КОМПЕНСАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ВИБРАЦИОННОМ РАСХОДОМЕРЕ С ИЗОГНУТЫМ ТРУБОПРОВОДОМ
THERMAL STRESSES COMPENSATION IN A CURVED TUBE VIBRATING FLOWMETER

Уровень техники
1. Область техники
Настоящее изобретение относится к вибрационному расходомеру с изогнутым трубопроводом и, более конкретно, к компенсации тепловых напряжений в вибрационном расходомере с изогнутым трубопроводом.
2. Формулировка проблемы
Вибрационные трубопроводные датчики, например, массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры, обычно действуют посредством регистрации движения 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 смещения, связанных с трубопроводом. Колебательные моды колеблющейся и заполненной материалом системы, вообще говоря, определяются суммарной массой, жесткостью и параметрами демпфирования самого трубопровода и содержащегося в нем материала.
Типичный массовый расходомер Кориолиса включает в себя один или несколько трубопроводов, которые присоединяются к линейной трубопроводной магистрали, или другой транспортной системе, и переносят в системе материал, например, флюиды, шламы, эмульсии, и т.п. Каждый трубопровод может характеризоваться набором собственных колебательных мод, включая, например, простые изгибные моды, крутильные моды, радиальные моды, и связанные моды. В обычном применении эффекта Кориолиса для измерения массового расхода, трубопровод возбуждается на одной или нескольких колебательных модах, когда материал течет через трубопровод, и смещение трубопровода измеряется в точках, разнесенных вдоль трубопровода. Возбуждение обычно обеспечивается приводом, например, электромеханическим устройством, например, приводом с индукционной катушкой, который периодически возбуждает трубопровод на звуковых частотах. Массовый расход может быть определен измерением запаздывания, или измерением разности фаз между смещениями в местах расположения преобразователей. Частота колебательного отклика может быть измерена единственным преобразователем, причем частота используется для определения плотности материала в расходомере. Обычно используются два таких преобразователя (или измерительных преобразователя) для измерения колебательного отклика расходомерного трубопровода, или трубопроводов, и обычно они располагаются выше и ниже по течению относительно привода. Два измерительных преобразователя соединяются с измерительной электроникой. Измерительная электроника принимает сигналы от двух измерительных преобразователей и обрабатывает сигналы для получения измерения массового расхода, среди прочего. Вибрационные расходомеры, включающие в себя массовые расходомеры Кориолиса и денситометры, используют, поэтому, один или несколько расходомерных трубопроводов, в которых для измерения флюида возбуждаются колебания.
Вибрационные измерители могут быть использованы с горячими или холодными текущими материалами. Однако, в расходомере возникают тепловые напряжения, когда расходомерный трубопровод, или трубопроводы, имеют температуру, отличную от других частей расходомерной сборки. Например, когда горячий флюид внезапно вводится в холодный расходомер, расходомерный трубопровод может расшириться в длину, но оказывается ограниченным (относительно) холодным кожухом. Эта ситуация известна как тепловой удар. В более общей установившейся ситуации, флюид остается горячим, но окружающая среда оказывается холодной, и в результате, между участками расходомера образуется температурный градиент.
В типичном расходомере тепловое расширение, или сжатие, могут быть ограничены, или предотвращены конструкцией расходомера. При этом, тепловые различия в расходомере создают тепловые напряжения в расходомерном трубопроводе, или трубопроводах. Например, осевое расширение или сжатие трубопровода могут быть ограничены кожухом расходомера.
Патент США № 6327915, автор Van Cleve, раскрывает расходомер Кориолиса с прямым трубопроводом, включающий в себя балансную шину и температурные датчики S1-S4. Отдельный температурный датчик S4 используется для измерения температуры кожуха. Сеть температурных датчиков предоставляет информацию о температуре, которая используется для выполнения компенсации тепловых напряжений, причем изменения температуры приводят к силам сжатия или растяжения в колеблющемся трубопроводе, влияя на резонансную частоту прямого расходомерного трубопровода.
Вибрационный расходомер с прямым трубопроводом, вследствие его формы, не испытывает изгибных напряжений, как это имеет место в расходомере с изогнутым трубопроводом. Вибрационный расходомер с прямым трубопроводом не требует множественных измерений температуры кожуха или измерений температуры кожуха в определенных местоположениях, что может влиять на изгибные напряжения трубопровода.
Известно, что расходомеры Кориолиса, имеющие двойные изогнутые трубопроводы имеют наибольшую точность при измерениях расхода. Они имеют высокую точность и при измерениях плотности, но все же не столь точны, как некоторые производимые в настоящее время денситометры, имеющие единственный прямой трубопровод.
Однако, несмотря на их преимущества, денситометры с прямым трубопроводом имеют и недостатки. Прямые и относительно жесткие расходомерные трубопроводы не могут свободно расширяться или сжиматься вследствие ограничений кожухом и другими составляющими частями. Образующееся тепловое сжатие или растяжение прямого трубопровода вибрационного денситометра изменяет его резонансную частоту. Этот эффект от нагревания или охлаждения, с образующимся ограниченным расширением или сжатием расходомера, называют тепловым напряжением.
