ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИБРАЦИОННОГО ТИПА И ПРИМЕНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВО ВСТРОЕННОМ ПРИБОРЕ
VIBRATION-TYPE MEASURING TRANSDUCER AND USE OF MEASURING TRANSDUCER IN BUILT-IN DEVICE

Изобретение относится к измерительному преобразователю вибрационного типа, в частности, для применения в кориолисовых измерителях массового расхода.
Для определения массового расхода среды, текущей в трубопроводе, в частности жидкости или другого флюида, часто применяются такие приборы, которые с помощью измерительного преобразователя вибрационного типа и присоединенной к нему управляющей и обрабатывающей электроники способствуют возникновению во флюиде кориолисовых сил и создают произведенный ими представляющий массовый расход измерительный сигнал.
Такие измерительные преобразователи, в частности их применение в кориолисовых измерителях массового расхода, уже известны длительное время и применяются в промышленном масштабе. Так, например, в DE-A 102004023600, US -В 6666098, US-B 6477902, US-A 5705754, US-A 5549009 или US-A 5287754 описываются кориолисовы измерители массового расхода с соответственно измерительным преобразователем вибрационного типа, причем измерительный преобразователь реагирует на массовый расход среды, текущей в трубопроводе, и включает корпус преобразователя, а также расположенную в корпусе преобразователя внутреннюю часть. Внутренняя часть имеет, по меньшей мере, одну изогнутую при работе, по меньшей мере, периодически вибрирующую измерительную трубу для пропуска среды, а также фиксированное при образовании первой зоны сопряжения на измерительной трубе со стороны впуска и при образовании второй зоны сопряжения на измерительной трубе со стороны выпуска уравновешивающее устройство, которое при работе находится в основном в состоянии покоя или создает колебания относительно трубы, равные по частоте, но обратные по фазе. Далее внутренняя часть со способностью колебаться с помощью, по меньшей мере, двух соединительных трубчатых элементов закреплена в корпусе преобразователя, через которые измерительная труба при работе соединена с трубопроводом.
Изогнутые, например U-, V- и Ω-образно исполненные, вибрирующие измерительные трубы, как известно, если в них возбуждены изгибные колебания согласно первой форме собственных колебаний, способствуют возникновению в текущей среде кориолисовых сил. В качестве первой формы собственных колебаний измерительной трубы у подобного рода измерительных преобразователей обычно выбирается та форма собственных колебаний, при которой измерительная труба колеблется при самой низкой природной резонансной частоте вокруг виртуальной продольной оси измерительного преобразователя по виду закрепленной с одного конца консоли. Созданные таким образом в текущей среде кориолисовы силы опять же ведут к тому, что на возбужденные маятниковые движения консоли так называемой полезной моды накладываются с равной частотой изгибные колебания согласно, по меньшей мере, второй форме собственных колебаний. У измерительных преобразователей описанного вида эти консольные колебания, вызванные вследствие кориолисовых сил, соответствуют так называемой кориолисовой моде, обычно той форме собственных колебаний, при которой измерительная труба выполняет крутильные колебания вокруг воображаемой вертикальной оси земной системы координат, ориентированной перпендикулярно к продольной оси. Благодаря наложению полезной и кориолисовых мод колебания измерительной трубы, зарегистрированные с помощью системы сенсоров на стороне впуска и стороне выпуска, имеют зависящую от массового потока измеряемую разность фаз.
Часто измерительные трубы подобных, к примеру, применяющиеся в измерительных преобразователях кориолосовых измерителей массового расхода, возбуждаются при работе на мгновенную резонансную частоту первой формы собственных колебаний, в частности, при постоянно регулируемой амплитуде колебаний. Так как эта резонансная частота, в частности, зависит также от мгновенной плотности среды, например, с помощью имеющихся на рынке кориолисовых измерителей массового расхода, наряду с массовым расходом, может измеряться также плотность текущей среды.
