Кориолисовый расходомер вискозиметр
CORIOLIS FLOW METER - VISCOSIMETER

Изобретение относится к приборостроению в области измерения параметров протекающих жидкостей и может быть использовано для непрерывного измерения расхода и вязкости жидкостей с переменной температурой, при высоких давлениях, например, для закачки бурового, цементного раствора при давлении до 700 атмосфер.
Известны кориолисовые поточные прямотрубные двухтрубные расходомеры, в которых поток разделяется на два симметричных ручья, протекающих по измерительным трубам. С помощью электромагнита, расположенного в центре, возбуждаются колебания между трубами. Имеются два сенсора скорости перемещения (электромагнитные), расположенные симметрично относительно середины прибора между концами труб и электромагнитом. С помощью одного из сенсоров реализуется обратная связь управления электромагнитом: колебания выходят на режим резонанса и с фиксированной амплитудой.
По значению резонансной частоты определяется плотность жидкости (частота зависит от массы раскачиваемого элемента, т.е. труб с жидкостью, объем внутреннего пространства фиксирован). В результате движения жидкости по колеблющимся трубам возникает сила Кориолиса, что проявляется в возникновении разности фаз между показаниями сенсоров. Таким образом, вычисляется массовый расход. Зная плотность, из массового расхода вычисляется объёмный расход. Симметричная конструкция из двух трубок обеспечивает стабильность колебаний. Недостатком прямотрубных конструкций остается температурная зависимость жесткости труб. При нагревании труб относительно корпуса прибора трубы удлиняются, что влечёт появление дополнительных механических напряжения, которые сказываются на жёсткости труб, обеспечивающей возвратную силу при колебаниях.
Известен прямоточный вискозиметр (по патенту US6006609), содержащий корпус с опорами для трубы, через которую протекает измеряемая жидкость, консоль, которая прикреплена к измерительной трубе и которая во время работы вызывает закручивание измерительной трубки; устройство возбуждения колебаний и датчики обнаружения движений измерительной трубки. Для скручивания трубки с вязкой жидкостью приходится приложить усилие большее, чем с менее вязкой жидкостью. Мощность, потребляемую в цепи возбуждения измерительной трубки сопоставляют со значением вязкости рабочей среды.
Известен прямоточный вискозиметр (по патенту US5661232, выбран в качестве прототипа), имеющий корпус с установленными в нем параллельными трубами, концы которых жестко закреплены друг относительно друга, каждая из которых представляет собой кориолисовый расходомер с прямой трубкой. Каждый расходомер содержит электромагнитные катушками с магнитами. Между трубами также установлена катушка с магнитом. В параллельных трубах возбуждаются колебания с разными характеристиками, благодаря чему возникает разница в сопротивлении потокам, протекающим по трубам, что позволяет рассчитывать вязкость.
Общим недостатком известных вискозиметров является низкая точность измерений вязкости при переменной температуре измеряемой жидкости - происходит изменение размеров трубок, возникают напряжения в материале труб, что изменяет характеристики измерительной колебательной системы.
Технической задачей изобретения является повышение точности одновременного измерения расхода и вязкости, в широких диапазонах рабочих давлений и температуры жидкости.
Технический результат достигается в кориолисовом расходомере вискозиметре, содержащем две, объединенные на концах, U-образные трубы. На прямолинейных участках U-образных труб установлена колебательная система, выполненная с возможностью возбуждения колебаний U-образных труб в плоскости, образованной продольными осями прямолинейных участков, и крутильных колебаний вокруг продольных осей прямолинейных участков U-образных труб. Колебательная система и сенсоры расположены между  отсечными пластинами, обхватывающими  U-образные трубы. Колебательная система включает раскачивающий электромагнит и эксцентрики, выполненные в виде масс, вынесенных на кронштейнах. Кориолисовый расходомер вискозиметр снабжен сенсорами колебаний, а именно, установлено две пары электромагнитных сенсоров колебаний: первая пара сенсоров колебаний, расположенных на прямолинейных участках U-образных труб, по разные стороны относительно колебательной системы; вторая пара сенсоров колебаний, расположенных на эксцентриках, на разном расстоянии от продольных осей прямолинейных участков U-образных труб.
Изобретение поясняется рисунками:
фиг. 1-3 – кориолисовый расходомер вискозиметр;
фиг. 4 – отсечная пластина;
фиг. 5 – колебательная система.
