УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА МАССЫ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к вибрационным преобразователям, и может быть использована для непрерывного измерения расхода массы газа или жидкости, например, в нефтегазоперерабатывающей, химической, пищевой отраслях промышленности.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство для измерения расхода массы, содержащее изогнутую S-образно с двумя периферийными и центральным прямолинейными участками трубу, концы которой жестко закреплены на основании, раму, жестко связанную с концами центрального прямолинейного участка трубы и через упругие шарниры прикрепленную к основанию с возможностью поворота вокруг оси, расположенной в плоскости S-образной трубы и перпендикулярно центральному прямолинейному участку трубы, датчик силы, смонтированный на кронштейне, первое устройство для возбуждения колебаний трубы, включающее неподвижную часть, жестко прикрепленную к раме, и подвижную часть, закрепленную на прямолинейном центральном участке трубы, второе устройство для возбуждения колебаний трубы, содержащее неподвижную часть, закрепленную на основании, и подвижную часть, жестко прикрепленную к раме, по меньшей мере, одно устройство для измерения параметров колебаний участков трубы, и электронный блок, подключенный к датчику силы и устройствам для возбуждения и измерения параметров колебаний, причем один конец кронштейна жестко прикреплен к раме, а второй конец кронштейна жестко прикреплен к прямолинейному центральному участку трубы и разделяет последний на два дополнительных участка, (см. патент РФ №2153652, опубл. 27.07.2000 г.).
Недостатком известного устройства является повышенная масса и габариты колеблющейся части устройства, а также отсутствие средств для жесткостной развязки между неподвижной и колеблющейся частью устройства, что не позволяет применять трубы большого диаметра и соответственно не позволяет увеличить пропускную способность устройства. Кроме этого датчик силы недостаточно чувствителен, а устройства для измерения параметров колебаний участков трубы в виде электромагнитных датчиков угловой скорости обладают повышенной массой и габаритами и повышают трудоемкость изготовления устройства.
Технические результатом от использования полезной модели является обеспечение жесткостной развязки между неподвижной и колеблющейся частью устройства, что позволяет применять трубы большего диаметра и таким образом увеличивать пропускную способность устройства, а также обеспечение минимум деформаций сильфонных труб, а следовательно минимум возникающих напряжений, увеличение чувствительности датчика силы, обеспечение колебаний измерительного участка трубы с той же частотой и амплитудой, что и рама, уменьшение массы и габаритов колеблющейся части устройства и снижение трудоемкости изготовления.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для измерения расхода массы, содержащем изогнутую S-образно с двумя периферийными и центральным прямолинейными участками трубу, концы которой жестко закреплены на основании, раму, жестко связанную с концами центрального прямолинейного участка трубы и через упругие шарниры прикрепленную к основанию с возможностью поворота вокруг оси, расположенной в плоскости S-образной трубы и перпендикулярно центральному прямолинейному участку трубы, датчик силы, смонтированный на кронштейне, первое устройство для возбуждения колебаний трубы, включающее неподвижную часть, жестко прикрепленную к раме, и подвижную часть, закрепленную на прямолинейном центральном участке трубы, второе устройство для возбуждения колебаний трубы, содержащее неподвижную часть, закрепленную на основании, и подвижную часть, жестко прикрепленную к раме, по меньшей мере, одно устройство для измерения параметров колебаний участков трубы, и электронный блок, подключенный к датчику силы и устройствам для возбуждения и измерения параметров колебаний, причем один конец кронштейна жестко прикреплен к раме, а второй конец кронштейна жестко прикреплен к прямолинейному центральному участку трубы и разделяет последний на два дополнительных участка, в соответствии с заявленной полезной моделью дополнительные и периферийные участки частично выполнены в виде сильфонов, устройство для измерения параметров колебаний выполнены в виде микромеханического гироскопа, закрепленного на раме, в одном из мест пересечения последней с осью, расположенной в плоскости S-образной трубы и перпендикулярно центральному прямолинейному участку трубы, а рама связана с центральным прямолинейным участком трубы посредством упругих перемычек.
Датчик силы может быть присоединен к кронштейну через упругие шарниры, ось максимальной жесткости которых ориентирована по направлению оси чувствительности датчика силы.