Преимущество изогнутой формы трубы состоит в том, что вследствие термически обусловленного расширения, в частности даже при применении измерительных труб с высоким коэффициентом теплового расширения, в самой измерительной трубе и/или в присоединенном трубопроводе не возникает вообще или возникают только очень низкие механические напряжения. Другое преимущество изогнутой измерительной трубы следует также усматривать в том, что измерительная труба выполнена относительно длинной и, следовательно, может достигаться высокая чувствительность измерительного преобразователя к подлежащему измерению массовому расходу при относительно короткой длине встройки и при относительно низкой энергии задающего генератора. Эти обстоятельства позволяют изготавливать измерительную трубу из материалов с высоким коэффициентом теплового расширения и/или высоким модулем упругости, к примеру из нержавеющей стали. В сравнении к этому у измерительных преобразователей вибрационного типа с прямой измерительной трубой последняя для исключения осевых напряжений и достижения достаточной чувствительности измерений обычно изготавливается из материала, который имеет, по меньшей мере, более низкие коэффициенты теплового расширения и при случае также более низкий модуль упругости. В связи с этим для этого случая предпочтительно применяются измерительные трубы из титана или циркония, которые, однако, из-за высокой стоимости материала и обычно высоких затрат на обработку в изготовлении значительно дороже, чем трубы из нержавеющей стали. К тому же измерительный преобразователь с одной измерительной трубой по сравнению с известными измерительными преобразователями с двумя параллельными измерительными трубами для потока жидкости имеет другое большое преимущество в том, что не требуются распределительные элементы, служащие присоединению измерительной трубы с трубопроводом. С одной стороны, такие распределительные элементы требуют затрат при их изготовлении и, с другой стороны, представляют собой пропускные элементы с выраженной склонностью к образованию накипи или закупорке.
На основании большей частью скорее узкой ширины полос от уравновешивающих устройств измерительные преобразователи с одной изогнутой измерительной трубой при применении в среде, у которой плотность изменяется в широком диапазоне, правда, часто имеют недостаток, в частности, в сравнении с такими же измерительными преобразователями с двумя параллельными измерительными трубами, заключающийся в том, что вследствие дисбаланса внутренней части, изменяющегося с плотностью, нулевая точка измерительного преобразователя и, следовательно, точность измерения соответствующего расположенного линейно измерительного прибора существенно колеблется и в такой же степени может, соответственно, уменьшаться. Это может быть обосновано тем, что с помощью, в общем, единственного уравновешивающего устройства не могут быть полностью нейтрализованы и могут распространяться далеко по присоединенному трубопроводу такие поперечные силы, которые индуцируются в измерительном преобразователе на основе взаимных латеральных движений единственной измерительной трубы, через которую осуществляется поток среды, и которые скорее широкополосны вследствие сильно изменяющейся плотности среды в сравнении с противодействием, создаваемым со стороны уравновешивающего устройства. Такие остаточные поперечные силы опять же могут вести к тому, что упомянутая выше внутренняя часть, совокупно колеблясь вокруг продольной оси измерительного преобразователя, начнет совершать латеральные колебания. Эти латеральные колебания внутренней части вынуждают соответственно этому также дополнительную упругую деформацию соединительного трубчатого элемента и могут вызывать в итоге нежелательную вибрацию в присоединенном трубопроводе. Кроме того, на основе таких латеральных колебаний внутренней части даже в случае, когда в измерительной трубе отсутствует поток среды, возбуждаются очень подобные кориолисовой моде, во всяком случае, имеющие одинаковую частоту и таким образом практически неотличимые от нее консольные колебания, что опять же может сделать непригодным измерительный сигнал, отображающий массовый расход.