Кориолисовый расходомер вискозиметр (далее - расходомер) содержит две одинаковые параллельные U-образные трубы 1, объединенные на концах симметричными делителями-сумматорами потока, выполненных в виде переходников с одного отверстия на два, равных в сумме по площади одному исходному. Входной делитель и выходной сумматор потока сварены через толстую трубу внешнего кожуха в одно неподвижное звено (основание), относительно которого происходят движения измерительных труб.
На параллельных прямолинейных участках 2 U-образных труб 1 установлена колебательная система, отделённая от криволинейных участков отсечными пластинами.  Система выполнена с возможностью возбуждения колебаний прямолинейных участков U-образных труб 1 в плоскости, образованной продольными осями 3 прямолинейных участков 2, и крутильных колебаний вокруг продольных осей 3 прямолинейных участков 2 U-образных труб 1. Для этого, колебательная система включает раскачивающий электромагнит 4 и эксцентрики, выполненные в виде масс 5 (грузиков), вынесенных на кронштейнах 6.
Расходомер снабжен двумя парами электромагнитных сенсоров колебаний. Первая пара 7 сенсоров колебаний расположена на прямолинейных участках 2 U-образных труб 1, по разные стороны относительно колебательной системы, на равных расстояниях от нее. Каждый сенсор колебаний представляет собой постоянный магнит и катушку, которые закреплены вблизи друг от друга на разных трубах. При относительном движении в катушке наводится ЭДС, пропорциональная скорости перемещения. Во время гармонических колебаний амплитуда скорости пропорциональна амплитуде перемещений (колебаний).
Вторая пара точно таких же сенсоров  колебаний 8 расположена на кронштейнах 6 эксцентриков, на разном расстоянии от продольных осей 3 прямолинейных участков 2 U-образных труб 1. По разности амплитуд сигнала между этими сенсорами колебаний  определяется угол закрутки U-образных труб 1.
Колебательная система (иначе, раскачивающая система) и сенсоры колебаний расположены между металлическими отсечными пластинами 9, обхватывающими U-образные трубы 1 на прямолинейных участках 2 и соединенными с трубами сваркой. Отсечные пластины 9, благодаря жесткой связи с U-образными трубами уменьшают распространение колебаний (локализуют колебания внутри прямотрубного участка) на участки U-образных труб, лежащих вне отрезка между отсечными пластинами 9, повышая точность измерений.
Расходомер работает следующим образом.
Поток жидкости разделяется на два ручья, протекающих по параллельным измерительным U-образным трубам 1. С помощью электромагнита 4, расположенного в центре, возбуждаются колебания между трубами на прямотрубном участке. С помощью одного из первой пары  сенсоров колебаний 7 реализуется обратная связь управления электромагнитом 4: колебания выходят на режим резонанса и с фиксированной амплитудой. По значению резонансной частоты определяется плотность жидкости (частота зависит от массы раскачиваемого элемента, т.е. труб с жидкостью, объем внутреннего пространства фиксирован). В результате движения жидкости по колеблющимся трубам возникают силы Кориолиса, что проявляется в возникновении разности фаз между показаниями первой пары 7 сенсоров колебаний. Таким образом вычисляется массовый расход. Зная плотность, из массового расхода вычисляется объёмный расход.
Симметричная конструкция из двух труб обеспечивает стабильность колебаний.
При нагревании труб они удлиняются, но U-образная форма пары измерительных труб позволяет им удлиняться без возникновения механических напряжений внутри измерительного участка между отсечными пластинами.
Функция вискозиметра реализуется с помощью эксцентриков. Часть энергии колебаний прямолиненых участков U-образных трубок переходит во вращательное движение. Возникновение дополнительного движения внутренних стенок труб относительно жидкости приводит к трению, потерям энергии, которые пропорциональны вязкости. Вторая пара  сенсоров колебаний 8, установленных на кронштейнах 6, измеряет угол закрутки труб. При отсутствии вязкости этот угол будет максимальным, при высокой вязкости – минимальным. На фиг. 5 показано, как взаимные поступательные колебания труб преобразуются эксцентриками во вращательные колебания, что приводит к поворотам труб вокруг продольных осей 3. Возникающее трение между внутренними стенками труб и жидкостью обусловлено вязкостью.
U-образная форма расходомера повышает точность измерений, поскольку даёт возможность расширяться или сжиматься трубам в следствии температурного расширения, без напряжений в трубах. Отсутствие внутренних препятствий для абразивной жидкости повышает точность измерений и снижает гидродинамическое сопротивление.