УРАВНОВЕШИВАЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ РАСХОДОМЕРА КОРИОЛИСА С ОДНОЙ КРИВОЛИНЕЙНОЙ ТРУБКОЙ
BALANCING STRUCTURE FOR CORIOLIS FLOW METRE WITH ONE CURVILINEAR PIPE

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области расходомеров, в частности, к расходомерам Кориолиса.
2. Описание предшествующего уровня техники
Расходомеры Кориолиса обычно работают при вибрировании одной или нескольких расходомерных трубок и измерении отклонений, или разностей фаз, вибрирующих расходомерных трубок, вызванных силами Кориолиса в результате протекания материала по расходомерным трубкам. Расходомеры Кориолиса имеют расходомерные трубки нескольких различных конструкций. Некоторые измерители имеют прямые расходомерные трубки, а некоторые имеют криволинейные расходомерные трубки. Некоторые измерители имеют одну расходомерную трубку, а некоторые имеют две расходомерные трубки. Расходомер Кориолиса каждого вида разрабатывают для решения различных проблем при работе расходомера. Одна из проблем касается вибрации расходомера в месте соединения с трубопроводной системой. Обычно расходомер должен иметь фланец на каждом конце измерителя, что позволяет включать измеритель в трубопроводную систему.
В конструкциях с двумя трубками поток материала обычно разделяется на две струи путем использования манифольдов, и две струи материала направляются в две расходомерные трубки. Поскольку поток разделяется на две струи, то не является необходимым, чтобы диаметр расходомерных трубок был таким же, как диаметр трубопроводной системы. Обычно две трубки являются симметричными по форме и установлены параллельно друг другу. Две трубки обычно вибрируют на одной и той же частоте, но в противофазе. Поскольку трубки являются симметричными и вибрирующими противоположно друг другу, вибрации обычно компенсируются, когда две трубки соединены. Этим создается уравновешенный расходомер (то есть на манифольдах вибрация измерителя небольшая или отсутствует). При изменении плотности материала, протекающего по двум трубкам, масса обеих трубок изменяется одинаково, и поэтому конструкция с двумя трубками сохраняется уравновешенной в широком диапазоне плотностей материала. Две трубки обычно соединены друг с другом на манифольдах. В случае конструкции с двумя трубками разделение широкого ассортимента различных материалов на два равных потока является трудной задачей. Кроме того, при разделении потока может создаваться более высокое падение давления на расходомере. В дополнение к этому внутри манифольда в месте разделения может создаваться препятствие движению материала.
В конструкциях с одной трубкой поток не разделяется на две струи. Этим исключаются проблемы, связанные с разделением потока на две равные струи. Поскольку имеется только одна вибрирующая трубка, другой способ должен использоваться для исключения вибрации расходомера на фланцах. В конструкциях с прямой одной трубкой можно использовать уравновешивающий элемент, окружающий по меньшей мере часть вибрирующей расходомерной трубки. Один такой измеритель раскрыт в патенте США №6401548 под названием "Coriolis mass flow/density sensor". В конструкциях с криволинейной одной расходомерной трубкой используют несколько технических решений для исключения вибрации измерителя на манифольдах. Одно техническое решение, например, в патенте США №5705754 под названием "Coriolis-Type mass flowmeter with a single measuring tube" заключается во включении в состав измерителя опорной пластины, имеющей значительно большую массу, чем масса вибрирующей трубки. Другое техническое решение заключается в наличии двух трубок, параллельных друг другу, но материал протекает только по одной из трубок. Вторая «ложная» трубка используется в качестве противовеса и вибрирует в противофазе с измерительной трубкой. Пример этого технического решения показан в патенте США №6666098 под названием "Vibratory transducer". Еще одно техническое решение, например, в патенте США №6484591 под названием "Mass flow rate/density sensor with a single curved measuring tube" заключается в создании конструкции, прикрепляемой к одной трубке, которая имеет элемент, который вибрирует в противофазе относительно вибрирующей трубки. Этими способами можно создавать уравновешенный измеритель для одного материала с заданной плотностью. К сожалению, когда плотность материала изменяется или осуществляются измерения на различных материалах с различной плотностью, расходомер больше не будет уравновешенным.
Поэтому имеется необходимость в системе и способе для уравновешивания расходомера Кориолиса с одной криволинейной трубкой в широком диапазоне плотностей материалов.
Сущность изобретения
Раскрыт расходомер Кориолиса, в котором используется отклонение крутильного элемента для уравновешивания вибрации одной криволинейной расходомерной трубки. Два конца крутильного элемента прикреплены к центральной секции одной расходомерной трубки и вибрируют вместе с ней. Уравновешивающий элемент прикреплен к центральной секции крутильного элемента и вибрирует в противофазе относительно одной расходомерной трубки, вызывая отклонение крутильного элемента при кручении.
