敏感元件105、105’可以是电磁检测器,例如——敏感元件磁体和敏感元件线圈,它们产生代表导管103a、103b的速度和位置的敏感元件信号。例如,敏感元件105、105’可经由路径111、111’向一个或多个仪表电子器件提供敏感元件信号。本领域普通技术人员将了解,导管103a、103b的运动与流动材料的某些特性成比例,例如,流过导管103a、103b的材料的质量流率和密度。

在图1所示的现有技术示例中,所述一个或多个仪表电子器件20从敏感元件105、105’接收敏感元件信号。路径26提供允许一个或多个仪表电子器件20与操作者对接的输入和输出装置。所述一个或多个仪表电子器件20测量流动材料的特性,诸如,例如相位差、频率、时间延迟、密度、质量流率、体积流率、总质量流量、温度、仪表验证、压力和其他信息。更特别地,所述一个或多个仪表电子器件20接收一个或多个信号(例如来自敏感元件105、105’和一个或多个温度传感器107,例如电阻温度检测器(rtd)),并使用该信息来测量流动材料的特性。各图中的共同编号指示现有技术仪表和本文所呈现的实施例之间的共同特征。

图2中提供了流量计200的实施例。提供了传感器组件202。传感器组件202包括一对凸缘204和204’、歧管206以及导管208a和208b,它们共同形成管组(tubeset)。歧管206联接到流入口210和流出口210’、入口支管212a、212b和出口支管212’a、212’b。流路径主要由流入口210和流出口210’以及作为整体的导管208a和208b限定,包括入口支管212a、212b和出口支管212’a、212’b。入口支管212a、212b和出口支管212’a、212’b在相应的导管208a和208b上具有设置在入口支管和出口支管之间的中心导管部分212c、212’c。在现有技术的流量计中,歧管102、102’通常是多件式组件,但是在本实施例中,歧管206可被构造为导管208a和208b的一部分,如图所示。然而,这并不是对于所有实施例都严格必须。应当注意,图示了两个导管208a、208b,但是设想了具有单个导管的流量计200,具有多于两个导管的流量计200也是如此。

当传感器组件202被插入到输运过程材料的管道系统(未示出)中时,材料经由入口孔226进入传感器组件202的流入口210,并穿过歧管206,穿过入口支管212a、212b两者,在那里过程材料被引导进入导管208a和208b区段,通过导管208a和208b区段流到出口支管212’a、212’b,并回到歧管206中。从这里,过程材料进入流出口210’,在此它通过出口孔226’(在图2中不可见)离开传感器组件202。

该传感器组件202的设计沿着中心线平衡,并且独立于外壳224起作用。因此,外壳不需要二次容纳,并且在实施例中,甚至轻质圆柱体也可以很好地起到封装传感器组件202的作用,因为对于最佳功能来说,不需要如许多现有技术流量计的情况那样的重的或被强烈阻尼的外壳结构。同样将清楚的是,导管装置可被构造成使得在x、y和z平面中具有对称性。

参考图3,传感器组件202包括驱动器214。在所示的实施例中,传感器组件202利用多个驱动器214。然而,可设想具有驱动每个导管(208a、208b)的单个驱动器的实施例。在一个实施例中,驱动器214在驱动器214可以以驱动模式使导管208a、208b振动的位置处固定到歧管206以及导管208a和208b。更特别地,驱动器214包括联接到导管208a、208b的第一驱动器部件216和联接到歧管206的第二驱动器部件218。在实施例中,驱动器214包括联接到导管208a的第一驱动器部件216和联接到相对导管208b的附加的第一驱动器部件216。在又一实施例中,单个驱动器215可使两个导管振动。在又一实施例中,提供驱动器来驱动每个导管(208a、208b),并且每个驱动器的一部分联接到每个导管(208a、208b)。

驱动器214可包括许多公知装置中的一种,诸如安装到导管208a的磁体和安装到相对导管208b或歧管206的相对线圈。驱动器214还可包括诸如安装到导管208a的线圈和安装到歧管206的相对磁体的装置。驱动器可包括安装在歧管上的单个线圈或磁体,而每个导管(208a、208b)分别包括磁体或线圈,其可由驱动器驱动。

在一些实施例中,驱动模式可以是第一异相弯曲模式,并且导管208a和208b将被选择并适当地安装到歧管206,以便提供围绕弯曲轴线分别具有基本相同的质量分布、惯性矩和弹性模量的平衡系统,诸如如图6a所示。在本示例中,在驱动模式是第一异相弯曲模式的情况下,导管208a和208b由驱动器214围绕它们相应的弯曲轴线w-w和w’-w’沿相反的方向被驱动。呈交流电形式的驱动信号可以由一个或多个仪表电子器件20提供(诸如,例如经由引线110),并被传送通过线圈以使两个导管208a、208b振荡。为了清楚起见,图6b图示了高度夸大的导管208a、208b运动。