В денситометрах с единственным прямым трубопроводом точность измерения отчасти достигается посредством включением сильфонов с обоих концов активного расходомерного трубопровода, причем сильфоны допускают тепловое расширение и сжатие сборки расходомера. Поэтому, сильфоны изолируют расходомерный трубопровод от теплового напряжения, которое в противном случае могло бы изменить частоту расходомерного трубопровода и, таким образом, снизить точность расходомера.
Сильфоны имеют несколько недостатков. Во-первых, они ограничивают номинальное значение давления флюида в расходомере. Во-вторых, они ухудшают возможности расходомера после санитарного обслуживания, если сильфоны захватывают и удерживают текущий материал после остановки потока. В-третьих, сильфоны требуют более дорогостоящей и сложной конструкции, и поэтому имеют более высокую стоимость.
Объекты изобретения
Т
Т
В одном объекте изобретения, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом содержит: датчик Т температуры расходомерного трубопровода, прикрепленный к одному или нескольким изогнутым расходомерным трубопроводам вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, с датчиком Т температуры расходомерного трубопровода, создающим сигнал температуры расходомерного трубопровода;
С
множество датчиков Т температуры кожуха, прикрепленных к одному или нескольким местоположениям кожуха вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, и создающих сигнал температуры кожуха, причем множество сопротивлений датчиков температуры кожуха в одном или нескольких местоположениях на кожухе формируют общее сопротивление датчиков кожуха, связанное со значимостью в температурном отношении одного или нескольких местоположений на кожухе; и
измерительная электроника, сконфигурированная для приема сигнала температуры расходомерного трубопровода, приема сигнала температуры кожуха, и компенсации тепловых напряжений вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, используя сигнал температуры расходомерного трубопровода и сигнал температуры кожуха.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом содержит вибрационный расходомер с единственным изогнутым трубопроводом.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом содержит вибрационный расходомер с двойным изогнутым трубопроводом.
С
С
Предпочтительно, по меньшей мере, один датчик Т температуры кожуха содержит множественные датчики Т температуры кожуха, которые создают показательный для температуры кожуха сигнал.
С
Предпочтительно, одно или несколько местоположений на кожухе содержат два или несколько местоположений на кожухе, причем множество датчиков Т температуры кожуха формируют заданное отношение сопротивлений датчиков кожуха, связанное со значимостью в температурном отношении каждого местоположения на кожухе двух или нескольких местоположений на кожухе.
Предпочтительно, измерительная электроника дополнительно сконфигурирована для компенсации изменения изгибного напряжения изогнутого трубопровода с изменением температуры для вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, с компенсацией, использующей сигнал датчика температуры расходомерного трубопровода и сигнал температуры кожуха.
С
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом включает в себя манифольд и первый датчик Т температуры кожуха располагается на кожухе по существу у манифольда.
С
Предпочтительно, второй датчик Т температуры кожуха располагается по существу на кожухе между концами трубопровода.
В одном объекте изобретения, расходомер с изогнутым трубопроводом содержит:
Т
Т
датчик Т температуры расходомерного трубопровода, прикрепленный к одному или нескольким изогнутым расходомерным трубопроводам вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, с датчиком Т температуры расходомерного трубопровода, создающим сигнал температуры расходомерного трубопровода;
С
множество датчиков Т температуры кожуха, прикрепленных в двух или нескольких местоположениях на кожухе вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом и создающих сигнал температуры кожуха, причем множество сопротивлений датчиков температуры кожуха в двух или нескольких местоположениях на кожухе формирует заданное сопротивление датчиков кожуха, связанное со значимостью в температурном отношении двух или нескольких местоположений на кожухе,
измерительная электроника, сконфигурированная для приема сигнала температуры расходомерного трубопровода, приема сигнала температуры кожуха, и компенсации тепловых напряжений вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, используя сигнал температуры расходомерного трубопровода и сигнал температуры кожуха.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом содержит вибрационный расходомер с единственным изогнутым трубопроводом.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом содержит вибрационный расходомер с двойным изогнутым трубопроводом.
С
Предпочтительно, множественные датчики Т температуры кожуха создают показательный для температуры кожуха сигнал.
Предпочтительно, измерительная электроника дополнительно сконфигурирована для компенсации изменения изгибного напряжения изогнутого трубопровода с изменением температуры для вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, с компенсацией, используя сигнал температуры расходомерного трубопровода и сигнал температуры кожуха.
С
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом включает в себя манифольд, и первый датчик Т температуры кожуха располагается на кожухе по существу у манифольда.
С
Предпочтительно, второй датчик Т температуры кожуха располагается по существу на кожухе между концами трубопровода.
В одном объекте изобретения, способ компенсации тепловых напряжений в вибрационном расходомере с изогнутым трубопроводом содержит:
измерение температуры расходомерного трубопровода изогнутого расходомерного трубопровода для вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом и создание сигнала температуры расходомерного трубопровода;
измерение температуры кожуха, используя множество датчиков температуры кожуха, прикрепленных к одному или нескольким местоположениям кожуха вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, и создание сигнала температуры кожуха, причем множество сопротивлений датчиков температуры кожуха в одном или нескольких местоположениях на кожухе формирует общее сопротивление датчиков кожуха, связанное со значимостью в температурном отношении одного или нескольких местоположений на кожухе; и
компенсацию тепловых напряжений вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, используя сигнал температуры расходомерного трубопровода и сигнал температуры кожуха.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом содержит вибрационный расходомер с единственным изогнутым трубопроводом.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом содержит вибрационный расходомер с двойным изогнутым трубопроводом.