Объекты
Один объект изобретения включает в себя расходомер Кориолиса, содержащий:
одну расходомерную трубку, содержащую:
впускную секцию и выпускную секцию, причем впускная секция и выпускная секция находятся на одной оси;
первую изогнутую секцию, прикрепленную к впускной секции, и вторую изогнутую секцию, прикрепленную к выпускной секции;
соединительную секцию, продолжающуюся между первой изогнутой секцией и второй изогнутой секцией, где центр соединительной секции задает ось симметрии одной расходомерной трубки и причем одна расходомерная трубка является симметричной относительно оси симметрии, причем одна расходомерная трубка образована по существу в одной плоскости;
крутильный элемент, имеющий первый конец и второй конец, где первый конец прикреплен к соединительной секции одной расходомерной трубки вблизи первой изогнутой секции и второй конец прикреплен к соединительной секции одной расходомерной трубки вблизи второй изогнутой секции;
уравновешивающий элемент, прикрепленный к крутильному элементу и продолжающийся к центру соединительной секции одной расходомерной трубки, причем уравновешивающий элемент является в основном перпендикулярным к крутильному элементу;
по меньшей мере один кронштейн привода, прикрепленный к уравновешивающему элементу, причем по меньшей мере один кронштейн привода сконфигурирован для установки приводного устройства, где приводное устройство сконфигурировано для приложения силы к одной расходомерной трубке;
крутильный элемент, имеющий центральную секцию, причем первый конец и второй конец крутильного элемента сконфигурированы для вибрирования в фазе с одной расходомерной трубкой и центральная секция сконфигурирована для вибрирования в противофазе относительно одной расходомерной трубки, в результате чего вызывается деформация крутильного элемента при кручении вдоль оси крутильных колебаний.
Предпочтительно, первый манифольд соединен с впускной секцией одной расходомерной трубки и второй манифольд соединен с выпускной секцией одной расходомерной трубки;
при этом разделитель манифольдов продолжается между первым и вторым манифольдами, разделитель манифольдов имеет наружную поверхность, разделитель манифольдов имеет первое отверстие сквозь наружную поверхность вблизи первого манифольда и второе отверстие сквозь наружную поверхность вблизи второго манифольда, где первый конец соединительной секции одной расходомерной трубки вытянут через первое отверстие и второй конец соединительной секции одной расходомерной трубки вытянут через второе отверстие;
гибкий элемент совмещен с осью крутильных колебаний и соединен с наружной поверхностью разделителя манифольдов, и соединен со второй поверхностью центральной секции крутильного элемента.
Предпочтительно, чтобы разделитель манифольдов окружал впускную секцию и выпускную секцию одной расходомерной трубки и первую изогнутую секцию и вторую изогнутую секцию одной расходомерной трубки.
Предпочтительно, чтобы разделитель манифольдов был по существу цилиндрическим.
Предпочтительно, чтобы ось крутильных колебаний находилась в плоскости, заданной одной расходомерной трубкой.
Предпочтительно, опорный элемент датчиков прикреплен к уравновешивающему элементу, где опорный элемент датчиков является параллельным крутильному элементу и продолжается между двумя сегментами соединительной секции одной расходомерной трубки по противоположным сторонам от оси симметрии одной расходомерной трубки и где опорный элемент датчиков сконфигурирован для поддержания первого сенсорного устройства на первом конце опорного элемента датчиков и второго сенсорного устройства на втором конце опорного элемента датчиков.
Предпочтительно, висячий элемент прикреплен к крутильному элементу, причем висячий элемент является перпендикулярным к крутильному элементу и продолжается вниз от крутильного элемента, на расстояние от одной расходомерной трубки, и совмещен с осью симметрии одной расходомерной трубки, причем висячий элемент сконфигурирован для исключения всякого остаточного движения в первом и втором манифольдах.
Предпочтительно, чтобы висячий элемент представлял собой плоскую пластину в основном с прямоугольной конфигурацией, с длинной осью прямоугольной конфигурации, перпендикулярной к крутильному элементу.
Предпочтительно, крутильный элемент представляет собой в основном плоскую пластину, параллельную оси крутильных колебаний, причем первый конец крутильного элемента согнут так, что первый конец является перпендикулярным к соединительной секции одной расходомерной трубки, причем первый конец крутильного элемента соединен с соединительной секцией одной расходомерной трубки и второй конец крутильного элемента согнут так, что второй конец является перпендикулярным к соединительной секции одной расходомерной трубки, причем второй конец крутильного элемента соединен с соединительной секцией одной расходомерной трубки.
Предпочтительно, чтобы соединительная секция одной расходомерной трубки содержала:
первую прямолинейную секцию, прикрепленную к первой изогнутой секции, и вторую прямолинейную секцию, прикрепленную ко второй изогнутой секции одной расходомерной трубки;
криволинейную вершинную секцию, прикрепленную к первой прямолинейной секции и второй прямолинейной секции и продолжающуюся между ними.