Это имеет место также у измерительных преобразователей, которые, например, устроены по принципу, предложенному в US-A 5705574 или US-A 5287754. В описанных там измерительных преобразователях пытаются уберечься от поперечных сил, колеблющихся скорее со средней или высокой частотой, созданных со стороны вибрирующей единственной измерительной трубы, с помощью единственного в сравнении с измерительной трубой более тяжелого, тем не менее в сравнении с измерительной трубой настроенного на более высокую частоту уравновешивающего устройства и при необходимости относительно мягкого присоединения измерительной трубы к трубопроводу, т.е практически с помощью механического фильтра низких частот. Однако при этом неблагоприятным образом повышается масса уравновешивающего устройства, необходимая для достаточно значительного демпфирования поперечных сил по сравнению с номинальным внутренним диаметром трубы. Это представляет собой большой недостаток для таких измерительных преобразователей с высоким номинальным диаметром, так как применение таких массивных конструктивных частей повышает именно затраты на монтажные работы как при изготовлении, так и при встройке измерительного прибора в трубопровод. Кроме того, только при очень больших затратах может быть обеспечено, чтобы становящаяся все более низкой при увеличивающейся массе самая низкая собственная частота измерительного преобразователя лежала как прежде далеко от также более низкой собственной частоты присоединенного трубопровода. Таким образом, применение подобного рода измерительного преобразователя в промышленно применяемых встраиваемых измерительных приборах описанного вида, например кориолисовых измерителях массового расхода, до сих пор скорее ограничивается относительно небольшими внутренними диаметрами измерительных труб до примерно 10 мм. Измерительные преобразователи описанного выше вида в остальном предлагаются на рынке заявителями с серийным обозначением "PROMASS А " для номинального диапазона внутреннего диаметра 1-4 мм и зарекомендовали себя там, в частности, также в применении при небольших скоростях потока и/или высоком давлении.
Напротив, у измерительных преобразователей, представленных в US-B 6666098, US- В 6477902 или 5549009, оба соединительных трубчатых элемента - здесь в основном прямых - ориентированы друг к другу и к виртуальной продольной оси измерительного преобразователя так, что образованная с помощью измерительной трубы и уравновешивающего устройства, а также соответствующим образом установленными в ней задающими генераторами колебаний и сенсорами колебаний внутренняя часть может при работе качаться вокруг продольной оси. Говоря по-другому, вся внутренняя часть при работе может совершать маятниковые движения вокруг продольной оси L, обусловленные, в частности, зависящим от плотности дисбалансом между измерительной трубой 10 и уравновешивающим устройством 20, которые в зависимости от проявления дисбаланса синфазны с консольными колебаниями измерительной трубы или консольными колебаниями уравновешивающего устройства 20. При этом жесткость на кручение соединительных трубчатых элементов преимущественно так согласована друг с другом и внутренней частью, которую несут оба элемента, что последняя подвешена в основном с мягким вращением вокруг продольной оси.
Это достигается в измерительном преобразователе в US -В 6666098, например, за счет того, что жесткость на кручение соединительных трубчатых элементов определена таким образом, что соответствующая собственная частота торсионного вибратора со стороны впуска и стороны выпуска, который образован с помощью соответствующего соединительного трубчатого элемента и принадлежащей массовой доле внутренней части, совершающей на стороне конца вращательные колебания вокруг продольной оси, которую подлежит считать в широкой степени жесткой и существенно стабильной по форме, соответственно лежит в области частоты колебаний колеблющейся в полезной моде измерительной трубы. К тому же, по меньшей мере, у предложенного согласно US-B 6666098 измерительного преобразователя измерительная труба и уравновешивающее устройство так согласованы друг с другом, что они, по меньшей мере, в полезной моде колеблются примерно в одинаковой резонансной частоте. Измерительные преобразователи описанного выше вида предлагаются, впрочем, собственно заявителями с серийным обозначением " PROMASS Н" для номинального диапазона номинального внутреннего диаметра 8-50 мм и зарекомендовали себя там, в частности, при применении с изменяющейся в значительной степени при работе плотностью среды. Маятниковое движение внутренней части особенно проявляется или, по меньшей мере, становится благоприятным благодаря тому, что как отстоящий от виртуальной продольной оси центр тяжести массы измерительной трубы, так и отстоящий от виртуальной продольной оси центр тяжести массы уравновешивающего устройства лежат в общей области измерительного преобразователя, растянутой от виртуальной продольной оси к измерительной трубе.