Сильфоны могут быть выполнены из коррозионностойкой стали.
Выполнение периферийных участков трубы частично в виде сильфонов, позволяет применять трубы большего диаметра и таким образом увеличивать пропускную способность устройства, а также обеспечить минимум деформаций сильфонных труб, а следовательно минимум возникающих напряжений, выполнение дополнительных участков центрального участка трубы позволяет увеличить чувствительности датчика силы, обеспечить колебания измерительного участка трубы с той же частотой и амплитудой, что и рама, а выполнение устройства для измерения параметров колебаний в виде микромеханического гироскопа позволяет уменьшить массу и габариты колеблющейся части устройства и снизить трудоемкость изготовления, причем при использовании двух и более гороскопов повышается точность измерения.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана конструкция устройства для измерения расхода массы;
на фиг.2 - общая схема расположения сильфонов и упругих перемычек;
на фиг.3 - конструкция крепления перового устройства для возбуждения колебаний трубы и датчика силы
на фиг.4 - фрагмент конструкции первого устройства для возбуждения колебаний трубы.
Заявляемое устройство содержит S-образную трубу с прямолинейным центральным (измерительным) участком 2, который является первичным чувствительным элементом устройства. Концы трубы 1 жестко прикреплены кронштейнами 3 и 4 к массивному основанию 5. Концы 6 и 7 измерительного участка 2 жестко связаны с рамой 8, кроме того, с рамой 8 жестко связаны концы 9 и 10 петлевых участков трубы 1. Рама 8 связана с основанием 5 посредством упругих шарниров 11 и 12, которые представляют собой торсионные узлы, обеспечивающие поворот рамы 8 относительно основания 5 вокруг оси 0-0 на некоторый угол. В средней части измерительного участка 2 трубы 1 смонтирован кронштейн 13, который разделяет последний на два дополнительных участка. К кронштейну 13 жестко прикреплена электрическая катушка 14, выводы которой предназначены для подключения к электронному блоку (на фиг. не показан) (электронный блок и его конструкция известны из прототипа см. патент РФ №2153652). Катушка 14 размещена в воздушном зазоре, образованном полюсами Ш-образного магнитопровода 17 (фиг.3, 4), а магнитопровод 17 жестко прикреплен к кронштейну 18, при этом кронштейн 18 является частью рамки 8. Катушка 14 и магнитопровод 17 - суть, соответственно, подвижная и неподвижная части первого устройства для возбуждения колебаний трубы 1. Первое устройство для возбуждения колебаний обеспечивает колебания трубы I в направлении оси М-М (фиг.1, 4, 3). В кронштейн 13 вмонтирован датчик силы 19, ось чувствительности которого ориентирована в направлении оси М-М. Выводы 20 датчика 19 предназначены для подключения
к электронному блоку. Кронштейн 13 снабжен двумя идентичными упругими шарнирами 21 и 22 (фиг.3), которые расположены по обе стороны датчика 19, а конец кронштейна 13, снабженный шарниром 22, жестко прикреплен к кронштейну 23 (фиг.1, 3). Датчик силы 19 может быть выполнен, например, в виде пакета таблеток 24 из пьезокерамики, поджатых друг к другу посредством двух плоских упругих элементов 25 и 26 (фиг, 3), являющихся частью конструкции кронштейна 13. Шарниры 21 и 22 обеспечивают передачу усилий от измерительного участка 2 трубы 1 к датчику 19, действующих преимущественно вдоль оси М-М, и одновременно исключают передачу на датчик 19 моментов сил, действующих в плоскостях ОМ и OL. Кронштейн 23 по конструкции аналог кронштейна 18 и является частью рамы 8. Средние части кронштейнов 18 и 23 жестко связаны между собой посредством перемычек 27 и 28 (фиг.1, 3). Частотные характеристики кронштейнов 18 и 23 в направлении оси М-М выбраны, исходя из условия равных перемещений измерительного участка 2 трубы 1 и совокупности элементов, образованной кронштейнами 18, 23 и перемычками 27 и 28, под воздействием внешних вибраций (рабочего диапазона частот), действующих в направлении оси М-М. Выполнение этого условия позволяет разгрузить датчик 19 от усилий, не связанных с силой Кориолиса, являющейся мерой расхода массы измеряемой среды, т.е. обеспечивает повышение точности измерений. К основанию 5 жестко прикреплен магнитопровод 29, снабженный обмоткой 30, выводы 31 которой предназначены для подключения к электронному блоку. К раме 8 жестко прикреплен якорь 32 (постоянный магнит). Магнитопровод 29, обмотка 30 и якорь 32 в совокупности образуют второе устройство для возбуждения колебаний трубы 1.