Предпочтительно, множество датчиков температуры кожуха создают показательный для температуры кожуха сигнал.
Предпочтительно, одно или несколько местоположений на кожухе содержат два или несколько местоположений на кожухе, причем два или несколько датчиков температуры кожуха формируют заданное отношение сопротивлений датчиков кожуха, связанное со значимостью в температурном отношении каждого местоположения кожуха двух или нескольких местоположениях на кожухе.
Предпочтительно, дополнительно содержится компенсация изменения с температурой изгибных напряжений вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом, с компенсацией, использующей сигнал температуры расходомерного трубопровода и сигнал температуры кожуха.
Описание чертежей
Фиг.1 изображает расходомер Кориолиса, содержащий сборку расходомера и измерительную электронику.
2
Фиг.2 - график индуцированной тепловыми напряжениями ошибки как зависимость между квадратом периода трубопровода (Γ) и разностью температур между температурой трубопровода и общей температурой кожуха.
Фиг.3 - вид в разрезе, иллюстрирующий вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом в соответствии с изобретением.
Фиг.4 - сеть датчиков температуры кожуха вибрационного расходомера с изогнутым трубопроводом в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
Фиг.5 - пример вибрационного расходомера с единственным изогнутым трубопроводом, содержащий сборку датчика и балансную структуру.
Подробное описание изобретения
Чертежи на фиг.1-5 и нижеследующее описание демонстрируют конкретные примеры для пояснения специалистам в данной области техники того, как реализовать и использовать наилучший вариант изобретения. С целью демонстрации принципов изобретения, некоторые обычные объекты были упрощены или исключены. Специалисты в данной области техники увидят возможные вариации этих примеров, которые находятся в пределах объема притязаний изобретения. Специалисты в данной области техники увидят, что описанные ниже признаки могут быть различным образом скомбинированы, образуя множественные вариации изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, но только пунктами формулы и их эквивалентами.
На фиг.1 показан расходомер 5 Кориолиса, содержащий сборку 10 и измерительная электроника 20. Сборка 10 расходомера реагирует на массовый расход и плотность технологического материала. Измерительная электроника 20 присоединяется к сборке 10 измерителя с помощью кабельных соединений 100 для предоставления плотности, массового расхода, и информации о температуре по каналу 26, а также для предоставления другой информации, не существенной для данного изобретения. В данном случае описывается структура расходомера Кориолиса, хотя специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано как денситометр с вибрационным трубопроводом, без дополнительных измерительных возможностей, предоставляемых массовым расходомером Кориолиса.
Сборка 10 расходомера включает в себя пару манифольдов 150 и 150', фланцы 103 и 103', имеющие фланцевые горловины 110 и 110', пару параллельных расходомерных трубопроводов 130 и 130', приводной механизм 180, температурный датчик 190, и пару датчиков 170L и 170R скорости. Расходомерные трубопроводы 130 и 130' имеют две по существу прямые впускные ветви 131 и 131' и две выпускные ветви 134 и 134', которые сходятся друг с другом у установочных узлов 120 и 120' расходомерных трубопроводов. Расходомерные трубопроводы 130 и 130' изгибаются в двух симметричных местоположениях вдоль их длины и по существу параллельны по всей их длине. Стягивающие скобы 140 и 140' служат для задания осей W и W', относительно которых колеблется каждый расходомерный трубопровод.
Боковые ветви 131, 131' и 134, 134' расходомерных трубопроводов 130 и 130' прочно прикреплены к манифольдам 150 и 150'. Это обеспечивает для материала непрерывный и замкнутый тракт через сборку 10 расходомера Кориолиса.
Когда фланцы 103 и 103', имеющие отверстия 102 и 102', соединены, через впускной конец 104 и выпускной конец 104' в технологическую линию (не показана), которая переносит измеряемый технологический материал, материал входит в конец 104 расходомера через отверстие 101 во фланце 103 и проходит через манифольд 150, имеющий поверхность 121. Внутри манифольда 150 материал разделяется, и направляется в расходомерные трубопроводы 130 и 130'. При выходе из расходомерных трубопроводов 130 и 130' технологический материал снова объединяется в единственный поток в пределах манифольда 150' и затем направляется на выпускной конец 104', соединенный фланцем 103', имеющим болтовые отверстия 102', с технологической линией (не показана).
Расходомерные трубопроводы 130 и 130' выбираются и соответственно монтируются на установочных узлах 120 и 120' расходомерных трубопроводов так, чтобы иметь по существу то же самое массовое распределение, моменты инерции и модули Юнга относительно изгибных осей W--W и W'--W', соответственно. Эти изгибные оси проходят через стягивающие скобы 140 и 140'. Поскольку модуль Юнга расходомерных трубопроводов изменяется с температурой, и это изменение влияет на вычисление расхода и плотности, на расходомерном трубопроводе 130' устанавливается резистивный температурный детектор (RTD) 190 для непрерывного измерения температуры расходомерного трубопровода. Температура расходомерного трубопровода и, следовательно, напряжение, появляющееся на RTD для данного протекающего через него тока, определяется температурой проходящего через расходомерную трубку материала. Зависящее от температуры напряжение, появляющееся на RTD, используется с известным способом измерительной электроники 20, чтобы компенсировать изменение упругого модуля расходомерных трубопроводов 130 и 130' вследствие любых изменений температуры расходомерных трубопроводов. Датчик RTD соединяется с измерительной электроникой 20 соединительным кабелем 195.