Правда, исследования между тем показали, что точка нуля измерительных преобразователей названного вида при очень низких скоростях массового расхода и средах с плотностью, значительно отклоняющейся от калиброванной рекомендованной плотности, может, как и ранее, испытывать повышенные колебания. Экспериментальные исследования с измерительными преобразователями в конфигурации в соответствии с US-В 6666098, у которых - как предлагается - было применено сравнительно тяжелое уравновешивающее устройство, позволили определить, что таким образом может быть получено совершенно определенное улучшение в плане устойчивости точки нуля и в отношении повышения точности измерений встраиваемых измерительных приборов описанного вида, правда, в узком недостаточном размере. Правда, при конфигурациях, предложенных в US-B 6666098, достижимо существенное повышение точности измерения практически только при устранении недостатков, которые уже рассматривались относительно US-A 5705754, US-A 5287754.
Задача изобретения заключается в том, чтобы повысить зависимость от плотности точки нуля и в этом отношении повысить устойчивость точки нуля измерительных преобразователей названного выше вида, и именно так, чтобы первичный измерительный преобразователь, с одной стороны, был динамически хорошо сбалансирован в широком диапазоне плотности среды и, с другой стороны, несмотря на это, имел бы меньшую массу в сравнении с измерительными преобразователями, предложенными в US-A 5705754 или US-A 5287754. В частности, при этом предложенный в US-B 6666098 компенсационный принцип должен иметь возможность как и прежде эффективно применяться с концевыми собственными торсионными вибраторами, настроенными в основном на полезную частоту измерительной трубы, и настроенным на полезную частоту уравновешивающим устройством.
Задача изобретения заключается в измерительном преобразователе вибрационного типа для среды, текущей в трубопроводе. Измерительный преобразователь включает корпус преобразователя и расположенную в корпусе преобразователя внутреннюю часть. Внутренняя часть имеет, по меньшей мере, одну изогнутую, по меньшей мере, периодически вибрирующую при работе измерительную трубу для пропуска среды, а также фиксированное при образовании первой зоны сопряжения на измерительной трубе со стороны впуска и при образовании второй зоны сопряжения на измерительной трубе со стороны выпуска уравновешивающее устройство, причем внутренняя часть, по меньшей мере, с помощью двух соединительных трубчатых элементов со способностью колебаться закреплена в корпусе преобразователя, через которые измерительная труба к тому же соединена с трубопроводом и которые ориентированы друг к другу, а также к виртуальной продольной оси измерительного преобразователя так, что внутренняя часть при работе может качаться вокруг продольной оси L. Измерительная труба и уравновешивающее устройство образованы и ориентированы друг к другу так, что как отстоящий от виртуальной продольной оси центр тяжести массы измерительной трубы, так и отстоящий от виртуальной продольной оси центр тяжести массы уравновешивающего устройства лежат в общей области измерительного преобразователя, натянутой от виртуальной продольной оси к измерительной трубе. Далее измерительная труба и уравновешивающее устройство образованы и ориентированы друг другу таким образом, что центр тяжести массы измерительной трубы удален дальше от продольной оси, чем и центр тяжести массы уравновешивающего устройства.
Согласно первому исполнению изобретения предусмотрено, что каждый из названных выше центров тяжести массы имеет расстояние до виртуальной продольной оси, которое больше 10% наибольшего расстояния между измерительной трубой и виртуальной продольной осью.
Согласно второму исполнению изобретения предусмотрено, что каждый из названных выше центров тяжести массы имеет расстояние до виртуальной продольной оси, которое меньше 90% наибольшего расстояния между измерительной трубой и виртуальной продольной осью.
Согласно третьему исполнению изобретения предусмотрено, что каждый их названных выше центров тяжести массы имеет расстояние до виртуальной продольной оси, которое больше 30 мм.
Согласно четвертому исполнению изобретения предусмотрено, что отношение расстояния каждого из названных выше центров тяжести массы к диаметру измерительной трубы соответственно больше единицы. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения предусмотрено, что отношение расстояния каждого из названных выше центров тяжести массы к диаметру измерительной трубы соответственно больше двух и меньше десяти.
Согласно пятому исполнению изобретения предусмотрено, что диаметр измерительной трубы больше 1 мм и меньше 100 мм.