На раме 8 в одной из точек пересечения последней с осью 0-0, расположенной в плоскости S-образной трубы 1 и перпендикулярно центральному прямолинейному участку трубы закреплен микромеханический гироскоп 34, являющийся устройством для измерений колебаний участков трубы 1 вокруг оси 0-0 (фиг.2). Для уравновешивания гироскопа 34 на другой точке пересечения рамы с осью 0-0 закреплен противовес той же массы, что и гироскоп 34. В случае использования двух гироскопов 34, второй гироскоп закреплен на месте противовеса (фиг.2). Гироскоп 34 подключен к электронному блоку. В качестве микромеханических гироскопов 34 могут быть применены микромеханические гироскопы типа ADXRS 150 (или аналогичные) фирмы Analog devicec.
Дополнительные участки 35 центрального участка 2 частично выполнены в виде сильфонов 36. Периферийные участки 37 трубы 1 частично выполнены в виде сильфонов 38. Рама 8 связана с центральным прямолинейным участком 2 трубы 1 посредством упругих перемычек 39.
Концы трубы 1 снабжены фланцами 40 для подключения к трубопроводу (на фиг.1 условно изображен только одни фланец).
Электронный блок и входящие в него блок компенсирующей системы, усилитель мощности, компаратор и их подробная работа раскрыты в патенте РФ №2153652.
Выходы 20 датчика силы 19 подключены к первому входу блока компенсирующей системы. К первому выходу блока компенсирующей системы подключены выводы 15 катушки 14, а второй выход блока компенсационной системы подключен к первому входу первого детекторного блока. Первый выход первого детекторного блока подключен к первому входу нормирующего блока.
Блок компенсационной системы представляет собой усилитель мощности, нагрузкой которого является обмотка 14 (первое устройство для возбуждения колебаний трубы 1). Сигнал на вход блока компенсационной системы поступает с пьезодатчика 19, поэтому значение входного сопротивления блока компенсационной системы весьма велико (десятки, сотни мегом). Фазовые характеристики блока компенсационной системы выбраны таким образом, что силовое воздействие трубы 1 на датчик 19 (сила Кориолиса) компенсируется силовым воздействием на трубу 1 (т.е. на датчик 19), катушки 14, другими словами, датчик 19, блок компенсационной системы и катушка 14 работают в контуре отрицательной обратной связи. Блок компенсационной системы может быть выполнен, например, на основе выпускаемых промышленностью и включенных последовательно усилителей У7-3 (усилитель мощности) и У7-1 (измерительный усилитель с высоким входным сопротивлением).
Конструктивно в состав блока компенсационной системы входит шунт (постоянное сопротивление), который включен последовательно с обмоткой катушки 14. С шунта (суть второй выход блока компенсационной системы) сигнал поступает на вход первого детекторного блока.
Усилитель мощности с ограничением по амплитуде, преобразует синусоидальный сигнал, амплитуда которого изменяется в определенных пределах, в трапециевидный сигнал, амплитуда которого постоянна во времени. Таким образом, совокупность элементов, включающая гироскоп 34, усилитель мощности, второе устройство для возбуждения колебаний трубы 1 (магнитопровод 29, обмотка 30, якорь 32) образуют колебательную систему, которая при выполнении условия баланса амплитуд (произведение коэффициента усиления усилителя на коэффициент передачи цепи обратной связи больше единицы) и условии баланса фаз (суммарный фазовый сдвиг всех звеньев равен нулю или целому числу периодов) функционирует в режиме автоколебаний.
