УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ АСИММЕТРИЧНОГО ПОТОКА В ВИБРАЦИОННЫХ РАСХОДОМЕРАХ
DEVICE AND METHOD FOR DETECTING ASYMMETRIC FLOW IN VIBRATION FLOWMETERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Нижеописанные варианты осуществления относятся к вибрационным измерителям и, в частности, к способам и устройствам для определения асимметричного потока в многопоточных измерителях вибрации труб.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вибрационные трубопроводные датчики, например массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры, обычно функционируют посредством регистрации перемещения колеблющегося трубопровода, который содержит текущий материал. Свойства, связанные с материалом в трубопроводе, например, массовый расход, плотность и т.п., могут быть определены обработкой измерительных сигналов, принятых от преобразователей перемещения, связанных с трубопроводом. Колебательные моды колеблющейся, заполненной материалом системы обычно определяются суммарной массой, жесткостью и параметрами демпфирования трубопровода и содержащегося в нем материала.
Применение вибрационных измерителей для измерения массового потока и других свойств материалов, протекающих по трубопроводу, широко известно. Например, вибрационные расходомеры Кориолиса раскрыты в патенте США № 4,491,025, J.E. Smith, et al., выданном 1 января 1985 г., а также патенте США № Re. 31,450, J.E. Smith, выданном 29 ноября 1983 г. Данные вибрационные измерители содержат одну или более расходомерных трубок. Каждая конфигурация расходомерных трубок в массовом расходомере Кориолиса имеет набор собственных колебательных мод, которые могут быть простого изгибного, крутильного, радиального, поперечного или связанного типа. Каждая расходомерная трубка возбуждается для колебания с резонансом на одной из упомянутых собственных мод. Колебательные моды изменяются, как правило, под влиянием суммарной массы, жесткости и параметров демпфирования содержащейся расходомерной трубки и содержащегося в ней материала, поэтому массу, жесткость и демпфирование обычно определяют во время первоначальной калибровки вибрационного измерителя с использованием общеизвестных методов.
Материалы протекают в расходомер из подсоединенного трубопровода на стороне впуска вибрационного измерителя. Затем материал направляется по расходомерной трубке или расходомерным трубкам и вытекает из расходомера в трубопровод, подсоединенный на стороне выпуска.
Возбудитель, например возбудитель типа звуковой катушки, прилагает усилие к одной или более расходомерным трубкам. Усилие вынуждает одну или более расходомерных трубок колебаться. Когда через расходомер не протекает никакого материала, все точки вдоль расходомерной трубки совершают колебания в одинаковой фазе. По мере того, как материал начинает протекать по расходомерным трубкам, кориолисовы ускорения обуславливают нахождение каждой точки вдоль расходомерных трубок в разной фазе относительно других точек вдоль расходомерных трубок. Фаза на стороне впуска расходомерной трубки отстает от фазы драйвера, а фаза на стороне выпуска опережает фазу драйвера. Датчики размещаются в двух разных точках на расходомерной трубке, чтобы вырабатывать синусоидальные сигналы, представляющие движение расходомерной трубки в двух точках. Разность фаз двух сигналов, принимаемых из датчиков, вычисляется в единицах времени.
Разность фаз между двумя сигналами датчиков пропорциональна массовому расходу материала, протекающего по расходомерной трубке или расходомерным трубкам. Массовый расход материала определяется умножением разности фаз на калибровочный коэффициент потока. Калибровочный коэффициент потока зависит от свойств материала и характеристик поперечного сечения расходомерной трубки. Одной из основных характеристик расходомерной трубки, которая влияет на калибровочный коэффициент потока, является жесткость расходомерной трубки. Перед установкой расходомера в трубопровод, с помощью процесса калибровки определяют калибровочный коэффициент потока. В процессе калибровки известную текучую среду пропускают по расходомерной трубке с данным расходом и вычисляют соотношение между разностью фаз и расходом. В процессе калибровки определяют также жесткость и демпфирующие характеристики трубки общеизвестным в технике методом.
Одно преимущество расходомера Кориолиса состоит в том, что точность измерения массового расхода не зависит от износа подвижных компонентов расходомера, так как в колеблющейся расходомерной трубке отсутствуют подвижные компоненты. Расход определяется умножением разности фаз между двумя точками на расходомерной трубке на калибровочный коэффициент потока. Единственный вход представлен синусоидальными сигналами из датчиков, указывающими на колебание двух точек на расходомерной трубке. Разность фаз вычисляют по синусоидальным сигналам. Поскольку калибровочный коэффициент потока пропорционален свойствам материала и поперечного сечения расходомерной трубки, то измерение разности фаз и калибровочный коэффициент потока не зависят от износа подвижных компонентов расходомера.
Типичный массовый расходомер Кориолиса включает в себя один или более преобразователей (или измерительных преобразователей), которые обычно используются для измерения колебательного отклика расходомерной трубы или расходомерных труб и обычно расположены в положениях сверху по потоку и снизу по потоку от возбудителя. Измерительные преобразователи подключают к электронной измерительной аппаратуре. Измерительная аппаратура принимает сигналы из двух измерительных преобразователей и обрабатывает сигналы для получения измерения массового расхода, помимо прочего.