Согласно шестому исполнению изобретения предусмотрено, что продольная ось измерительного преобразователя воображаемо соединяет обе зоны сопряжения друг с другом.
Согласно седьмому исполнению изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство имеет массу, которая больше массы измерительной трубы. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения предусмотрено, что отношение массы уравновешивающего устройства к массе измерительной трубы больше двух.
Согласно восьмому исполнению изобретения предусмотрено, что измерительная труба образована в основном в форме U или V.
Согласно девятому исполнению изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано с помощью расположенных сбоку измерительной трубы пластин уравновешивающего устройства.
Согласно десятому исполнению изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано с помощью расположенных сбоку пластин уравновешивающего устройства, из которых первая пластина уравновешивающего устройства расположена с левой стороны измерительной трубы и вторая пластина уравновешивающего устройства расположена с правой стороны измерительной трубы.
Согласно одиннадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано с помощью расположенных сбоку пластин уравновешивающего устройства и что каждая из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства имеет изогнутую ось, проходящую через центр тяжести, воображаемо проходящую между дистальной относительно продольной линией контура, а также проксимальной относительно продольной оси линией контура. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано расположенными сбоку измерительной трубы пластинами уравновешивающего устройства и что ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства, имеет, по меньшей мере, в области среднего участка вогнутый вид относительно продольной оси. По другому усовершенствованному варианту исполнения изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано расположенными сбоку измерительной трубы пластинами уравновешивающего устройства и что ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства, имеет, по меньшей мере, в области зон сопряжения соответственно выпуклый вид относительно продольной оси. Далее предусмотрено, что ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства, по меньшей мере, в области среднего участка уравновешивающего устройства, образована в основном в форме U или V и/или что ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства, в основном параллельна оси, проходящей через центр тяжести измерительной трубы, которая воображаемо проходит внутри этой ширины в свету.
Согласно двенадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано с помощью расположенных сбоку измерительной трубы пластин уравновешивающего устройства и что каждая из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства имеет наружную боковую поверхность, первый край которой образован кромкой, дающей дистальный контур относительно продольной оси, а также второй край образован кромкой, дающей проксимальный контур относительно продольной оси. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения предусмотрено, что каждая из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства выполнена и расположена в измерительном преобразователе таким образом, что как кромки, дающие как дистальный, так и проксимальный контур, каждой из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства, по меньшей мере, в области среднего участка уравновешивающего устройства имеют отличающееся от нуля расстояние до продольной оси. При этом каждая из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства может быть выполнена так, что, по меньшей мере, в области среднего участка уравновешивающего устройства местная высота пластины соответственно меньше, чем соответственно в области обеих зон сопряжения, причем местная высота пластины тут же соответствует самому малому расстоянию между кромками, дающими дистальный и проксимальный контур каждой из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства. Далее предусмотрено, что каждая из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства образована таким образом, что она в области среднего участка уравновешивающего устройства имеет наименьшую высоту пластины и/или что высота пластины каждой из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства, соответственно следуя от зоны сопряжения к среднему участку уравновешивающего устройства, снижается, в частности, монотонно или непрерывно.
Согласно тринадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано с помощью расположенных сбоку измерительной трубы пластин уравновешивающего устройства и что каждая из, по меньшей мере, двух пластин уравновешивающего устройства имеет арочную или подковообразную форму.
Согласно четырнадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что уравновешивающее устройство образовано с помощью расположенных сбоку измерительной трубы пластин уравновешивающего устройства и что каждая из, по меньшей мере, двух пластин, образующих уравновешивающее устройство, расположена в основном параллельно к измерительной трубе.
Согласно пятнадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что измерительная труба и уравновешивающее устройство со стороны впуска с помощью, по меньшей мере, первого соединительного узла и со стороны выпуска с помощью, по меньшей мере, второго соединительного узла механически соединены друг с другом.