Предпочтительно, чтобы уравновешивающий элемент одной расходомерной трубки представлял собой в основном плоскую пластину, имеющую трапецеидальную конфигурацию с широким концом трапецоида, прикрепленным к крутильному элементу вдоль оси крутильных колебаний.
Предпочтительно конфигурировать уравновешивающий элемент так, чтобы имелась высокая изгибная жесткость вдоль оси симметрии одной расходомерной трубки.
Предпочтительно, чтобы жесткость расходомерной трубки и жесткость крутильного элемента и уравновешивающего элемента были подогнаны так, чтобы собственная частота несинфазной вибрации расходомерной трубки и крутильного элемента, и уравновешивающего элемента была намного выше, чем синфазная собственная частота.
Другой объект изобретения представляет собой способ уравновешивания расходомера Кориолиса, имеющего одну криволинейную расходомерную трубку, содержащий этапы, на которых:
подвешивают одну криволинейную расходомерную трубку между двумя концами расходомера Кориолиса, где две изогнутые секции одной криволинейной расходомерной трубки являются неподдерживаемыми и где две изогнутые секции находятся по противоположным сторонам от оси симметрии одной криволинейной расходомерной трубки;
прикрепляют два конца крутильного элемента к одной криволинейной расходомерной трубке в двух точках, расположенных симметрично относительно оси симметрии одной криволинейной расходомерной трубки и ближе к оси симметрии, чем к двум изогнутым секциям одной криволинейной расходомерной трубки;
создают силу между одной криволинейной расходомерной трубкой первую изогнутую секцию (316), прикрепленную к впускной секции (312), и вторую изогнутую секцию (318), прикрепленную к выпускной секции (314);
соединительную секцию (324), продолжающуюся между первой изогнутой секцией (316) и второй изогнутой секцией (318), где одна криволинейная расходомерная трубка является симметричной относительно оси симметрии, которая задается центром соединительной секции (324),
и одна криволинейная расходомерная трубка сформирована по существу в одной плоскости;
прикрепляют первый конец крутильного элемента (430) к соединительной секции одной криволинейной расходомерной трубки вблизи первой изогнутой секции (316) и прикрепляют второй конец крутильного элемента (430) к соединительной секции одной криволинейной расходомерной трубки вблизи второй изогнутой секции (318), причем крутильный элемент (430) также имеет центральную секцию;
прикрепляют уравновешивающий элемент (432) к первой стороне крутильного элемента (430), где уравновешивающий элемент (432) продолжается к центру соединительной секции одной криволинейной расходомерной трубки, и ориентируют уравновешивающий элемент (432) в плоскости одной криволинейной расходомерной трубки; и
прикрепляют по меньшей мере один кронштейн (438) привода к уравновешивающему элементу (432), причем по меньшей мере один кронштейн (438) привода конфигурируют для установки приводного устройства, где приводное устройство конфигурируют для приложения силы к одной криволинейной расходомерной трубке;
причем первый конец и второй конец крутильного элемента (430) сконфигурированы для вибрирования синфазно с одной криволинейной расходомерной трубкой, центральная секция сконфигурирована для вибрирования в противофазе относительно одной криволинейной, второй конец крутильного элемента отклоняют синфазно с вибрацией одной криволинейной расходомерной трубки, центральную секцию крутильного элемента отклоняют при кручении в противофазе относительно вибрации одной криволинейной расходомерной трубки, первую ось вибрации образуют на первом месте между первым концом и центральной секцией крутильного элемента и вторую ось вибрации образуют на втором месте между вторым концом и центральной секцией крутильного элемента.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что осуществляют протекание материала, имеющего вторую плотность, по одной криволинейной расходомерной трубке, где первая плотность является иной, чем вторая плотность, и где первую ось вибрации больше не образуют на первом месте и вторую ось вибрации больше не образуют на втором месте.