Типичные расходомеры Кориолиса измеряют поток и/или плотность с использованием катушки и магнита в качестве измерительного преобразователя, чтобы измерять движение колеблющейся/ихся расходомерной трубки/трубок измерителя. Массовый расход через измеритель определяется по разности фаз между несколькими сигналами измерительных преобразователей, расположенных вблизи впуска и выпуска расходомерных трубок измерителя. Однако, поток можно измерять с использованием тензометров вместо магнитно-катушечных измерительных преобразователей. Например, международная патентная заявка № PCT/US2014/033188, «Improved vibrating flowmeter and related methods» описывает несколько вариантов осуществления, в которых вибрационный расходомер использует тензометри вместо магнитно-катушечных измерительных преобразователей для вычисления массового потока, и данное применение в полном объеме включено в настоящую заявку путем отсылки. Фундаментальное различие между двумя типами датчиков состоит в том, что магнитно-катушечные измерительные преобразователи измеряют скорость расходомерных трубок, и тензометри измеряют деформацию расходомерных трубок. Одно преимущество использования магнитно-катушечных измерительных преобразователей заключается в том, что, независимо от того, как разделяется поток между двумя расходомерными трубками, коэффициент регулирования потока измерителя (FCF) не изменяется. Поэтому засоры или скопление остатков в одной из расходомерных трубок не мешает измерениям массовых потоков. Именно данное «преимущество» магнитно-катушечных измерительных преобразователей ограничивает их применение для определения засоров или скоплений остатков в расходомерных трубках.
Поэтому, проблема с расходомерами предшествующего уровня техники состоит в присущей для них неспособности обнаруживать засоры или отложения. Нижеописанные варианты осуществления устраняют упомянутую и другие проблемы и обеспечивают усовершенствование в данной области техники. Нижеописанные варианты осуществления обеспечивают расходомер с тензометрами, выполненный с возможностью обнаружения асимметрии потока между расходомерными трубками расходомера, с целью обнаружения засоров или накопления остатков в расходомерных трубках. При соединении различных комбинаций тензометров, расположенных в отличающихся местах и ориентациях на расходомере, с различными комбинациями схем мостиков Уитстона, асимметрия потоков становится обнаружимой и регистрируемой.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с вариантом осуществления предлагается вибрационный измеритель, включающий в себя сенсорный узел и измерительную электронику. Вибрационный измеритель содержит две или более расходомерных трубок и возбудитель, соединенный с двумя расходомерными трубками. Возбудитель выполнен с возможностью возбуждения колебаний вынужденной моды в двух расходомерных трубках. Вибрационный измеритель содержит также два или более тензометров, соединенных с двумя расходомерными трубками и выполненных с возможностью обнаружения фазы колебаний вынужденной моды. Одна или более мостовых схем электрически связаны с двумя или более тензометрами и выполнены с возможностью выдачи сигнала, указывающего на асимметрию потока между двумя или более расходомерными трубками.
Предлагается вибрационный измеритель, включающий в себя сенсорный узел и измерительную электронику, в соответствии с вариантом осуществления. Вибрационный измеритель содержит две или более расходомерных трубок и датчик, соединенный с, по меньшей мере, одной из двух или более расходомерных трубок, при этом датчик выполнен с возможностью выдачи сигнала для указания на наличие асимметрии потока между двумя расходомерными трубками.
В соответствии с вариантом осуществления предлагается способ определения асимметрии потока по двум расходомерным трубкам в расходомере. Способ содержит следующие этапы: возбуждают колебания двух расходомерных трубок на вынужденной колебательной моде; измеряют колебательный отклик первой расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; измеряют колебательный отклик второй расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; сравнивают колебательные отклики первой и второй расходомерных трубок; и определяют наличие асимметрии потока между первой и второй расходомерными трубками.
В соответствии с вариантом осуществления предлагается способ определения асимметрии потока по двум расходомерным трубкам в расходомере. Способ содержит следующие этапы: возбуждают колебания двух расходомерных трубок на вынужденной колебательной моде; измеряют колебательный отклик первой расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; измеряют колебательный отклик второй расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; сравнивают колебательные отклики первой и второй расходомерных трубок; и определяют наличие асимметрии потока между первой и второй расходомерными трубками.
АСПЕКТЫ
В соответствии с аспектом, вибрационный измеритель, включающий в себя сенсорный узел и измерительную электронику, содержит: две или более расходомерных трубок; возбудитель, соединенный с двумя расходомерными трубками и выполненный с возможностью возбуждения колебаний вынужденной моды в двух расходомерных трубках; два или более тензометров, соединенных с двумя расходомерными трубками и выполненных с возможностью обнаружения фазы колебаний вынужденной моды; и одну или более мостовых схем, электрически связанных с двумя или более тензометрами и выполненных с возможностью выдачи сигнала, указывающего на асимметрию потока между двумя или более расходомерными трубками.
В предпочтительном варианте сигнал пропорционален разности деформаций между двумя или более тензометрами.
В предпочтительном варианте сигнал содержит электрическое вычитание сигнала первого из двух или более тензометров из сигнала второго из двух или более тензометров.
В предпочтительном варианте сигнал дополнительно содержит синусоидальный выходной сигнал на частоте вынужденной моды, имеющий амплитуду, которая пропорциональна разности, которая содержит вычитание сдвинутого по фазе сигнала первого из двух или более тензометров из сдвинутого по фазе сигнала второго из двух или более тензометров.
В предпочтительном варианте вибрационный измеритель дополнительно содержит магнитно-катушечный измерительный преобразователь, соединенный с двумя или более расходомерными трубками.
В предпочтительном варианте вибрационный измеритель дополнительно содержит индикатор, выполненный с возможностью указания на асимметрию потока между двумя или более расходомерными трубками.
В предпочтительном варианте индикатор содержит, по меньшей мере, одну из визуальной и звуковой сигнализации.
В предпочтительном варианте тензометр из двух или более тензометров соединен с одной из двух или более расходомерных трубок и выполнен с возможностью определения деформации одной из двух или более расходомерных трубок, которая приблизительно параллельна продольной оси одной из двух или более расходомерных трубок.
В предпочтительном варианте тензометр из двух или более тензометров размещен вблизи стяжки, так что тензометр из двух или более тензометров подвергается деформации, приблизительно, максимальной амплитуды двух или более расходомерных трубок, возбуждаемых на вынужденной колебательной моде.