所示的传感器组件202包括固定到导管208a、208b的一对敏感元件220、220’。更特别地,第一敏感元件部件222a位于导管208a上,且第二敏感元件部件222b位于导管208b上。另外,第一敏感元件部件222’a位于导管208a上,且第二敏感元件部件222’b位于导管208b上。在所描绘的实施例中,敏感元件220、220’可以是电磁检测器,例如——敏感元件磁体和敏感元件线圈,它们产生代表导管208a、208b的速度和位置的敏感元件信号。例如,敏感元件220、220’可向所述一个或多个仪表电子器件20供应敏感元件信号,诸如图1中描绘的那些。本领域普通技术人员将了解,导管208a、208b的运动与流动材料的某些特性成比例,例如,流过导管208a、208b的材料的质量流率和密度。

在图2所示的实施例中,流入口210和流出口210’包括流体路径中的流分裂部230(仅在出口210’附近可见),以容纳敏感元件220、220’,这进一步允许敏感元件220、220’在传感器组件202上竖直居中。这些分裂部230在实施例中可能不存在。

在图1所示的现有技术示例中,所述一个或多个仪表电子器件20从敏感元件105、105’接收敏感元件信号。路径26提供允许一个或多个仪表电子器件20与操作者对接的输入和输出装置。所述一个或多个仪表电子器件20测量流动材料的特性,诸如,例如相位差、频率、时间延迟、密度、质量流率、体积流率、总质量流量、温度、仪表验证、压力和其他信息。更特别地,所述一个或多个仪表电子器件20接收一个或多个信号(例如来自敏感元件105、105’和一个或多个温度传感器107,诸如电阻温度检测器(rtd)),并使用该信息来测量流动材料的特性。本流量计200包括类似的方案,但是为了清楚起见,从图2-6b中省略了这些方面。

根据一个实施例,流量计200的构造可包括机械加工、挤出、焊接、钎焊、增材制造和本领域已知的任何其他构造技术。传感器组件202采用导管208a、208b,其允许紧凑的构型,并且从而有效地使用封装管或外壳224(图2)内的空间。通过提供将整个传感器组件装配在圆形横截面的外壳(即圆柱体)中的能力,制造的简易性和成本大大降低。此外,二次容纳容器(未示出)可容易地结合到特定的流量计200中。具有所示几何形状的传感器组件202显示出对流量的高灵敏度,这通常与低频传感器相关联,但是仍然具有相对高的驱动频率,这有益于良好的零稳定性。

转向图5,根据一个实施例图示了传感器组件202的横截面。在实施例中,传感器组件202通过流量传感器的流动路径保持恒定横截面积。然而,通过非圆形横截面的流动路径的过程流体的速度通过计算其水力直径来近似。因此,在替代实施例中,通过传感器组件保持恒定的横截面水力直径。在一个实施例中,恒定的横截面水力直径被约束为每一段的横截面积和封闭周长之间的关系,根据:

(等式1)

(其中,perimeter是周长,area是面积,hydraulicdiameter是水力直径)。

然而,可利用其他公式来计算横截面水力直径,且等式1仅作为示例提供。

进行了进一步的模拟实验,该实验对当前实施例和尺寸相当的现有技术流量计之间的流量灵敏度进行比较,现有技术流量计是具有高流量灵敏度的相对低频的流量计(~80hz)。所提供的实施例的几何形状导致传感器组件202具有相对高的驱动频率(~235hz)——这历来与较低流量灵敏度和较大传感器稳定性相关联——但仍然保持相对高的流量灵敏度。具体地,所提供的实施例导致传感器组件202具有现有技术流量计的大约三倍的驱动频率(这导致更大的稳定性),同时仍然具有比现有技术流量计大近似25%的流量灵敏度。在实施例中,驱动频率在175和260hz之间。在另一实施例中,驱动频率范围在140和295hz之间。在又一实施例中,驱动频率范围在110和325hz之间。该频率范围仅仅是示例,并且决不限制本实施例的潜在操作频率范围。

如上所述的本发明提供了与可变调制流量导管相关的各种系统和方法。尽管上述各种实施例针对流量计,尤其是科里奥利流量计,但是应了解,本发明不应限于科里奥利流量计,而是本文描述的方法可与其他类型的流量计或缺少科里奥利流量计的一些测量能力的其他振动传感器一起使用。

上述实施例的详细描述不是对发明人设想的在本发明范围内的所有实施例的详尽描述。实际上,本领域技术人员将认识到,上述实施例的某些元件可以以不同的方式组合或消除以创建进一步的实施例,并且这些进一步的实施例落入本发明的范围和教导内。对于本领域普通技术人员来说,将明显的是,上述实施例可以全部或部分地组合,以创建在本发明的范围和教导内的附加实施例。