Еще один объект изобретения представляет собой способ изготовления расходомера Кориолиса, содержащий этапы, на которых:
создают одну расходомерную трубку, при этом одна расходомерная трубка содержит:
впускную секцию и выпускную секцию, где впускная секция и выпускная секция находятся на одной оси;
первую изогнутую секцию, прикрепленную к впускной секции, и вторую изогнутую секцию, прикрепленную к выпускной секции;
соединительную секцию, продолжающуюся между первой изогнутой секцией и второй изогнутой секцией, где центр соединительной секции задает ось симметрии одной расходомерной трубки, одна расходомерная трубка является симметричной относительно оси симметрии и одна расходомерная трубка образована по существу в одной плоскости;
прикрепляют первый конец крутильного элемента к соединительной секции одной расходомерной трубки вблизи первой изогнутой секции и прикрепляют второй конец крутильного элемента к соединительной секции одной расходомерной трубки вблизи второй изогнутой секции;
прикрепляют уравновешивающий элемент к первой стороне крутильного элемента, где уравновешивающий элемент продолжается к центру соединительной секции одной расходомерной трубки и где уравновешивающий элемент ориентируют в плоскости расходомерной трубки;
прикрепляют по меньшей мере один кронштейн привода к уравновешивающему элементу, где по меньшей мере один кронштейн привода конфигурируют для установки приводного устройства, где приводное устройство конфигурируют для приложения силы к одной расходомерной трубке;
крутильный элемент, имеющий центральную секцию, где первый конец и второй конец крутильного элемента конфигурируют для вибрирования синфазно с одной расходомерной трубкой и центральную секцию конфигурируют для вибрирования в противофазе относительно одной расходомерной трубки, в результате чего вызывается деформация крутильного элемента при кручении вдоль оси крутильных колебаний.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно содержал этапы, на которых соединяют первый манифольд с впускной секцией одной расходомерной трубки и второй манифольд с выпускной секцией одной расходомерной трубки;
прикрепляют разделитель манифольдов между первым и вторым манифольдами, при этом разделитель манифольдов имеет наружную поверхность, разделитель манифольдов имеет первое отверстие сквозь наружную поверхность вблизи первого манифольда и второе отверстие сквозь наружную поверхность вблизи второго манифольда, где первый конец соединительной секции одной расходомерной трубки вытянут через первое отверстие и второй конец соединительной секции одной расходомерной трубки вытянут через второе отверстие;
прикрепляют гибкий элемент к наружной поверхности разделителя манифольдов и к крутильному элементу, где крутильный элемент совмещают с осью крутильных колебаний.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что разделитель манифольдов окружает впускную секцию и выпускную секцию одной расходомерной трубки и первую изогнутую секцию и вторую изогнутую секцию одной расходомерной трубки.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что разделитель манифольдов является по существу цилиндрическим.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что ось крутильных колебаний проходит между соединительной секцией одной расходомерной трубки вблизи первой изогнутой секции и соединительной секцией одной расходомерной трубки вблизи второй изогнутой секции на всем протяжении длины центральной секции крутильного элемента.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что прикрепляют опорный элемент датчиков к уравновешивающему элементу, где опорный элемент датчиков является параллельным крутильному элементу и продолжается между двумя сегментами соединительной секции одной расходомерной трубки по противоположным сторонам от оси симметрии одной расходомерной трубки и где опорный элемент датчиков конфигурируют для поддержания первого сенсорного устройства на первом конце опорного элемента датчиков и второго сенсорного устройства на втором конце опорного элемента датчиков.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что прикрепляют висячий элемент к крутильному элементу, где висячий элемент является перпендикулярным к крутильному элементу и продолжается вниз от крутильного элемента на расстояние от уравновешивающего элемента, расположен в плоскости одной расходомерной трубки и где висячий элемент конфигурируют для исключения всякого остаточного движения в первом и втором манифольдах.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что висячий элемент представляет собой плоскую пластину в основном с прямоугольной конфигурацией, с длинной осью прямоугольной конфигурации, перпендикулярной к крутильному элементу.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что крутильный элемент представляет собой в основном плоскую пластину, параллельную оси крутильных колебаний, первый конец крутильного элемента сгибают так, чтобы первый конец был перпендикулярным к соединительной секции одной расходомерной трубки, первый конец крутильного элемента соединяют с соединительной секцией одной расходомерной трубки и второй конец крутильного элемента сгибают так, чтобы второй конец был перпендикулярным к соединительной секции одной расходомерной трубки, второй конец крутильного элемента соединяют с соединительной секцией одной расходомерной трубки.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что соединительная секция одной расходомерной трубки, дополнительно содержит:
первую прямолинейную секцию, прикрепленную к первой изогнутой секции, и вторую прямолинейную секцию, прикрепленную ко второй изогнутой секции одной расходомерной трубки;
криволинейную вершинную секцию, прикрепленную к первой прямолинейной секции и второй прямолинейной секции и продолжающуюся между ними.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что уравновешивающий элемент одной расходомерной трубки представляет собой в основном плоскую пластину, имеющую трапецеидальную конфигурацию с широким концом трапецоида, прикрепленным к крутильному элементу вдоль оси крутильных колебаний.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что уравновешивающий элемент конфигурируют так, чтобы имелась высокая изгибная жесткость вдоль оси симметрии одной расходомерной трубки.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно заключался в том, что жесткость расходомерной трубки и жесткость крутильного элемента и уравновешивающего элемента подгоняют так, чтобы собственная частота несинфазной вибрации трубки, крутильного элемента и уравновешивающего элемента была намного выше, чем синфазная собственная частота.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - изометрический вид расходомера 100 Кориолиса без кожуха согласно примеру осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - изометрический вид расходомера 200 Кориолиса с кожухом согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.3 - изометрический вид одной криволинейной расходомерной трубки 308 согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.4 - изометрический вид части расходомера 400 Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.5 - частичный изометрический разрез расходомера 500 Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.6a - упрощенный вид сбоку расходомера 600 Кориолиса в неотклоненном состоянии согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.6b - упрощенный вид сбоку расходомера 600 Кориолиса во время вибрации с преувеличенным пиковым смещением согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.7а - упрощенный изометрический вид крутильного элемента 730 в неотклоненном состоянии согласно примеру осуществления изобретения;
фиг.7b - упрощенный изометрический вид крутильного элемента 730 в отклоненном состоянии согласно примеру осуществления изобретения; и
фиг.8 - разрез одного конца расходомера Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительного осуществления
На фиг.1-7 и в последующем описании представлены конкретные примеры, предназначенные для усвоения специалистами в данной области техники сведений о путях осуществления и использования наилучшей формы изобретения. С целью усвоения принципов изобретения некоторые известные аспекты упрощены или опущены. Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание варианты этих примеров, которые попадают в объем изобретения. Специалисты в данной области техники должны понимать, что признаки, описанные ниже, можно сочетать различными способами для образования многочисленных вариантов изобретения. В результате изобретение не ограничивается конкретными примерами, описанными ниже, а только притязаниями согласно формуле изобретения и эквивалентами их.