В предпочтительном варианте первый тензометр из двух или более тензометров соединен с дистальной поверхностью впускной ветви первой расходомерной трубки из двух или более расходомерных трубок; первый тензометр из двух или более тензометров электрически связан с первой позицией первой мостовой схемы из одной или более мостовых схем; второй тензометр из двух или более тензометров соединен с дистальной поверхностью впускной ветви первой расходомерной трубки из двух или более расходомерных трубок; и второй тензометр из двух или более тензометров электрически связан со второй позицией первой мостовой схемы из одной или более мостовых схем.
В предпочтительном варианте первый тензометр из двух или более тензометров соединен с проксимальной поверхностью впускной ветви первой расходомерной трубки из двух или более расходомерных трубок; первый тензометр из двух или более тензометров электрически связан с первой позицией первой мостовой схемы из одной или более мостовых схем; второй тензометр из двух или более тензометров соединен с проксимальной поверхностью впускной ветви первой расходомерной трубки из двух или более расходомерных трубок; и второй тензометр из двух или более тензометров электрически связан со второй позицией первой мостовой схемы из одной или более мостовых схем.
В соответствии с аспектом, вибрационный измеритель, включающий в себя сенсорный узел и измерительную электронику, содержит: две или более расходомерных трубок; и датчик, соединенный с, по меньшей мере, одной из двух или более расходомерных трубок, при этом датчик выполнен с возможностью выдачи сигнала для указания на наличие асимметрии потока между двумя расходомерными трубками.
В предпочтительном варианте датчик является тензометром.
В предпочтительном варианте вибрационный измеритель дополнительно содержит электрическую схему, связанную с датчиком.
В предпочтительном варианте электрическая схема содержит мостовую схему.
В предпочтительном варианте сигнал содержит разбалансировку мостовой схемы.
В предпочтительном варианте сигнал содержит измененную амплитуду выходного сигнала мостовой схемы.
В предпочтительном варианте сигнал содержит электрическое вычитание, содержащее сдвинутый по фазе сигнал датчика.
В предпочтительном варианте сигнал дополнительно содержит синусоидальный выходной сигнал на частоте вынужденной моды, имеющий амплитуду, которая пропорциональна разности, которая содержит электрическое вычитание, содержащее сдвинутый по фазе сигнал датчика.
В соответствии с аспектом, способ определения асимметрии потока по двум расходомерным трубкам в расходомере содержит следующие этапы: возбуждают колебания двух расходомерных трубок на вынужденной колебательной моде; измеряют колебательный отклик первой расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; измеряют колебательный отклик второй расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; сравнивают колебательные отклики первой и второй расходомерных трубок; и определяют наличие асимметрии потока между первой и второй расходомерными трубками.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит этап: указания на наличие асимметрии потока, если разность между колебательными откликами первой расходомерной трубки и второй расходомерной трубки больше, чем предварительно заданный порог.
В предпочтительном варианте этап указания на наличие асимметрии потока, если разность между колебательными откликами первой расходомерной трубки и второй расходомерной трубки больше, чем предварительно заданный порог, содержит этап включения сигнализации.
В предпочтительном варианте этап измерения колебательного отклика первой расходомерной трубки из двух расходомерных трубок дополнительно содержит этап измерения колебательного отклика первой расходомерной трубки из двух расходомерных трубок с помощью первого тензометра; и этап измерения колебательного отклика второй расходомерной трубки из двух расходомерных трубок дополнительно содержит этап измерения колебательного отклика второй расходомерной трубки из двух расходомерных трубок с помощью второго тензометра.
В предпочтительном варианте этап измерения колебательного отклика первой расходомерной трубки из двух расходомерных трубок с помощью первого тензометра дополнительно содержит измерение выходного сигнала мостовой схемы, электрически связанной с первым тензометром; и этап измерения колебательного отклика второй расходомерной трубки из двух расходомерных трубок с помощью второго тензометра дополнительно содержит измерение выходного сигнала мостовой схемы, электрически связанной со вторым тензометром.
В предпочтительном варианте способ определения потока по двум расходомерным трубкам в расходомере дополнительно содержит следующие этапы: соединяют первый тензометр с дистальной поверхностью ветви первой расходомерной трубки, при этом первый тензометр электрически связан с первой позицией мостовой схемы; и соединяют второй тензометр с дистальной поверхностью ветви второй расходомерной трубки, причем второй тензометр электрически связан со второй позицией мостовой схемы.
В предпочтительном варианте этап сравнения колебательных откликов первой и второй расходомерных трубок дополнительно содержит следующий этап:
формируют выходной сигнал из, по меньшей мере, одной мостовой схемы.
В предпочтительном варианте колебательный отклик первой расходомерной трубки содержит деформацию первой расходомерной трубки; и колебательный отклик второй расходомерной трубки содержит деформацию второй расходомерной трубки.
В предпочтительном варианте первый тензометр присоединяют к первой расходомерной трубке вблизи стяжки; и второй тензометр присоединяют к второй расходомерной трубке вблизи стяжки.
В соответствии с аспектом способ определения асимметрии потока по двум расходомерным трубкам в расходомере содержит следующие этапы: возбуждают колебания двух расходомерных трубок; определяют абсолютную фазу первой расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; определяют абсолютную фазу второй расходомерной трубки из двух расходомерных трубок; и определяют разность между абсолютными фазами первой расходомерной трубки и второй расходомерной трубки.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит следующие этапы: измеряют первую деформацию первой расходомерной трубки; и измеряют вторую деформацию второй расходомерной трубки.