Согласно шестнадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что соединительные трубчатые элементы имеют в основном прямые трубчатые сегменты. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения предусмотрено, что соединительные трубчатые элементы так ориентированы друг к другу, что трубчатые сегменты проходят в основном параллельно к виртуальной продольной оси. При этом соединительные трубчатые элементы могут быть так ориентированы друг к другу, что в основном прямые трубчатые сегменты находятся на одной прямой друг с другом и/или в основном лежат на одной прямой с виртуальной продольной осью.
Согласно семнадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что измерительная труба при работе осуществляет, по меньшей мере, периодически изгибные колебания относительно уравновешивающего устройства и продольной оси.
Согласно восемнадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что измерительная труба и уравновешивающее устройство при работе, по меньшей мере, периодически и, по меньшей мере, соответственно соразмерно участию осуществляют одинаковые по частоте изгибные колебания вокруг продольной оси. Согласно усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения далее предусмотрено, что это такие изгибные колебания вокруг продольной оси, которые, по меньшей мере, соразмерно участию не совпадают по фазе, в частности в основном противоположны по фазе.
Согласно девятнадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что внутренняя часть, закрепленная в корпусе преобразователя со способностью колебаться, имеет природную моду латеральных колебаний, в которой при работе она колеблется, при деформации обоих соединительных трубчатых элементов, по меньшей мере, периодически относительно корпуса преобразователя и латерально вокруг продольной оси.
Согласно двадцатому исполнению изобретения предусмотрено, что внутренняя часть, закрепленная в корпусе преобразователя со способностью колебаться, имеет моду маятниковых движений, в которой она при работе, при деформации обоих соединительных трубчатых элементов, по меньшей мере, качается вокруг виртуальной продольной оси. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения далее предусмотрено, что, по меньшей мере, природная собственная мода маятниковых движений меньше, чем самая низкая частота колебаний, с которой в данный момент вибрирует измерительная труба, и/или что, по меньшей мере, мгновенная природная собственная частота моды маятниковых движений постоянно меньше самой низкой природной собственной частоты измерительной трубы.
Согласно двадцать первому исполнению изобретения предусмотрено, что внутренняя часть, закрепленная в корпусе преобразователя со способностью колебаться, имеет как моду маятниковых движений, в которой она при работе колеблется, по меньшей мере, периодически вокруг виртуальной продольной оси, при деформации обоих соединительных трубчатых элементов, так и природную моду латеральных колебаний, в которой она при работе, при деформации обоих соединительных трубчатых элементов, по меньшей мере, периодически колеблется относительно корпуса преобразователя и латерально вокруг продольной оси, и что мода латеральных колебаний внутренней части имеет самую низкую собственную частоту, которая больше самой низкой собственной частоты моды маятниковых движений внутренней части. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения далее предусмотрено, что отношение самой низкой собственной частоты моды латеральных колебаний внутренней части к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части больше чем 1, 2 и/или что отношение самой низкой собственной частоты моды латеральных колебаний внутренней части к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части меньше 10. В частности, названное отношение самой низкой собственной частоты моды латеральных колебаний внутренней части к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части может быть сохранено при этом больше 1,5 и меньше 5.
Согласно двадцать второму исполнению изобретения предусмотрено, что внутренняя часть, закрепленная в корпусе преобразователя со способностью колебаться, имеет моду маятниковых движений, в которой она при работе, при деформации обоих соединительных трубчатых элементов качается, по меньшей мере, периодически вокруг виртуальной продольной оси, и что, по меньшей мере, естественная собственная частота моды маятниковых движений внутренней части меньше, чем самая низкая частота колебаний, с которой в данный момент вибрирует измерительная труба, и/или что, по меньшей мере, в данный момент природная собственная частота моды маятниковых движений внутренней части постоянно меньше, чем в данный момент самая низкая природная собственная частота измерительной трубы. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения предусмотрено, что отношение самой низкой собственной частоты измерительной трубы к самой низкой собственной частоте моды маятниковых качаний внутренней части больше 3 и/или меньше 20. В частности, отношение самой низкой собственной частоты измерительной трубы к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части при этом может быть задано больше 5 и меньше 10.