Оба расходомерных трубопровода 130 и 130' приводятся в движение приводом 180 в противоположных направлениях относительно их соответствующих изгибных осей W и W', что соответствует так называемой первой несинфазной изгибной моде расходомера. Этот механизм 180 привода может содержать любую одну из многих известных конфигураций, например, магнит, установленный на расходомерном трубопроводе 130', и противостоящая индукционная катушка, установленная на расходомерном трубопроводе 130 и через которую проходит переменный ток для возбуждения колебаний обоих расходомерных трубопроводов. Соответствующий приводной сигнал подается измерительной электроникой 20 через соединительный кабель 185 на приводной механизм 180.
Измерительная электроника 20 принимает температурный сигнал RTD на соединительном кабеле 195, и левый и правый сигналы скорости, появляющиеся на соединительных кабелях 165L и 165R, соответственно. Измерительная электроника 20 производит приводной сигнал, появляющийся на соединительном кабеле 185 для привода элемента 180 и возбуждения колебаний трубопроводов 130 и 130'. Измерительная электроника 20 обрабатывает левый и правый сигналы скорости и сигнал RTD для расчета массового расхода и плотности материала, проходящего через сборку 10 расходомера. Эта информация, наряду с другой информацией, подается измерительной электроникой 20 по каналу 26 связи. Канал 26 связи предоставляет входное и выходное средство, которое позволяет измерительной электронике 20 взаимодействовать с оператором или с другими электронными системами. Описание на фиг.1 предоставляется исключительно как пример функционирования расходомера Кориолиса и не предназначено для ограничения принципов настоящего изобретения.
В одном варианте реализации, расходомерные трубопроводы 103A и 103B содержат по существу дельтаобразные расходомерные трубопроводы, как это показано. Альтернативно, в других вариантах реализации, расходомерные трубопроводы могут содержать по существу, U-образные изогнутые расходомерные трубопроводы. Другие изогнутые формы расходомера и/или конфигурации могут быть использованы и находятся в рамках описания и формулы.
Расходомеры с изогнутыми трубопроводами не подвержены таким тепловым напряжениям, которые характерны для расходомеров с прямым трубопроводом. Изогнутые расходомерные трубопроводы, вследствие их формы, могут расширяться и сжиматься независимо от их концов. Хотя прямые трубопроводы испытывают большие осевые напряжения, которые сильно влияют на их частоту, изогнутые трубопроводы испытывают изгибные напряжения, которое только незначительно влияют на их частоту. Таким образом, современные расходомеры с изогнутым трубопроводом используют только температуру трубопровода для компенсации смещения модуля Юнга расходомерного трубопровода, и не компенсируют тепловые напряжения.
Однако, некоторые тепловые напряжения могут сохраняться. Чтобы получить измерения плотности с очень высокой точностью, необходимо компенсировать тепловые напряжения в вибрационных расходомерах с изогнутым трубопроводом.
2
2
2
На фиг.2 показан график вызванной тепловыми напряжениями ошибки квадрата периода трубопровода (Γ) в зависимости от разности температур между температурой трубопровода и общей температурой кожуха. Измеренная частота (f) колебаний представляет собой величину, обратную периоду (Γ) трубопровода и, поэтому, квадрат периода трубопровода (Γ) пропорционален плотности, где плотность определяется как ρ≅C(Γ).
Местоположения измерений температуры кожуха являются критическими в том смысле, что они должны точно предсказывать тепловые напряжения в трубопроводе, причем в разнообразных тепловых условиях. На фиг.2 показано, что когда измерения температуры выполняются в соответствующих местоположениях, то имеется линейное соотношение между разностью температуры (между температурой трубопровода и общей температурой кожуха) и измерением трубопроводного периода/плотности.
Измерения температуры кожуха в трех местоположениях использовались для создания данных на графике. Температурные условия расходомера, использованные для получения данных графика, включали в себя тепловой удар, а также и различные установившиеся состояния.
Учитывая линейное соотношение между разностью температур и ошибкой квадрата периода трубопровода (вследствие теплового напряжения), нетрудно определить константу пропорциональности (K) с помощью тепловой калибровки. Затем, расходомер может быть скомпенсирован относительно ошибки из-за тепловых напряжений.
На фиг.3 показан вид в разрезе вибрационного расходомера 5 с изогнутым трубопроводом в соответствии с изобретением. Вибрационный расходомер 5 с изогнутым трубопроводом включает в себя один или несколько изогнутых расходомерных трубопроводов 131, 131', фланцы 101 и 101', и кожух 300. Кожух 300 может заключать в себе все или часть одного или нескольких изогнутых расходомерных трубопроводов 131, 131'. В некоторых вариантах реализации, кожух 300 может быть удаляемым, или может быть постоянно прикрепленным к фланцам 101 и 101'.