В предпочтительном варианте способ дополнительно содержит следующий этап: указывают на наличие асимметрии потока, если разность между абсолютными фазами первой расходомерной трубки и второй расходомерной трубки выше, чем предварительно заданный порог.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Одинаковые числовые позиции представляют один и тот элемент на всех чертежах. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
Фиг. 1 - изображение расходомера предшествующего уровня техники;
Фиг. 2 - изображение варианта осуществления расходомера;
Фиг. 3 - диаграмма измерительной электроники;
Фиг. 4 - изображение варианта осуществления расходомера, в котором тензометри подключены к мостовой схеме; и
Фиг. 5 - изображение другого варианта осуществления расходомера, в котором тензометри подключены к мостовой схеме.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1-5 и последующее описание представляют конкретных примеров для ознакомления специалистов в данной области техники с тем, каким образом следует изготавливать и применять наилучшие варианты осуществления расходомера и связанных способов. С целью ознакомления с принципами изобретения, некоторые традиционные аспекты представлены в упрощенном виде или не упоминаются. Специалистам в данной области техники будут очевидны такие отклонения от приведенных примеров, которые находятся в пределах объема изобретения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что нижеописанные признаки можно объединять различными способами для формирования многочисленных разновидностей изобретения. В результате, изобретение ограничено не конкретными нижеописанными примерами, но только формулой изобретения и ее эквивалентами.
Фиг. 1 представляет расходомер 5 предшествующего уровня техники, например, вибрационный расходомер или расходомер Кориолиса. Расходомер 5 содержит сенсорный узел 10 и измерительную электронику 20. Сенсорный узел 10 реагирует на массовый расход и плотность технологического материала. Измерительная электроника 20 подключена к сенсорному узлу 10 проводами 100 для обеспечения информации, относящейся к плотности, массовому расходу и температуре по каналу 26, а также другой информации, не имеющей отношения к настоящему изобретению. Сенсорный узел 10 включает в себя пару патрубков 150 и 150', фланцы 103 и 103', имеющие шейки 110 и 110' фланцев, пару параллельных расходомерных трубок 130 (первая расходомерная трубка) и 130' (вторая расходомерная трубка), возбудитель 180, температурный датчик 190 и пару измерительных преобразователей 170L и 170R, например, магнитно-катушечные датчики скорости, тензометры, оптические датчики или любой другой измерительный преобразователь, известный в данной области техники. Расходомерные трубки 130 и 130', каждая, содержат впускные ветви 131 и 131' и выпускные ветви 134 и 134', которые сходятся к монтажным блокам 120 и 120' расходомерных трубок. Расходомерные трубки 130 и 130' изогнуты в, по меньшей мере, одном симметричном местоположении по их длине и, по существу, параллельны по их длине. Стяжки 140 и 140' служат для назначения оси W и W', относительно которой совершает колебания каждая расходомерная трубка.
Боковые ветви 131, 131' и 134, 134' расходомерных трубок 130 и 130' жестко закреплены к монтажным блокам 120 и 120' расходомерных трубок, и данные блоки, в свою очередь, жестко закреплены к патрубкам 150 и 150'. Это обеспечивает непрерывный замкнутый канал прохождения материала через сенсорный узел 10.
Фланцы 103 и 103', имеющие отверстия 102 и 102', подсоединены впускным концом 104 и выпускным концом 104' в технологическую линию (не показанную), которая транспортирует технологический материал, который измеряют. Материал поступает во впускной конец 104 через отверстие 101, которое проходит по патрубку 150 к монтажному блоку 120 расходомерных трубок. Внутри патрубка 150 материал разделяется и пропускается по расходомерным трубкам 130 и 130'. После выхода из расходомерных трубок 130 и 130', технологический материал снова объединяется в один поток внутри патрубка 150' и затем направляется к выпускному концу 104', подсоединенному фланцем 103', имеющему отверстия 102' для болтов, к технологической линии (не показанной).
Расходомерные трубки 130 и 130' подобраны и соответственно закреплены к монтажным блокам 120 и 120' расходомерных трубок таким образом, чтобы иметь, по существу, одинаковые распределение масс, моменты инерции и модули упругости относительно осей W-W и W'-W' изгиба, соответственно. Упомянутые оси изгиба проходят через стяжки 140 и 140'. Поскольку модуль упругости расходомерных трубок изменяется с температурой, и данное изменение влияет на вычисление потока и плотности, то на расходомерной трубке 130' установлен температурный датчик 190, например, температурный датчик сопротивления (RTD), чтобы непрерывно измерять температуру расходомерной трубки. Температура расходомерной трубки и, следовательно, напряжение, возникающее на RTD при данном токе, протекающем через него, определяется температурой материала, протекающего по расходомерной трубке. Температурно-зависимое напряжение, возникающее на датчике RTD, используется в общеизвестном способе измерительной электроникой 20, чтобы компенсировать изменение модуля упругости расходомерных трубок 130 и 130', обусловленного любыми изменениями температуры расходомерных трубок. Датчик RTD подключен к измерительной электронике 20 проводом 195.
Обе расходомерные трубки 130 и 130' возбуждаются возбудителем 180 в противоположных направлениях относительно их соответствующих осей W и W' изгиба на моде, которая называется первой несинфазной изгибной модой расходомера. Возбудитель 180 может содержать любую из многих общеизвестных схем расположения, например, магнит, закрепленный на расходомерной трубке 130', и противоположную катушку, закрепленную на расходомерной трубке 130, через которую пропускают переменный ток для возбуждения колебаний обеих расходомерных трубок. Подходящий сигнал возбуждения подается измерительной электроникой 20 по проводу 185 в возбудитель 180.
Измерительная электроника 20 принимают сигнал температуры из датчика RTD по проводу 195 и левый и правый сигналы скорости, возникающие в проводах 165L и 165R, соответственно. Измерительная электроника 20 вырабатывают сигнал возбуждения, возникающий в проводе 185, для возбудителя 180 и возбуждают колебания расходомерных трубок 130 и 130'. Измерительная электроника 20 обрабатывают левый и правый сигналы скорости и сигнал датчика RTD, чтобы вычислять массовый расход и плотность материала, протекающего через блок 10 датчиков. Упомянутая информация вместе с другой информацией подается измерительной электроникой 20 по каналу 26 в использующее средство.