На фиг.1 представлен изометрический вид расходомера 100 Кориолиса согласно примеру осуществления настоящего изобретения. Расходомер 100 Кориолиса содержит впускной фланец 102, выпускной фланец 104, впускной манифольд 154, выпускной манифольд 152, разделитель 106 манифольдов, одну криволинейную расходомерную трубку 108 и уравновешивающую конструкцию 110. Впускной и выпускной фланцы (102 и 104) использованы для включения расходомера 100 Кориолиса в трубопроводную систему (непоказанную). Впускной и выпускной фланцы (102 и 104) обычно имеют болтовые отверстия, но для простоты показаны без болтовых отверстий. Впускной и выпускной манифольды (152 и 154) закреплены на каждом конце разделителя 106 манифольдов. Разделитель 106 манифольдов обычно является цилиндрическим, но также может быть образован с другими поперечными сечениями, например с прямоугольным поперечным сечением. Каждый конец одной расходомерной трубки 108 вставлен в отверстие впускного и выпускного манифольдов (152 и 154). Нежесткое соединение (непоказанное) может быть использовано для присоединения концов одной криволинейной расходомерной трубки 108 к двум манифольдам (152 и 154). Криволинейная секция одной расходомерной трубки 108 вытянута поверх наружной поверхности разделителя 106 манифольдов через отверстие на каждом конце разделителя 106 манифольдов. Уравновешивающая конструкция 110 прикреплена к одной расходомерной трубке 108 в двух соединительных точках. Две соединительные точки расположены вблизи того и другого конца одной расходомерной трубки 108, вблизи места, где одна расходомерная трубка 108 вытянута за пределы разделителя 106 манифольдов. Уравновешивающая конструкция 110 подвешена между двумя соединительными точками на одной расходомерной трубке 108 и расположена между одной расходомерной трубкой 108 и разделителем 106 манифольдов. При работе защитную крышку прикрепляют к разделителю манифольдов и защищают одну криволинейную расходомерную трубку и уравновешивающую конструкцию от повреждения. На фиг.2 представлен изометрический вид расходомера 200 Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения. Расходомер 200 Кориолиса содержит впускной фланец 202, выпускной фланец 204, впускной манифольд 154, выпускной манифольд 254, разделитель 206 манифольдов и кожух 212.
На фиг.3 представлен изометрический вид одной криволинейной расходомерной трубки 308 согласно примеру осуществления изобретения. Одна криволинейная расходомерная трубка 308 состоит из впускной секции 312, выпускной секции 314, первой изогнутой секции 316, второй изогнутой секции 318, первой прямолинейной секции 320, второй прямолинейной секции 322 и криволинейной вершинной секции 324. Впускная секция 312 и выпускная секция 314 находятся на одной оси и соединяют соответственно впускной и выпускной манифольды (непоказанные). Первая изогнутая секция 316 соединена с впускной секцией 312. Вторая изогнутая секция 318 соединена с выпускной секцией 314. Первая прямолинейная секция 320 соединена с первой изогнутой секцией 316. Вторая прямолинейная секция 322 соединена со второй изогнутой секцией 318. Криволинейная вершинная секция 324 соединена с первой и второй прямолинейными секциями (320 и 322). Криволинейная вершинная секция 324 может иметь конфигурацию кругового сегмента или может иметь другие криволинейные конфигурации. Согласно одному примеру осуществления изобретения (непоказанному) криволинейная вершинная секция соединена непосредственно с первой и второй изогнутыми секциями (316 и 318), посредством чего исключаются две прямолинейные секции (320 и 322). Одна криволинейная расходомерная трубка образована по существу в одной плоскости. Одна криволинейная расходомерная трубка является симметричной относительно оси АА, поэтому ось АА образует ось симметрии для одной расходомерной трубки.