因此,尽管本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例,但是如相关领域的技术人员将认识到的,在本发明的范围内的各种等同的修改是可能的。本文提供的教导可以应用于其他振动传感器,且不仅仅是上述和附图所示的实施例。因此,本发明的范围应该由下面的权利要求来确定。


技术特征:

1.一种流量计(200),包括:

流入口(210);

流出口(210’);

第一导管(208a),其具有流体联接到中心导管部分(212c)的入口支管(212a),其中,所述中心导管部分(212c)进一步流体联接到出口支管(212’a);

第二导管(208b),其具有流体联接到中心导管部分(212’c)的入口支管(212b),其中,所述中心导管部分(212’c)进一步流体联接到出口支管(212’b);

其中,所述流入口(210)流体联接到所述第一导管(208a)的第一端和所述第二导管(208b)的第一端,并且所述流出口(210’)流体联接到所述第一导管(208a)的第二端和所述第二导管(208b)的第二端;

歧管(206),其流体联接到所述入口支管(212a、212b)和所述出口支管(212’a、212’b);

联接到歧管的驱动器(214),其中,所述驱动器(214)可操作以使所述第一和第二导管(208a、208b)振动。

2.根据权利要求1所述的流量计(200),包括联接到所述歧管的第二驱动器(214)。

3.根据权利要求1所述的流量计(200),其中,所述驱动器(214)包括联接到所述第一导管(208a)的第一驱动器部件(216),以及联接到所述歧管(206)的第二驱动器部件(218)。

4.根据权利要求2所述的流量计(200),其中,附加的第一驱动器部件(216)联接到所述第二导管(208b)。

5.根据权利要求2所述的流量计(200),其中,附加的第一驱动器部件(216)联接到所述第二导管(208b),并且附加的第二驱动器部件联接到所述歧管(206)。

6.根据权利要求1所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)被配置成围绕相应的弯曲轴线沿相反的方向被驱动。

7.根据权利要求1所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)在整个流体流动路径中保持恒定的横截面积。

8.根据权利要求1所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)在整个流体流动路径中保持恒定的横截面水力直径。

9.根据权利要求1所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)被配置成在x、y和z平面中对称。

10.一种流量计(200),包括:

流入口(210);

流出口(210’);

第一导管(208a),其具有流体联接到中心导管部分(212c)的入口支管(212a),其中,所述中心导管部分(212c)进一步流体联接到出口支管(212’a);

第二导管(208b),其具有流体联接到中心导管部分(212’c)的入口支管(212b),其中,所述中心导管部分(212’c)进一步流体联接到出口支管(212’b);

其中,所述流入口(210)流体联接到所述第一导管(208a)的第一端和所述第二导管(208b)的第一端,并且所述流出口(210’)流体联接到所述第一导管(208a)的第二端和所述第二导管(208b)的第二端,其中,所述入口支管(212a、212b)包括第一横截面轮廓,并且所述中心导管部分(212c,212’c)包括不同于所述第一横截面轮廓的第二横截面轮廓。

11.根据权利要求10所述的流量计(200),包括流体联接到所述入口支管(212a、212b)和所述出口支管(212’a、212’b)的歧管(206)。

12.根据权利要求10所述的流量计(200),其中,所述出口支管(212’a、212’b)包括不同于所述第一和第二横截面轮廓的第三横截面轮廓。

13.根据权利要求10所述的流量计(200),其中,至少一个横截面轮廓是六边形的。

14.根据权利要求10所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)被配置成围绕相应的弯曲轴线沿相反的方向被驱动。

15.根据权利要求10所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)在整个流体流动路径中保持恒定的横截面积。

16.根据权利要求10所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)在整个流体流动路径中保持恒定的横截面水力直径。

17.根据权利要求10所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)被配置成围绕相应的弯曲轴线沿相反的方向被驱动。

18.根据权利要求10所述的流量计(200),其中,所述第一和第二导管(208a、208b)被配置成在x、y和z平面中对称。

技术总结
提供了一种流量计(200),其具有流入口(210)和流出口(210’)。第一导管(208A)具有流体联接到中心导管部分(212C)的入口支管(212A),其中,中心导管部分(212C)进一步流体联接到出口支管(212’A)。第二导管(208B)具有流体联接到中心导管部分(212’C)的入口支管(212B),其中,中心导管部分(212’C)进一步流体联接到出口支管(212’B)。流入口(210)流体联接到第一导管(208A)的第一端和第二导管(208B)的第一端,且流出口(210’)流体联接到第一导管(208A)的第二端和第二导管(208B)的第二端。歧管(206)流体联接到入口支管(212A、212B)和出口支管(212’A、212’B)。驱动器(214)至少部分地联接到歧管,其中,驱动器(214)可操作以使第一和第二导管(208A、208B)振动。

技术研发人员:M.A.施洛瑟
受保护的技术使用者:高准公司
技术研发日:2017.11.02
技术公布日:2020.06.09

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