Обычно, измерители Кориолиса возбуждаются на первой несинфазной изгибной моде, при этом вызываемая потоком фаза между впускной и выпускной ветвями снимается магнитно-катушечными измерительными преобразователями, установленными на впускной и выпускной ветвях расходомера. Сам по себе измеритель и способы для вычисления потока, описанные в настоящей заявке, отличаются от традиционных способов, посредством которых вычисляют фазу между двумя отдельными сигналами в передатчике. В варианте осуществления поток текучей среды выявляется по изменяющейся амплитуде выходного сигнала мостовой схемы, подключенной к, по меньшей мере, одному тензометру, которая нормально равна нулю в отсутствие потока (т.е. вынужденная мода является нормальной модой с равными деформациями на впускной и выпускной ветвях). Однако, когда подается поток, вынужденная мода становится комплексной, и между движениями впуска и выпуска расходомерной трубки существует задержка по фазе. Данная разность, определяемая тензометрами, используется в мостовых схемах, включая мостовые схемы Уитстона, как описано в настоящей заявке.
Фиг. 2 представляет вариант осуществления расходомера 5. Описана конструкция расходомера Кориолиса, хотя специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение можно практически реализовать в форме вибрационного трубного денситометра без дополнительной измерительной возможности, обеспечиваемой массовым расходомером Кориолиса. Общие элементы с устройством предшествующего уровня техники, показанным на фиг. 1, обозначены одинаковыми числовыми позициями. Расходомерные трубки 130 и 130' возбуждаются возбудителем 180 в противоположных направлениях относительно их соответствующих осей W и W' изгиба на моде, которая называется первой несинфазной изгибной модой расходомера. Данный возбудитель 180 может содержать любую из многих общеизвестных схем расположения, например, магнит, закрепленный на расходомерной трубке 130', и противоположную катушку, закрепленную на расходомерной трубке 130, и через которую пропускают переменный ток для возбуждения колебаний обеих расходомерных трубок 130, 130'. Подходящий сигнал возбуждения подается измерительной электроникой 20 по проводу 185 в возбудитель 180. Первый тензометр 200A расположен на впускной ветви 131 первой расходомерной трубки 130, и второй тензометр 200B расположен на впускной ветви 131' второй расходомерной трубки 130'. Основное различие между двумя измерительными преобразователями 170L, 170R (фиг. 1) и тензометрами 200A, 200B состоит в том, что магнитно-катушечные измерительные преобразователи измеряют скорость расходомерных трубок, и тензометри измеряют деформацию расходомерных трубок. Особенно важным является различие в том, что тензометри 200A, 200B измеряют абсолютные изменения движения, а магнитно-катушечные измерительные преобразователи измеряют относительное движение, и поэтому асимметрия потока может определяться тензометрами, но измерительные преобразователи 170L, 170R, вследствие их относительного характера, не обнаруживают подобную асимметрию. Предпочтителен вариант, в котором каждый тензометр 200A-D, раскрытый в настоящей заявке, был ориентирован с возможностью определения деформации, которая, по существу, параллельна продольной оси расходомерной трубки, с которой соединен тензометр.
Для магнитно-катушечных измерительных преобразователей 170L, 170R скорости, максимальная амплитуда скорости приближается к амплитуде драйвера 180, которая обычно расположена в центре «U»-образной формы расходомерной трубки 130, 130'. Однако, магнитно-катушечные измерительные преобразователи 170L, 170R не помещают в данное местоположение, так как, при этом, измерительные преобразователи 170L, 170R размещались бы слишком близко к драйверу 180, и поэтому их обычно помещают в зоне, которая обеспечивает квазиоптимальную, еще разрешаемую амплитуду скорости, чтобы определять дифференциальный фазовый сигнал. Однако, максимальная амплитуда деформации приближается к амплитуде соответствующей стяжки 140, 140' расходомерной трубки 130, 130', и именно в данном месте предпочтительно расположены тензометри 200A, 200B в раскрытых здесь вариантах осуществления. В вышеописанном варианте осуществления используются два тензометра, но предполагается также возможность использования дополнительных тензометров.
Фиг. 3 представляет измерительную электронику 20 расходомера 5 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Измерительная электроника 20 может включать в себя интерфейс 201 и систему 203 обработки данных. Измерительная электроника 20 принимают сигналы первого и второго датчиков из сенсорного узла 10, например, сигналы тензометров 200A, 200B. Измерительная электроника 20 обрабатывает сигналы первого и второго датчиков, чтобы получить характеристики потока проточного материала, протекающего через сенсорный узел 10. Например, измерительная электроника 20 может определять что-то одно или более из, например, фазы, частоты, разности (Δt) по времени, плотности, массового расхода, деформации и объемного расхода по сигналам датчиков. Кроме того, в соответствии с изобретением могут определяться другие характеристики потока.
Интерфейс 201 принимает сигналы датчиков из тензометров 200A-D по проводам 100, показанным на фиг. 2. Интерфейс 201 может выполнять любое необходимое или желательное предварительное формирование сигналов, например, любые форматирование, усиление, буферизацию и т.п. В качестве альтернативы, некоторое или все предварительное формирование сигналов может выполняться в системе 203 обработки данных.
Кроме того, интерфейс 201 может предоставлять возможность связи между измерительной электроники 20 и внешними устройствами, например, по каналу 26 связи. Интерфейс 201 может допускать возможность электронной, оптической или беспроводной связи любого рода.
Интерфейс 201 в одном варианте осуществления включает в себя дигитайзер (не показанный), при этом сигнал датчика содержит аналоговый сигнал датчика. Дигитайзер берет отсчеты и оцифровывает аналоговый сигнал датчика и формирует цифровой сигнал датчика. Интерфейс/дигитайзер может также выполнять любое необходимое прореживание, при этом цифровой сигнал датчика прореживается для уменьшения объема необходимой цифровой обработки сигналов и для сокращения времени обработки.
Система 203 обработки данных управляет операциями измерительной электроники 20 и обрабатывает результаты измерений потока из сенсорного узла 10. Система 203 обработки данных выполняет одну или более подпрограмм обработки и, тем самым, обрабатывает измерения потока, чтобы формировать одну или более характеристик потока.