На фиг.4 представлен изометрический вид части расходомера 400 Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения. Расходомер 400 Кориолиса содержит разделитель 406 манифольдов, расходомерную трубку 408 и уравновешивающую конструкцию 410. Уравновешивающая конструкция 410 содержит крутильный элемент 430, уравновешивающий элемент 432, опорный элемент 434 датчиков и кронштейны 438 приводов. Уравновешивающая конструкция 410 и расходомерная трубка 408 действуют как динамическая система, которая ведет себя как двухэлементная система с подрессоренной массой без ограничивающих связей.
Каждый конец крутильного элемента 430 прикреплен к расходомерной трубке 408. Концы могут быть прикреплены пайкой твердым припоем, сваркой, склеиванием, зажиманием и т.п. Согласно одному примеру осуществления изобретения концы крутильного элемента 430 прикреплены к расходомерной трубке 408 вблизи места, где расходомерная трубка 408 вытянута поверх наружной поверхности разделителя 406 манифольдов. Крутильный элемент 430 представляет собой в основном плоскую пластину с двумя концами, отклоненными кверху так, что два конца являются перпендикулярными к расходомерной трубке в двух местах, где крутильный элемент 430 прикреплен к расходомерной трубке 408. Крутильный элемент 430 имеет верхнюю сторону и нижнюю сторону. Верхняя сторона обращена к криволинейной вершинной секции расходомерной трубки 408. Нижняя сторона обращена к разделителю манифольдов 406. Первый узел колебаний (то есть ось нулевого движения) проходит на всем протяжении длины крутильного элемента, пересекая ось симметрии расходомерной трубки вблизи места, где крутильный элемент прикреплен к расходомерной трубке. Первый узел колебаний также может быть назван узлом крутильных колебаний или осью крутильных колебаний. Крутильный элемент показан как в основном плоская пластина, но он может иметь другие конфигурации, например трубки, квадратного стержня и т.п.
Уравновешивающий элемент 432 прикреплен к верхней стороне крутильного элемента 430 и центрирован между двумя концами крутильного элемента 430. Уравновешивающий элемент 432 представляет собой по существу плоскую пластину, образованную в одной плоскости. Уравновешивающий элемент 432 является перпендикулярным к верхней стороне крутильного элемента 430. Плоскость, задаваемая уравновешивающим элементом 432, совпадает с первым узлом колебаний. На фиг.4 уравновешивающий элемент показан в виде трапеции, но может быть другой конфигурации, например прямоугольником и т.п. Уравновешивающий элемент 432 сконфигурирован так, что он имеет высокую изгибную жесткость в и вне плоскости, задаваемой одной расходомерной трубкой.
Согласно одному примеру осуществления изобретения опорный элемент 434 датчиков прикреплен к верхней части уравновешивающего элемента 432. Опорный элемент датчиков представляет собой в основном плоскую пластину, образованную в одной плоскости, с кронштейном 436 датчика на каждом конце. Опорный элемент 434 датчиков является перпендикулярным к уравновешивающему элементу 432. Опорный элемент датчиков центрирован от одной боковой поверхности до другой боковой поверхности и от передней стороны до задней стороны на уравновешивающем элементе 432. Кронштейны 435 датчиков на каждом конце опорного элемента 434 датчиков сконфигурированы для установки сенсоров (непоказанных), которые измеряют относительное положение или скорость между кронштейнами датчиков и расходомерной трубкой. Может быть использован сенсор любого типа, например пара из магнита и катушки, оптический сенсор и т.п. Согласно одному примеру осуществления изобретения магнит прикреплен к расходомерной трубке, а катушка прикреплена к кронштейну датчика. Опорный элемент 434 датчиков выполнен как структура с высокой жесткостью и небольшой массой, так что собственная частота любых мод колебаний в опорном элементе датчиков находится достаточно далеко от частоты возбуждения трубки и уравновешивающей конструкции. При таком разделении собственных частот минимизируется всякая связь между частотой возбуждения и другими модами колебаний. Согласно еще одному осуществлению изобретения (непоказанному) сенсоры датчиков не должны устанавливаться на уравновешивающей конструкции. Сенсоры датчиков должны устанавливаться на других деталях расходомера Кориолиса, например на разделителе манифольдов.
Согласно одному примеру осуществления изобретения кронштейны 438 приводов прикреплены к верхней части опорного элемента 434 датчиков. Кронштейны 438 приводов сконфигурированы для установки приводной системы (непоказанной), которая используется для приложения силы между уравновешивающей конструкцией и расходомерной трубкой. Эта сила обычно прикладывается к расходомерной трубке на оси симметрии трубки в центре криволинейной секции расходомерной трубки. Согласно одному примеру осуществления изобретения (непоказанному) имеется только один кронштейн привода, установленный на опорном элементе датчиков. Согласно другому осуществлению изобретения (непоказанному) кронштейны приводов могут быть установлены непосредственно на уравновешивающем элементе.