Т
Т
Датчик Т 190 температуры расходомерного трубопровода прикреплен к (или находится в тепловом контакте с), одному или нескольким изогнутым расходомерным трубопроводам 131, 131', и связан с измерительной электроникой 20. Датчик Т 190 температуры расходомерного трубопровода создает соответствующий сигнал температуры расходомерного трубопровода. В некоторых вариантах реализации могут быть использованы множественные датчики температуры расходомерного трубопровода. Однако, следует понимать, что трубопроводы почти немедленно приобретают температуру флюида и, таким образом, множественные датчики на расходомерных трубопроводах не необходимы. Число и положение датчиков температуры расходомерного трубопровода могут быть выбраны в соответствии с ожидаемыми условиями и ожидаемыми текущими материалами.
T
Температура одного или нескольких расходомерных трубопроводов 131, 131' близко следует температуре текущего материала. В результате, единственного датчика T 190 температуры расходомерного трубопровода может быть достаточно для регистрации температуры расходомерного трубопровода, или трубопроводов 131, 131'. Однако, из-за расстояния между кожухом 300 и одним или несколькими изогнутыми расходомерными трубопроводами 131, 131', и из-за функции покрытия кожухом 300, тепловой отклик кожуха 300 будет отличаться от теплового отклика одной или нескольких изогнутых расходомерных трубопроводов 131, 131'.
С
С
С
С
С
С
Множество датчиков Т 303 температуры кожуха прикреплены к (или находятся в тепловом контакте с) кожуху 300 и связаны с измерительной электроникой 20, например, показаны датчик Т 303A температуры кожуха и датчик Т 303B температуры кожуха. Множество датчиков Т 303 температуры кожуха создают сигнал температуры кожуха для измерительной электроники 20. Число и положение отдельных датчиков Т 303 температуры кожуха может быть выбрано в соответствии с ожидаемыми условиями и ожидаемыми текущими материалами. Число и положение отдельных датчиков Т 303 температуры кожуха может быть выбрано в соответствии со значимостью положения относительно тепловых напряжений в трубопроводе. Например, температура фланцев не влияет на тепловые напряжения расходомерного трубопровода, или трубопроводов, и, поэтому, может не потребоваться размещение температурного датчика на фланцах. Вместе с тем, манифольд может иметь двойное влияние, как и температуры кожуха, на тепловые напряжения в трубопроводах и, поэтому, к манифольду могут быть прикреплены два температурных датчика, и только единственный датчик температуры кожуха может оказаться необходимым для кожуха вдали от манифольда. Эти три датчика могут быть соединены последовательно, чтобы образовать объединенный сигнал температуры кожуха.
Общая температура кожуха может включать в себя температуру датчиков температуры кожуха на кожухе, манифольдов, балансных шин, или других компонентов вне расходомерного трубопровода расходомера 5. Показательная температура кожуха может быть сформирована, используя методики электрических схем, например, последовательные или параллельные подключения, чтобы создавался единственный измерительный сигнал общей температуры.
С
С
С
С
Альтернативно, по меньшей мере, один датчик Т 303 температуры кожуха может содержать множественные датчики Т 303 температуры кожуха, которые создают показательную температуру кожуха. Множество датчиков Т 303 температуры кожуха может быть прикреплено в одном или нескольких местоположениях на кожухе, причем множество сопротивлений датчиков температуры кожуха в одном или нескольких местоположениях на кожухе, формирует общее сопротивление датчиков кожуха, связанное со значимостью в температурном отношении одного или нескольких местоположений на кожухе. Альтернативно, одно или несколько местоположений на кожухе содержат два или несколько местоположений на кожухе, причем множество датчиков Т 303 температуры кожуха формирует заданное отношение сопротивлений датчиков кожуха, связанное со значимостью в температурном отношении каждого местоположения на кожухе двух или нескольких местоположений на кожухе.
При работе, тепло передается в кожух 300 главным образом через манифольды на концах расходомерных трубопроводов. Изменения температуры в центре кожуха 300 отстают от изменений температуры на концах расходомера 5. Предпочтительно, кожух 300 формируется из материала, имеющего хорошие параметры теплопередачи так, чтобы тепло распространялось через кожух 300 относительно быстро.
Температура кожуха 300 влияет на измерения расходомера не так, как температура одного или нескольких изогнутых расходомерных трубопроводов 131, 131′. Изменение температуры одного или нескольких расходомерных трубопроводов 131, 131′ (без изменения температуры кожуха 300) изменяет частоту колебаний трубопровода. Изменение частоты колебаний возникает и от изменения упругого модуля, и от изменения теплового напряжения.
Единственный датчик температуры расходомерного трубопровода, прежде всего, используется для компенсации изменения модуля упругости с температурой. Вследствие изогнутости одного или нескольких расходомерных трубопроводов 131, 131′, один или несколько расходомерных трубопроводов 131, 131′ могут изогнуться и перенять большую часть относительного расширения или сокращения кожуха с небольшим напряжением трубопровода или изменением частоты. Это так потому, что в ранее изогнутые трубопроводы не требовали компенсации тепловых напряжений. Изменение температуры только кожуха 300 изменяет частоту колебаний посредством изменения теплового напряжения одного или нескольких расходомерных трубопроводов 131, 131'. Изменение частоты может быть относительно небольшим, но даже малое изменение будет негативно влиять на измерение плотности. Компенсация теплового напряжения в расходомере с изогнутым трубопроводом обеспечит более точное измерение плотности.