Система 203 обработки данных может содержать универсальный компьютер, микропроцессорную систему, логическую схему или какое-то другое универсальное или специализированное устройство обработки данных. Система 203 обработки данных может быть распределенной по нескольким процессорным устройствам. Система 203 обработки данных может включать в себя интегральный или независимый носитель данных любого рода, например, запоминающую систему 204.
В показанном варианте осуществления система 203 обработки данных определяет характеристики по двум или более колебательным/деформационным откликам 220, 226. Система 203 обработки данных может определять, по меньшей мере, величину, разность фаз, разность по времени и частоту двух или более откликов 220, 226. В варианте осуществления сигнал из, по меньшей мере, одной мостовой схемы 206, 206', электрически связанной с тензометрами 200A-D, подается на вход измерительной электроники 20.
Запоминающая система 204 может сохранять параметры и данные расходомера, подпрограммы системы программного обеспечения, постоянные значения и переменные значения. В одном варианте осуществления запоминающая система 204 включает в себя подпрограммы, которые выполняются системой 203 обработки данных. В одном варианте осуществления запоминающая система 204 сохраняет подпрограмму 212 определения фазового сдвига, подпрограмму 215 определения фазовой асимметрии, подпрограмму 216 определения частоты, подпрограмму 217 определения разности (Δt) по времени, подпрограмму 218 определения характеристик потока и подпрограмму 219 сигнализации/индикации асимметрии потока.
В одном варианте осуществления запоминающая система 204 сохраняет переменные, используемые для управления расходомером 5. Запоминающая система 204 в одном варианте осуществления сохраняет переменные, например, два или более колебательных откликов 220, 226, которые принимаются из тензометров 200A-D. В некоторых вариантах осуществления запоминающая система 204 сохраняет одно или более значений, генерируемых измерительной электроникой 20. В некоторых вариантах осуществления запоминающая система 204 сохраняет одну или более характеристик потока, полученных по результатам измерения потока. Запоминающая система 204 сохраняет также переменные, относящиеся к пороговым значениям сигнализации асимметрии потока.
Варианты осуществления обнаруживают асимметрию потока путем непосредственного измерения относительного движения впускных ветвей 131, 131' расходомерной трубки 130, 130' или выпускных ветвей 134, 134' расходомерной трубки 130, 130'. Тензометри 200A-D, подключенные к, по меньшей мере, одной мостовой схеме 206, 206', выполнены с возможностью выработки сигнала с нулевой амплитудой на протяжении всех режимов симметричного потока, независимо от того, отсутствует ли поток (что соответствует форме нормальной моды вынужденной моды, т.е. отсутствует разность фаз между расходомерными трубками), или имеет место любой режим симметричного потока. Однако, во время асимметричного потока, та же конфигурация будет вырабатывать синусоидальный выходной сигнал на частоте возбуждения, амплитуда и знак которого дают указание на степень неравномерности потоков между расходомерными трубками 130, 130'.
Как показано на фиг. 4-5, тензометри 200A-D предпочтительно расположены на сторонах впуска 131, 131' или выпуска 134, 134' расходомерной трубки 130, 130' в области вблизи стяжки 140, 140', так как максимальная положительная деформация (напряжение растяжения) и максимальная отрицательная деформация (напряжение сжатия) имеют место в месте соединения между расходомерными трубками 130, 130' и соответствующими стяжками 140, 140'. Предпочтительное расстояние для присоединения тензометра к расходомерной трубке составляет, приблизительно, от 0% до 15% от прямолинейного расстояния между стяжкой 140, 140' и верхом расходомерной трубки 130, 130' (измеренному вдоль вектора, перпендикулярного к направлению расходомерной трубки на ее крайнем верхнем участке). Еще более предпочтительное расстояние составляет, приблизительно, от 6% до 9%. Однако, приведенные расстояния являются примерными, так как предполагается, что другие расстояния также находятся в пределах объема описания и формулы изобретения. Тензометри 200A-D предпочтительно размещены с возможностью обнаружения вертикальной деформации (т.е. деформации, параллельной продольной оси расходомерной трубки 130, 130') на расходомерных трубках 130, 130'.
s
1
4
o
1
2
3
4
уравнением 1
Фиг. 4 представляет вариант осуществления расходомера 5, содержащего два тензометра 200A, 200B, электрически связанных с мостовой схемой 206. Мостовая схема 206 преобразует небольшие изменения сопротивления тензометра в относительно большие изменения напряжения. Мостовая схема 206 состоит из питающего напряжения V, четырех резисторов (R-R) и выходного напряжения V. Мост считается сбалансированным, и выходное напряжение равно 0 В, когда R=R и R=R. Изменение любого из резисторов будет разбалансировать мост, и выходное напряжение больше не будет нулевым. Зависимость между питающим напряжением, сопротивлениями и выходным напряжением определяется .
(1)
.
1
2
3
4
2
1
1
2
3
4
Номера резисторов соответствуют местоположениям резисторов, показанным на фиг. 4. Любые или все резисторы в мостовой схеме 206 можно заменить тензометром. В данном варианте осуществления два тензометра 200A, 200B находятся на сторонах 131, 131' впуска расходомерных трубок 130, 130' и подключены к мостовой схеме 206. Первый тензометр 200A подключен в первой позиции R мостовой схемы 206, и второй тензометр 200B подключен во второй позиции R мостовой схемы 206. Следует отметить, что остальные резисторы R и R являются постоянными резисторами, имеющими, каждый, одинаковое значение. Кроме того, для данного варианта осуществления важно, чтобы тензометри 200A, 200B располагались на одной и той же соответственной поверхности расходомерных трубок 130, 130', что в настоящем варианте осуществления означает, что первый тензометр 200A ориентирован на дистальной поверхности 131A первой впускной ветви 131 первой расходомерной трубки 130, а второй тензометр 200B ориентирован на дистальной поверхности 131'A второй впускной ветви 131' второй расходомерной трубки 130'. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что, если позиции тензометров 200A, 200B переставлены так, что первый тензометр 200A установлен во второй позиции R мостовой схемы 206, и второй тензометр 200B установлен в первой позиции R мостовой схемы 206, то обнаружение асимметрии останется ненарушенным. Аналогично, если постоянные резисторы использовались в позициях R и R, а позиции тензометров 200A, 200B переставлены на сторону R и R мостовой схемы 206, то функция обнаружения асимметрии также будет оставаться неизменной. Кроме того, предполагаются возможными также варианты осуществления, в которых тензометри 200A, 200B расположены на выходных ветвях 134, 134' расходомерных трубок 130, 130'.