На фиг.5 представлен частичный изометрический разрез расходомера 500 Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения. Расходомер 500 Кориолиса содержит разделитель 506 манифольдов, расходомерную трубку 508 и уравновешивающую конструкцию 510. Разрез разделителя 506 манифольдов показан для раскрытия висячего элемента 510 и шарнира 542. Как показано на фиг.5, крутильный элемент 530 прикреплен к расходомерной трубке 508. Висячий элемент 540 прикреплен к нижней стороне крутильного элемента 530 и продолжается вниз во внутреннюю часть разделителя 506, манифольдов через отверстие в разделителе 506 манифольдов. Согласно одному примеру осуществления изобретения висячий элемент представляет собой в основном прямоугольную плоскую пластину с длинной осью, перпендикулярной к нижней поверхности крутильного элемента 530. Висячий элемент 540 может иметь другие конфигурации, например, может быть меньшей длины с массой, прикрепленной к кончику висячего элемента. Висячий элемент 540 является центрированным и симметричным относительно оси симметрии расходомерной трубки 508, которая пересекает центр криволинейной вершинной секции расходомерной трубки 508. Шарнир 542 представляет собой тонкий элемент, который соединяет нижнюю поверхность крутильного элемента 530 с верхней поверхностью разделителя 506 манифольдов. Шарнир обычно образован из двух частей, по одной по каждую сторону от отверстия для висячего элемента в разделителе 506 манифольдов. Шарнир 542 образует плоскость, которая совпадает с первым узлом или узлом крутильных колебаний в крутильном элементе 530. Поскольку шарнир 542 совпадает с узлом крутильных колебаний, шарнир имеет небольшое влияние или не оказывает влияния на повышение частоты расходомерной трубки и уравновешивающей конструкции. Шарнир 542 также может быть назван гибким элементом.
На фиг.6а и 6b представлены упрощенные виды сбоку расходомера 600 Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения. Расходомер 600 Кориолиса содержит впускной манифольд 154, расходомерную трубку 608 и уравновешивающую конструкцию, содержащую гибкий элемент 642, крутильный элемент 630, уравновешивающий элемент 632, опорный элемент 634 датчиков, кронштейн 636 датчика, кронштейн 638 привода и висячий элемент 640. Некоторые детали расходомера 600 Кориолиса упрощены ради ясности при описании работы расходомера, например, крутильный элемент 630 показан в виде одной плоской пластины и не показан имеющим концы, отклоненные кверху. На фиг.6а расходомерная трубка и уравновешивающая конструкция показаны в положении покоя или в несмещенном положении. При работе привод (непоказанный), прикрепленный к кронштейну привода, заставляет расходомерную трубку вибрировать по направлению стрелок ВВ. Уравновешивающая конструкция будет вибрировать с той же самой частотой, но в противофазе.
На фиг.6b представлен вид сбоку расходомера 600 Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения с преувеличенным пиковым смещением во время вибрации. Расходомерная трубка 608 повернута против часовой стрелки, а уравновешивающий элемент 632, опорный элемент 634 датчиков и висячий элемент 640 повернуты по часовой стрелке для уравновешивания перемещения расходомерной трубки 608. Крутильный элемент 630 деформирован при кручении вместе с концевыми секциями крутильного элемента 630, перемещающимися синхронно с расходомерной трубкой 608, и вместе со средней секцией крутильного элемента 630, перемещающейся синхронно с уравновешивающим элементом 632, висячим элементом 640 и опорным элементом 634 датчиков. Крутильная ось поворота находится по существу на всем протяжении пересечения гибкого элемента 642 с крутильным элементом 630.
На фиг.7а и 7b представлены упрощенные изометрические виды крутильного элемента 730 согласно примеру осуществления изобретения. Крутильный элемент 730 упрощен путем показа его в виде плоской пластины без концов, отклоненных кверху. На фиг.7а крутильный элемент 730 показан в недеформированном состоянии. Во время работы расходомера расходомерная трубка и уравновешивающий элемент вибрируют на одной и той же частоте, но в противофазе, вызывая перемещение расходомерной трубки и уравновешивающего элемента всегда в противоположных направлениях. На фиг.7b показана одна из форм крутильного элемента, которые он принимает во время вибрации расходомерной трубки и уравновешивающей конструкции. Два конца крутильного элемента 730, которые прикреплены к расходомерной трубке (непоказанной), закручиваются или поворачиваются вокруг оси ВВ в направлении против часовой стрелки, следуя за перемещением расходомерной трубки. Средняя или центральная секция крутильного элемента 730, прикрепленная к уравновешивающей конструкции (непоказанной), закручивается или поворачивается вокруг оси ВВ в противоположном направлении или по часовой стрелке, следуя за перемещением уравновешивающей конструкции. При противоположном вибрационном состоянии расходомерной трубки и уравновешивающей конструкции (непоказанных) два конца крутильного элемента будут отклоняться кручением в направлении по часовой стрелке вокруг оси ВВ, а средняя секция крутильного элемента 730 будет отклоняться кручением в противоположном направлении или против часовой стрелки вокруг оси ВВ.