Измерения температуры также могут быть использованы для компенсации изменения изгибного напряжения изогнутого трубопровода с изменением температуры для вибрационного расходомера 5 с изогнутым трубопроводом. Операция компенсации может использовать сигнал температуры расходомерного трубопровода и сигнал температуры кожуха. Следует понимать, что температурные эффекты будут иметь различное влияние на расходомер с изогнутым трубопроводом.
С
С
С
Множественные датчики Т 303A и 303B температуры кожуха могут предоставить лучшую тепловую картину для кожуха 300. Например, кожух 300 на чертеже включает в себя первый датчик Т 303A температуры кожуха, расположенный по существу на входном фланце 101, 101′ расходомера, и второй датчик Т 303B температуры кожуха может быть расположен по существу в центре на кожухе 300, в местоположении между концами расходомера 5. Множественные датчики температуры кожуха могут быть включены между концами расходомера, если это желательно.
С
С
В показанном варианте реализации, вибрационный расходомер 5 с изогнутым трубопроводом включает в себя манифольды 150 и 150'. Первый датчик Т 303A температуры кожуха располагается по существу на одном из манифольдов 150 и 150', вблизи расходомерных трубопроводов 131, 131′ в этом варианте реализации. В результате, первый датчик Т 303 температуры кожуха оказывается расположенным для быстрого отклика на тепловой удар, случающегося, например, вследствие значительного изменения температуры поступающего потока материала.
С
С
В показанном варианте реализации, второй датчик Т 303B температуры кожуха располагается на кожухе 300, вообще говоря, на половине расстояния между концами. В результате, второй датчик Т 303B температуры кожуха устанавливается так, чтобы определить по существу установившееся температурное состояние в кожухе 300.
С
С
С
Местоположения датчиков Т 303 температуры кожуха могут быть уникальными для конкретной модели расходомера. Оптимальные местоположения датчиков Т 303 температуры кожуха могут быть найдены с помощью компьютерного моделирования, и/или из полученных опытным путем данных. Если температурная сеть кожуха спроектирована должным образом, когда кожух может включать в себя манифольды, фланцы, собственно кожух, балансные шины, и любые другие не трубопроводные части расходомера, то единственная температура кожуха, которая отображается комбинацией RTD в температурной сети кожуха, наряду с температурой трубопровода, будет иметь по существу известное математическое соотношение с резонансной частотой расходомера. Следовательно, сопротивление оптимально спроектированной резистивной температурной сети датчика будет иметь известное математическое соотношение для теплового эффекта. Различие между температурой трубопровода и температурой кожуха, измеренное датчиками Т 303 температуры кожуха, может быть использовано для компенсации расходомера, используя рассматриваемое здесь известное математическое соотношение.
Если в качестве датчиков температуры используются стандартные Резистивные Температурные Устройства (RTD), то число температурных датчиков может быть выбрано так, чтобы сформировать последовательно соединенную сеть температурных датчиков, с числом датчиков температуры кожуха, также выбираемым для достижения отношения сопротивлений датчиков кожуха по тепловой значимости относительно местоположений на кожухе.
Как пример, если температура основания кожуха вдвое важнее температуры верхней части кожуха при использовании измерений температуры для компенсации температуры расходомера, то вдвое больше элементов температурного датчика могут быть прикреплены к основанию кожуха. Как следствие, изменения температуры в основании кожуха будут иметь двойное действие на электрическое сопротивление датчика, если температура изменяется в верхней части кожуха. Изменение сопротивления трех последовательных температурных датчиков затем делится на три, чтобы дать взвешенную среднюю температуру кожуха 300. Множественные температурные датчики также могут быть помещены параллельно, или в других конфигурациях электрической сети, для согласования с тепловой значимостью областей расходомера 5.
Уравнение компенсации может содержать:
tube
tube
case
Первый компенсационный член (K1*T) соответствует компенсации модуля расходомерного трубопровода, или трубопроводов. Второй компенсационный член (K2*(T-T)) соответствует компенсации тепловых напряжений.
Вообще говоря, если трубопроводы 131, 131′ и кожух 300 выполнены из того же самого материала (обычно это так и есть для изогнутых труб), то тепловые напряжения обычно возникают только при наличии разности температур между средней температурой кожуха и температурой трубопровода.
Т
С
С
С
На фиг.4 показана сеть датчиков температуры кожуха вибрационного расходомера 5 с изогнутым трубопроводом в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. В этом варианте реализации, вибрационный расходомер 5 с изогнутым трубопроводом включает в себя датчик Т 190 температуры расходомерного трубопровода, первый датчик Т 303A температуры кожуха, и второй датчик Т 303B температуры кожуха. Однако, второй датчик Т 303B температуры кожуха не содержит стандартное значение сопротивления RTD в этом варианте реализации, и вместо этого чертеж иллюстрирует заказной температурный датчик, который формирует желательное отношение тепловой значимости для кожуха 300. Отношение температурной значимости может быть достигнуто, используя температурные датчики, имеющие заданные значения сопротивления.