Устройство для измерения расхода массы работает следующим образом.
При включении электропитания электронного блока в колебательном контуре, образованном гироскопом 34, усилительным блоком, вторым устройством (элементы 29, 30, 32, фиг.1,) для возбуждения колебаний трубы 1 и рамой 8 с упругими элементами 10 и 11, возникают автоколебания, вследствие чего рама 8 совершает колебания с угловой скоростью относительно основания 5 вокруг оси 0-0. Значение частоты колебаний определяется преимущественно жесткостью упругих шарниров 11 и 12 и суммарной массой рамки 8 с присоединенными к ней элементами (частота колебаний реального устройства-макета расположена в области 30 Гц).
При отсутствии расхода измеряемой среды через трубу 1 к измерительному участку 2 трубы 1 приложены силы, обусловленные исключительно центростремительным ускорением элементов конструкции, прикрепленных к кронштейну 13 (датчик 19, катушка 14). Масса указанных элементов конструкции выбрана таким образом, что центростремительные силы, приложенные к измерительному участку 2 трубы 1, взаимно компенсируются, и сигнал на выходе датчика 19 равен нулю.
При наличии расхода измеряемой среды (изменяющегося, например, по экспоненциальной кривой) на измерительный участок 2 трубы 1 действует сила Кориолиса которая обусловлена переносным движением измеряемой среды с угловой скоростью в плоскости ML и относительным движением измеряемой среды по направлению оси L-L. Сила Кориолиса совпадает по фазе с угловой скоростью и направлена по оси М-М. Так как жесткость совокупности элементов 21, 24, 22, 18, 23, 27, 28 в направлении оси М-М весьма велика по сравнению с жесткостью измерительного участка 2 трубы 1 в направлении оси М-М, то сигнал, выделяемый датчиком силы 19 пропорционален силе Кориолиса, действующей на измерительный участок 2. Сигнал с датчика 19 через блок компенсационной системы поступает на обмотку катушки 14, при этом со стороны катушки 14 к измерительному участку 2 прикладывается сила инверсная по фазе силе Кориолиса, т.е. компенсирующая последнюю. Сигнал, пропорциональный значению тока, протекающего через обмотку катушки 14, т.е. пропорциональный силе Кориолиса, поступает на вход первого детекторного блока 46, Таким образом, совокупность элементов 8, 13, 21, 24, 22, 18, 23, 27, 28, 14, 17 обеспечивает совместно с блоком компенсационной системы непосредственное измерение силы Кориолиса.
Измерительный участок 2, датчик 19, блок компенсационной системы и первый возбудитель колебаний трубы 1 (включающий катушку 14 и магнитопровод 17) образуют компенсационный измерительный преобразователь. В момент равенства значений сигналов на входах компаратора уровень сигнала на выходе компаратора падает до уровня логического "0", вследствие чего прохождение счетных импульсов на выход блока, выполняющего
логическую функцию «И» прекращается. Таким образом, компаратор обеспечивает преобразование напряжения, поступающего на его вход в пропорциональный интервал времени, а продолжительность единичного состояния блока, выполняющего логическую функцию «И» (т.е. состояния, в течение которого счетные импульсы поступают на вход блока выполняющего логическую функцию «И») и суммарное количество счетных импульсов, прошедшее на выход блока, выполняющего логическую функцию «И», пропорционально значению напряжения на первом входе компаратора. Далее импульсы поступают на вход счетчика, а количество подсчитанных импульсов отображается на цифровом табло.
Рассмотренная конструкция устройства для измерения расхода массы, позволяет применять трубы большего диаметра и таким образом увеличивать пропускную способность устройства, а также обеспечить минимум деформаций сильфонов, а следовательно минимум возникающих напряжений, выполнение дополнительных участков центрального участка трубы позволяет увеличить чувствительности датчика силы, обеспечить колебания измерительного участка трубы с той же частотой и амплитудой, что и рама, а выполнение устройства для измерения параметров колебаний в виде микромеханического гироскопа позволяет уменьшить массу и габариты колеблющейся части устройства и снизить трудоемкость изготовления, причем при использовании двух и более гироскопов повышается точность измерения.