Согласно двадцать третьему исполнению предложенного в соответствии с изобретением измерительного преобразователя он включает далее устройство возбуждения для осуществления вибрации измерительной трубы и уравновешивающего устройства.
Согласно двадцать четвертому исполнению предложенного в соответствии с изобретением измерительного преобразователя он включает далее систему сенсоров для регистрации колебаний, по меньшей мере, измерительной трубы. По усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения предусмотрено, что система сенсоров для регистрации колебаний трубы включает, по меньшей мере, один расположенный со стороны впуска на измерительной трубе первый сенсор, а также расположенный на трубе со стороны выпуска второй сенсор. К тому же может давать преимущество, когда система сенсоров для регистрации колебаний измерительной трубы далее включает, по меньшей мере, один расположенный на стороне впуска на измерительной трубу третий сенсор, а также расположенный на стороне выпуска на измерительной трубе четвертый сенсор. В этом случае, в частности, первый сенсор расположен против третьего сенсора, и второй сенсор расположен против четвертого сенсора на измерительной трубе.
Основная идея изобретения заключается, в частности, в том, чтобы в противоположность измерительным преобразователям, представленным в US-B 6666098, центр тяжести массы уравновешивающего устройства расположить ближе к продольной оси по сравнению с центром тяжести массы измерительной трубы. За счет этого достигается, что уравновешивающее устройство без труда может быть образовано существенно тяжелее, чем измерительная труба, но тем не менее без труда также могут использоваться уже однажды упомянутые внутренние концевые крутильные вибраторы, образованные с помощью внутренней части и соединительных трубчатых элементов, а также предложенная в US-B 6666098 настройка. При этом к тому же оказалось, что для балансировки измерительного преобразователя, правда, может быть важно, о чем также ведется дискуссия в US-B 6666098, чтобы распределение масс измерительной трубы и уравновешивающего устройства и в отношении положения центров тяжести масс было в основном одинаковым. Однако скорее это определяется также тем, что при работе те моменты, которые являются следствием движения вибрирующей измерительной трубы, по возможности под одинаковым эффективным углом соответственно вводятся в концевые зоны сопряжения, как и те моменты, которые создаются точно также вибрирующим уравновешивающим устройством. Это, в частности, можно сказать и в отношении возможно полной трансформации могущей возникнуть латеральной разбалансировки в скорее некритичные маятниковые движения внутренней части в предложенном в US-B 6666098 способе. Наоборот, трансформация такой латеральной разбалансировки в другие скорее вредные формы колебаний внутренней части может предотвращаться в значительной степени, по меньшей мере, значительно эффективнее. Благодаря переносу центров тяжести масс названным способом может быть настолько значительно расширена рабочая область измерительного преобразователя по сравнению с показанной в US-B 6666098, что неизбежное смещение угла между обоими названными выше эффективными углами, наступающее в результате изменяющейся плотности среды, может давать как негативные, так и позитивные результаты. В результате этого предпочтительным способом может достигаться, что смещение угла при одинаковом диапазоне колебаний принимает только сравнительно малые абсолютные значения. Таким образом, может быть осуществлена оптимальная настройка колебательных свойств измерительного преобразователя, в частности его внутренней части, с подлежащей измерению при работе средой, в частности к ожидаемым изменениям ее плотности, и в результате достигнуто значительное повышение зависящей от плотности чувствительности точки нуля.
Тем не менее предложенный в US-B 6666098 компенсационный принцип может быть не только широко реализован, но и далее значительно улучшен за счет того, что уравновешивающее устройство может образовываться не только несколько тяжелее, но и, в частности, более жестким на изгиб и на кручение. Далее уже при сравнительно небольшом увеличении массы, порядка 10% по сравнению с однажды упомянутым измерительным преобразователем типа "PROMASS Н", можно было бы достигнуть повышения чувствительности более чем на 50% и, следовательно, соответствующего повышения точности измерений. В частности, наряду с повышением зависимой от плотности чувствительности точки нуля даже при большом отклонении от калиброванной рекомендованной плотности для измерительного преобразователя можно было бы отметить также значительное повышение точности измерения встроенных измерительных приборов при малых скоростях потока.