С
С
С
С
В показанном примере, первый датчик Т 303A температуры кожуха выбран как имеющий сопротивление, которое эквивалентно стандартному RTD, и второй датчик Т 303B температуры кожуха выбран как имеющий сопротивление, которое эквивалентно четырем стандартным RTD. Другие значения сопротивления могут быть выбраны, и другие отношения сопротивлений могут быть созданы. Последовательное соединение этих двух датчиков температуры кожуха приводит к сети, в которой полное сопротивление датчиков кожуха в пять раз больше, чем значение сопротивления стандартного RTD. Датчик температуры кожуха формирует отношение сопротивлений (и тепловой значимости), причем первый датчик Т, 303A температуры кожуха составляет только одну пятую полного сопротивления сети датчиков температуры кожуха. В результате, изменения температуры у первого датчика Т 303A температуры кожуха будут намного меньше влиять на полное измерение температуры кожуха.
В некоторых вариантах реализации, первый датчик 303A температуры кожуха может быть расположен у, или вблизи, верхней части кожуха 300, и второй датчик 303B температуры кожуха может быть расположен у, или вблизи, основания. Поэтому, для данного изменения температуры кожуха, изменение сопротивления основания кожуха для данного изменения температуры будет приблизительно в четыре раза больше, чем изменение сопротивления вершины кожуха. Это отображает состояние, когда температура основания кожуха в четыре раза больше влияет на общую температуру, чем температура вершины кожуха.
Эта конфигурация иллюстрирует одно из различий в тепловой компенсации между расходомерами с прямым трубопроводом и расходомерами с изогнутым трубопроводом. В расходомерах с прямым трубопроводом, кожух обычно цилиндрический и, таким образом, одна сторона (или область) такого цилиндрического кожуха не имеет большей тепловой значимости, чем другая. В расходомерах с изогнутым трубопроводом, напротив, отсутствие полной симметрии относительно оси трубопровода может потребовать множественных температурных датчиков, поскольку, например, верхняя часть кожуха может иметь температуру, отличную от температуры основания кожуха. Кроме того, отсутствие симметрии может привести к тому, что одна часть кожуха передаст больше тепловых напряжений на расходомерный трубопровод, чем другая часть кожуха.
На фиг.5 показан пример вибрационного расходомера 5 с единственным изогнутым трубопроводом, содержащего сборку 206 датчика и балансную структуру 208. Измерительная электроника 20 связана со сборкой 206 датчика с помощью соединительных кабелей 165L, 165R, 185, и 195.
Сборка 206 датчика включает в себя единственный изогнутый расходомерный трубопровод 131, который задает поточный канал для приема текучего вещества. Когда сборка 206 датчика вставлена в трубопроводную систему или сборку, которая переносит текучее вещество, вещество входит в сборку 206 датчика через впускной фланец и протекает через изогнутый расходомерный трубопровод 131, где измеряются параметры текучего вещества.
Сборка 206 датчика включает в себя привод 180. Привод 180 включает в себя первый участок, соединенный с приводным элементом 250 балансной структуры 208, и второй участок, соединенный с изогнутым расходомерным трубопроводом 131. Первый и второй участки могут соответствовать приводной индукционной катушке и приводному магниту, например. В настоящем варианте реализации, привод 180 предпочтительно возбуждает приводной элемент 250 и изогнутый расходомерный трубопровод 131 в противофазе относительно изгибной оси X, которая отчасти задается соединителями 270, 271. В соответствии с вариантом реализации изобретения, изгибная ось X соответствует оси впускного-выпускного трубопровода. Приводной элемент 250 изгибается от основания 260 и, таким образом, не имеет стационарной оси изгиба. Привод 180 может содержать одну из многих известных конфигураций, включающих в себя, например, без ограничения, пьезоэлектрические элементы или электромагнитную структуру катушка/магнит.
Сборка 206 датчика включает в себя, по меньшей мере, один измерительный преобразователь, и в настоящем варианте реализации показана как снабженная парой измерительных преобразователей 170L, 170R. В соответствии с одним объектом настоящего варианта реализации, измерительные преобразователи 170L, 170R измеряют смещение изогнутого расходомерного трубопровода 131. В настоящем варианте реализации, измерительные преобразователи 170L, 170R включают в себя первый участок, расположенный на соответствующих кронштейнах 280, 281 измерительных преобразователей, и второй участок, расположенный на изогнутом расходомерном трубопроводе 131. Измерительные преобразователи могут содержать одну из многих известных конфигураций, включая в себя, например, без ограничения, пьезоэлектрические элементы, емкостные элементы, или электромагнитную структуру катушка/магнит. Поэтому, подобно приводу 180, первый участок измерительного преобразователя может содержать тензометрическую индукционную катушку, тогда как второй участок измерительного преобразователя может содержать тензометрический магнит. Специалисты в данной области техники увидят, что смещение изогнутого расходомерного трубопровода 131 связано с некоторыми параметрами текучего вещества, например, с массовым расходом или плотностью вещества, текущего через изогнутый расходомерный трубопровод 131.