1
3
4
2
1
1
2
3
4
Фиг. 5 также представляет вариант осуществления расходомера 5, содержащий два тензометра 200C, 200D, электрически связанные с мостовой схемой 206. В данном варианте осуществления два тензометра 200C, 200D находятся со сторон 131, 131' впуска расходомерных трубок 130, 130' и подключены к мостовой схеме 206. Первый тензометр 20°C включен в первой позиции R мостовой схемы 206, и второй тензометр 200D включен во второй позиции R2 мостовой схемы 206. Следует отметить, что остальные резисторы R и R являются постоянными резисторами, имеющими, каждый одинаковое значение. Кроме того, для данного варианта осуществления важно, чтобы тензометри 200C, 200D располагались на одной и той же соответственной поверхности расходомерных трубок 130, 130', что в настоящем варианте осуществления означает, что первый тензометр 20°C ориентирован на проксимальной поверхности 131B первой впускной ветви 131 первой расходомерной трубки 130, а второй тензометр 200D ориентирован на проксимальной поверхности 131'B второй впускной ветви 131' второй расходомерной трубки 130'. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что, если позиции тензометров 200C, 200D переставлены так, что первый тензометр 20°C установлен во второй позиции R мостовой схемы 206, и второй тензометр 200D установлен в первой позиции R мостовой схемы 206, то обнаружение асимметрии останется ненарушенным. Аналогично, если постоянные резисторы использовались в позициях R и R, а позиции тензометров 200C, 200D переставлены на сторону R и R мостовой схемы 206, то функция обнаружения асимметрии также будет оставаться неизменной. Кроме того, предполагаются возможными также варианты осуществления, в которых тензометри 200C, 200D расположены на выходных ветвях 134, 134' расходомерных трубок 130, 130'.
Возможно применение дополнительных датчиков, чтобы было четыре датчика, которые измеряют деформацию как впускных ветвей 131, 131', так и выпускных ветвей 134, 134' одновременно, что усиливает выходной сигнал мостовой схемы 206. В данных вариантах осуществления единственная мостовая схема 206 подключена ко всем четырем тензометрам 200A-D, или, в качестве альтернативы, впускные ветви 131, 131' включены в первую мостовую схему 206, и выпускные ветви 134, 134' включены во вторую мостовую схему 206'.
уравнения 1
уравнения 2
Результаты применения дополнительных датчиков лучше всего понятны после преобразования  с использованием зависимости :
(2)
,
уравнение 2
уравнение 3
где ΔR означает изменение сопротивления тензометра, R означает сопротивление тензометра в недеформированном состоянии, GF означает коэффициент тензочувствительности датчика, и ε означает деформацию на датчике. Коэффициент тензочувствительности, GF, тензометра связывает деформацию на датчике с соответствующим изменением сопротивления датчика. Тензометру присваивают конкретный коэффициент тензочувствительности при калибровке во время изготовления. С использованием вышеприведенной заявисимости и в предположении, что ΔR намного меньше, чем R,  можно переписать как :
(3) .
Для вариантов осуществления, показанных на фиг. 4 и 5, когда поток через расходомер 5 отсутствует, и расходомер 5 совершает колебания вынужденной моды, синусоидальная деформация, измеряемая обоими тензометрами 200A, 200B является теоретически синфазной и будет взаимно компенсироваться, и давать, в результате, нулевое напряжение на выходе мостовой схемы. На практике, при отсутствии потока может быть некоторая разность фаз (обычно, называемая механическим нулем), приводящая к низкоамплитудной синусоиде, амплитуда которой будет измеряться и вычитаться как поправка на смещение.
уравнению 2
уравнении 4
Уравнение 4
После того, как в расходомере 5 появится поток, то, с учетом позиции тензометров в мостовой схеме 206 и ориентации тензометров 200A-D на впускных ветвях 131, 131' или выпускных ветвях 134, 134' (в зависимости от варианта осуществления), расходомерные трубки 130, 130' будут колебаться синфазно и давать, в результате, нулевую задержку (нулевой фазовый сдвиг) между двумя измерениями деформаций, в случае, когда засоров не имеется ни в одной расходомерной трубке. В частности, значения деформаций будут взаимно компенсироваться согласно , и выходное напряжение мостовой схемы 206 будет равно нулю. Если поток приобретет асимметрию (например, из-за закупоривания или другого явления), фаза вдоль каждой расходомерной трубки 130, 130' станет отличающейся потому, что в каждой расходомерной трубке 130, 130' протекает отличающийся массовый поток (хотя, при использовании традиционных измерительных преобразовательных средств, относительная фаза между обеими расходомерными трубками 130, 130' остается одинаковой и не влияет на измерение потока). Между двумя измерениями деформаций возникает временная задержка (фазовый сдвиг), и электрическое вычитание двух сдвинутых по фазе сигналов в нижеприведенном  даст, в результате, синусоидальный выходной сигнал (на вынужденной частоте), амплитуда которого непосредственно зависит от фазового сдвига. По мере того, как поток становится все более асимметричным, фазовый сдвиг увеличивается, и амплитуда выходного напряжения мостовой схемы 206 повышается.  описывает конфигурацию тензометров 200A, 200B, показанных на фиг. 4, и тензометров 200C, 200D, показанных на фиг. 5. Применительно к мостовой схеме 206:
(4) .