Ось СС и ось DD представляют местоположения двух узлов колебаний или осей колебаний, образуемых в крутильном элементе 730. Каждый участок крутильного элемента 730 между осью СС и осью DD поворачивается вместе с уравновешивающей конструкцией вокруг оси ВВ. Каждый участок крутильного элемента 730 слева от оси СС и справа от оси DD поворачивается вокруг оси ВВ вместе с расходомерной трубкой. Положение или местоположение оси СС и оси DD может изменяться в ответ на изменение плотности материала, протекающего по расходомерной трубке. Когда плотность материала, протекающего по расходомерной трубке, возрастает, вызывая повышение массы вибрирующей трубки, два узла колебаний сдвигаются на расстояние друг от друга. Когда плотность материала, протекающего по расходомерной трубке, снижается, вызывая уменьшение массы вибрирующей трубки, два узла колебаний перемещаются друг к другу. Амплитуда вибрации расходомерной трубки, деленная на амплитуду вибрации уравновешивающей конструкции, будет называться амплитудным коэффициентом. Амплитудный коэффициент также изменяется с изменением плотности материала, протекающего по расходомерной трубке. Когда плотность жидкости возрастает, амплитудный коэффициент уменьшается.
На фиг.8 представлен разрез одного конца расходомера Кориолиса согласно примеру осуществления изобретения. На фигуре 8 содержатся выпускной манифольд 852, выпускной фланец 804, разделитель 806 манифольдов, выпускная секция 814 расходомерной трубки, вторая изогнутая секция 818 расходомерной трубки, вторая прямолинейная секция 822 расходомерной трубки и крутильный элемент 830. Выпускной манифольд 852 установлен на конце разделителя 806 манифольдов. Выпускная секция расходомерной трубки 814 установлена в выпускной фланец 804. В этом осуществлении расходомерная трубка пропущена через манифольд 852 без соприкосновения с ним. Вместо этого конец расходомерной трубки 814 прикреплен к фланцу 804. Чтобы предотвратить перемещение трубки в направлении вибрации, трубка прикреплена к корпусному соединительному элементу 856. Вторая изогнутая секция 818 расходомерной трубки не поддерживается. Крутильный элемент 830 соединен со второй прямолинейной секцией расходомерной трубки вблизи места, где расходомерная трубка выводится из разделителя 806 манифольдов. Первая изогнутая секция (непоказанная) расходомерной трубки также не поддерживается.
Уравновешивающая конструкция и расходомерная трубка согласно настоящему изобретению действуют как динамическая система, которая ведет себя как двухэлементная система с подрессоренной массой без ограничивающих связей. Система является самоуравновешивающейся в том смысле, что без всяких внешних сил суммарный момент системы равен нулю. Система будет самоуравновешивающейся при изменениях плотности материала, протекающего через расходомер. Самоуравновешивание будет достигаться автоматически путем сдвига амплитудного коэффициента, в результате чего амплитуда расходомерной трубки уменьшается, а амплитуда уравновешивающей конструкции увеличивается, когда плотность жидкости возрастает. В дополнение к изменению амплитудного коэффициента, будет иметься соответствующий сдвиг положений двух узлов колебаний, которые разделяют крутильный элемент на часть, которая перемещается вместе с уравновешивающей конструкцией, и часть, которая перемещается вместе с расходомерной трубкой. Собственная частота вибрации или частота возбуждения трубки и уравновешивающей конструкции находятся значительно выше собственной частоты вибрации других конструкций в расходомере. Большое частотное разделение между другими конструктивными частотами и конструктивными частотами расходомерной трубки/уравновешивающей конструкции позволяет конструкции расходомерная трубка/уравновешивающая конструкция вести себя подобно двухэлементной системе без ограничивающих связей. Две изогнутые секции расходомерной трубки слева не поддерживаются (как показано на фигуре 8) для обеспечения нежесткого соединения с манифольдом. При использовании нежесткого соединения между расходомерной трубкой/уравновешивающей конструкцией и манифольдом динамическая конструкция из расходомерной трубки/уравновешивающей конструкции является свободной для действия в качестве двухэлементной системы без ограничивающих связей.
Жесткость расходомерных трубок и уравновешивающей конструкции подбирают так, чтобы собственная частота несинфазной вибрации трубки и уравновешивающей конструкции была намного выше, чем синфазная собственная частота. Этим минимизируют связь между двумя модами колебаний расходомерных трубок и уравновешивающей конструкции. Согласно одному примеру осуществления изобретения синфазная собственная частота составляет около 247 Гц и несинфазная собственная частота составляет около 408 Гц. Кроме того, конструкцию расходомера выполняют так, чтобы была задана собственная частота другой моды колебаний, отстоящая по меньшей мере на 100 Гц от частоты возбуждения.
Висячий элемент используют для уравновешивания перемещения изогнутой секции (316 или 318) расходомера за пределами динамической конструкции из расходомера/уравновешивающей конструкции. Длину, форму и массу висячего элемента подгоняют для исключения всякого остаточного движения во фланцах (102 и 104).