Специалисты в данной области техники увидят, что одна или более измерительных электроник 20 принимают тензометрические сигналы от измерительных преобразователей 170L, 170R и предоставляют приводной сигнал на привод 180. Одна или более измерительных электроник 20 могут измерить параметр текучего вещества, например, плотность, массовый расход, объемный расход, суммарный массовый расход, температуру, и получать другую информацию о веществе. Одна или более измерительных электроник 20 могут также принимать один или несколько других сигналов от, например, одного или нескольких температурных датчиков 190 и одного или нескольких датчиков давления (не показаны), и использовать эту информацию для измерения параметров текучего вещества. Специалисты в данной области техники увидят, что число и тип датчиков будут зависеть от конкретного измеряемого параметра.
В соответствии с одним объектом настоящего варианта реализации, балансная структура 208 сконфигурирована для, по меньшей мере, частичной балансировки колебаний изогнутого расходомерного трубопровода 131. В соответствии с одним объектом настоящего варианта реализации, балансная структура 208 сконфигурирована для, по меньшей мере, частичной балансировки момента изогнутого расходомерного трубопровода 131.
Балансная структура 208 включает в себя основание 260, соединенное с приводным элементом 250. Как показано, приводной элемент 250 предпочтительно представляет собой консольный кронштейн, который в целом вытянут ортогонально отгосительно основания 260. Основание 260 в настоящем варианте реализации - предпочтительно относительно массивно и неподвижно, по сравнению с приводным элементом 250. Например, и без ограничения, основание 260 может быть предоставлено с массой, по меньшей мере, в 5 раз большей, чем масса приводного элемента 250. Например, и без ограничения, основание 260 может быть предоставлено с массой, по меньшей мере, в 5 раз большей, чем масса изогнутого расходомерного трубопровода 131. В некоторых вариантах реализации, эти числа могут быть больше, например в 14 и в 8 раз больше, чем приводной элемент 250 и изогнутый расходомерный трубопровод 131, соответственно.
Балансная структура 208 в настоящем варианте реализации присоединена к изогнутому расходомерному трубопроводу 131. Как показано, основание 260 включает в себя пару соединителей 270, 271, которые могут иметь форму показанных пластин, или которые могут быть предоставлены в любой другой форме.
В соответствии с одним объектом настоящего варианта реализации, изогнутый расходомерный трубопровод 131, приводной элемент 250, и основание 260 сконфигурированы так, чтобы обеспечить сбалансированную систему. Следует отметить, что система может не быть абсолютно сбалансирована. В настоящем варианте реализации, изогнутый расходомерный трубопровод 131 и приводной элемент 250 действуют как две отдельные колебательные системы, которые возбуждаются на равных резонансных частотах, с противоположными фазами относительно оси X.
С
С1
С2
С3
С2
С2
С3
С2
Сборка 206 датчика может также включать в себя кожух 300, и соединения 290, 291 кожуха. Соединения 290, 291 кожуха могут содержать структуры, только поддерживающие трубопровод между соединителями 270, 271. Расходомер 5 в этом варианте реализации может включать в себя датчики Т 303 температуры кожуха, такие как первый датчик Т температуры кожуха, расположенный приблизительно на двадцати пяти процентах расстояния от конца (или соединения кожуха), второй датчик Т температуры кожуха, расположенный у основания приводного элемента 250, и третий датчик Т температуры кожуха, расположенный приблизительно на половине расстояния до приводного элемента 250. Альтернативно, вторым температурным датчиком Т', с сопротивлением, вдвое большим нормального, можно было бы заменить второй датчик Т температуры кожуха и третий датчик Т температуры кожуха. Второй температурный датчик Т' может быть расположен приблизительно на двадцати пяти процентах расстояния до приводного элемента 250, например. Следует понимать, что датчики температуры кожуха и приведенные выше местоположения, представляют собой только не ограничивающие примеры. Значения сопротивлений датчиков и местоположения датчиков могут варьироваться при необходимости и остаются в пределах объема описания и формулы.
Хотя настоящее изобретение было описано в отношении резистивных температурных датчиков, специалисты в данной области техники увидят, что любой тип резистивного датчика может быть использован вместо температурного датчика. Например, можно было бы использовать датчик деформаций в виде переменного сопротивления вместо одного или нескольких описанных здесь температурных датчиков. Настоящее изобретение может быть применено с использованием любого датчика, который указывает состояние посредством его изменяющегося сопротивления. Сущность настоящего изобретения одинаково применима к любой такой конфигурации.
Вибрационный расходомер с изогнутым трубопроводом в соответствии с изобретением может быть использован в соответствии с любым из вариантов реализации, чтобы предоставить некоторые преимущества, если это желательно. Измеритель в соответствии с изобретением предоставляет измеритель с изогнутым трубопроводом со скомпенсированными тепловыми напряжениями.
Подробные описания вышеупомянутых вариантов реализации не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов реализации, рассматриваемых авторами как находящиеся в пределах объема притязаний изобретения. Действительно, специалисты в данной области техники увидят, что некоторые элементы вышеописанных вариантов реализации могут по-разному быть объединены или устранены, чтобы создать дополнительные варианты реализации, и такие дополнительные варианты реализации находятся в пределах объема притязаний и принципов изобретения. Специалистам в данной области техники также должно быть очевидно, что вышеописанные варианты реализации могут быть объединены полностью или частично, чтобы создать дополнительные варианты реализации в пределах объема притязаний и принципов изобретения. Соответственно, объем притязаний изобретения должен быть определен из нижеследующей формулы.