1
2
out
Как описано выше, данное уравнение показывает, что в режиме отсутствия потока или симметричного потока выдается нулевой выходной сигнал, но, когда поток асимметричен, взаимное вычитание R и R дает определяемое V.
i
уравнением 5
Когда расходомерные трубки 130, 130' возбуждаются, сигналы деформаций из тензометров 200A, 200B можно представить как синусоиды, каждую со своей амплитудой (α) и относительной фазой между ними (Φ). Когда данные два сигнала вычитаются, получаемый сигнал будет иметь амплитуду, представляемую нижеприведенным :
(5) ,
.
i
Упомянутое вычитание выполняется электрическим способом в мостовой схеме 206. Когда поток симметричен, Φ равняется нулю, и отдельные амплитуды являются, по существу, одинаковыми, что дает в результате, сигнал с нулевой амплитудой, A=0. На практике, отдельные α могут немного различаться, что имеет следствием смещение при симметричном потоке, которое определяется и учитывается. Когда поток становится асимметричным, Φ становится ненулевой из-за того, что между первой и второй расходомерными трубками 130, 130' существует разбаланс массового потока, и поэтому амплитуда A выходного сигнала изменяется. Данное изменение определяется и используется для уведомления пользователя о том, что существует асимметрия потоков.
В варианте осуществления фазовые сдвиги калибруются, чтобы определять асимметрию потока и расход в каждой трубке, посредством включения в схему двух дополнительных измерительных преобразователей на впуске 131, 131' и выпуске 134, 134' и использования измерения потока, как описано в международной патентной заявке № PCT/US2014/033188.
В варианте осуществления диагностический индикатор уведомляет пользователя расходомера 5, что поток разделяется несимметрично. Уведомление содержит звуковую и/или визуальную сигнализацию. В связанном варианте осуществления определяется амплитудный порог. Когда амплитуда потока становится асимметричной, и Φ становится ненулевой из-за массового разбаланса между первой и второй расходомерными трубками 130, 130', амплитуда выходного сигнала мостовой схемы 206 возрастает, и, когда амплитуда превышает предварительно заданный порог, сигнализация включается. Сигнализация может содержать простое уведомление пользователя расходомера 5. Порог может быть предварительно установлен в измерительной электронике 20 на заводе или может устанавливаться пользователем.
Как также показано на фиг. 2, вариант осуществления содержит электронные компоненты 400 дополнительно к мостовой схеме 206. Хотя для примера показаны два тензометра 200A, 200B и единственная мостовая схема 206, электронные компоненты 400 могут быть предназначены для применения с любым числом комбинаций из тензометров и мостовых схем, что должно быть понятно специалисту в данной области техники.
Выход мостовой схемы 206 подключается к электронным компонентам 400, которые могут включать в себя усилитель, дополняющий мостовую схему. В одном варианте осуществления усилитель, дополняющий мостовую схему, имеет коэффициент усиления приблизительно 800, однако, предусмотрена возможность применения отличающихся коэффициентов усиления, учитывающих конкретные тензометри, отличающиеся коэффициенты регулирования потока, разные электронные схемы и другие переменные, особенные для конкретного расходомера 5. Усилитель, дополняющий мостовую схему, связан по переменному току с фильтром высоких частот. В варианте осуществления фильтр высоких частот содержит конденсатор. Данная емкостная связь, по существу, не пропускает постоянную составляющую сигнала. В связанном варианте осуществления выходной сигнал фильтра высоких частот сглаживается фильтром низких частот, чтобы предотвратить попадание сигналов с частотами выше, чем частота дискретизации конкретного аналого-цифрового преобразователя, в данный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП может принимать сигнал из фильтра низких частот и затем посылать его в измерительную электронику 20.
Для приведенных здесь вариантов осуществления выходное напряжение мостовой схемы 206, 206' подается на вход измерительной электроники 20. По причине дрейфа постоянной составляющей, который характерен для измерения тензометрами, применение цифровой электроники полезно при выполнении точных измерений фазового сдвига между сигналами. При использовании аналоговых электронных схем, фазовый сдвиг между двумя синусоидальными сигналами, например, из тензометров 200A-D, обычно вычисляется один раз за период, когда сигналы из тензометров 200A-D переходят через нуль Вольт. Поскольку в случае с тензометрами существует некоторый дрейф постоянной составляющей, то сигналы не всегда выровнены по центру относительно нуля Вольт, что затрудняет устойчивое вычисление фазы. Вариант осуществления использует фильтр Гильберта для непрерывного вычисления фазового сдвига между двумя сигналами измерительных преобразователей. При использовании данного подхода, смещение постоянной составляющей сигнала не влияет на вычисление фаз.
Подробные описания вышеописанных вариантов осуществления не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов осуществления, которые, как предполагают авторы настоящего изобретения, находятся в пределах объема изобретения. Действительно, специалисты в данной области техники обнаружат, что некоторые элементы вышеописанных вариантов осуществления можно различным образом объединять или исключать для создания дополнительных вариантов осуществления, и данные дополнительные варианты осуществления находятся в пределах объема и принципов настоящего изобретения. Специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники будет также очевидно, что вышеописанные варианты осуществления можно объединять в целом или частично для создания дополнительных вариантов осуществления в пределах объема и принципов изобретения.
Итак, хотя выше для иллюстрации описаны конкретные варианты осуществления и примеры изобретения, в пределах объема изобретения возможны различные эквивалентные модификации, которые будут найдены специалистами в соответствующей области техники. Принципы, изложенные в настоящей заявке можно применить к другим устройствам и способам, а не только к вариантам осуществления, описанным выше и представленным на прилагаемых фигурах. Соответственно, объем изобретения должен определяться нижеприведенной формулой изобретения.