Предложенный в соответствии с изобретением измерительный преобразователь далее отличается тем, что при применении уравновешивающего устройства описанного выше вида с соответственно высокой массой оба соединительных трубчатых элемента без труда делаются короче и таким образом также длина встройки измерительного преобразователя может быть существенно уменьшена при в основном остающемся постоянным высоком качестве динамического разъединения колебаний. Кроме того, исполнение измерительного преобразователя, несмотря на его короткую длину встройки, сравнительно легко, как и раньше.
Ниже изобретение и другие преимущества поясняются с помощью примера осуществления, который представлен на чертежах. Одинаковые детали снабжены одинаковыми обозначениями позиций. Если это полезно, для наглядности уже упоминавшиеся обозначения позиций в последующих чертежах отсутствуют.
Фиг.1a, b показывают встроенный измерительный прибор для текущей в трубопроводе среды в различных видах сбоку.
Фиг.2 показывает в перспективном виде частичный разрез пригодного для встроенного измерительного прибора на фиг.la, b измерительного преобразователя вибрационного типа.
Фиг.3 и 4 показывают частичный разрез измерительного преобразователя на фиг.2 в различных видах сбоку.
На фиг 1a, b изображен встроенный измерительный прибор, который может устанавливаться в трубопроводе, например технологическом трубопроводе промышленной установки, к примеру, в качестве кориолисова измерительного прибора массового расхода с использованием измерительного прибора плотности, измерительного прибора вязкости, который служит для измерения и/или контроля, по меньшей мере, одного параметра, например массового расхода, плотности, вязкости и т.д. текущей в трубопроводе жидкости. Для этого встроенный измерительный прибор включает измерительный преобразователь вибрационного типа, через который при работе проходит соответственно подлежащая измерению среда. На фиг.2 и 3 схематически изображен соответствующий пример осуществления такого измерительного преобразователя вибрационного типа. Кроме того, принципиальная механическая конструкция, а также принцип действия могут быть вполне сравнимы с конструкцией и принципом действия измерительного преобразователя, показанного в US-B 6666098. Измерительный преобразователь служит для создания в текущей среде механических реакций, воздействующих на измерительный преобразователь, например, зависящих от массового расхода кориолисовых сил, зависящих от плотности сил инерции и/или зависящих от вязкости сил трения, и которые могут быть измерены, в частности могут быть зарегистрированы, сенсорами. Отвлекаясь от этих реакций известным специалисту способом, могут быть измерены массовый расход m, плотность r или вязкость среды h. Для этого измерительный преобразователь включает корпус 100 преобразователя, а также расположенную в корпусе 100 преобразователя внутреннюю часть, собственно способствующую физико-электрическому преобразованию, по меньшей мере, одного подлежащего измерению параметра.
Для пропуска среды внутренняя часть включает - здесь одну - изогнутую измерительную трубу 10, которая при работе может вибрировать и при этом, колеблясь вокруг статичного положения покоя, неоднократно упруго деформируется. Измерительная труба 10 и в этом отношении также воображаемая проходящая внутри ширины в свету через центр тяжести ось измерительной трубы 10 могут быть образованы в основном в форме W, U или, как показано на фиг.2, в основном в форме V. Так как измерительный преобразователь должен иметь возможность применяться в большом числе случаев применения, в частности в области промышленной измерительной технике и технике автоматизации, далее предусмотрено, что измерительная труба в зависимости от применения измерительного преобразователя имеет диаметр, который лежит в диапазоне от 1 до 100 мм.
Для минимизации искажающих помех, действующих на измерительную трубу 10, как и для уменьшения энергии колебаний со стороны измерительного преобразователя, передающейся на присоединенный трубопровод в измерительном преобразователе, далее предусмотрено уравновешивающее устройство 20. Оно, как показано на фиг.2, расположено в измерительном преобразователе сбоку на расстоянии от измерительной трубы 10 и зафиксировано соответственно на измерительной трубе при образовании - практически определяющей конец впуска измерительной трубы 10 - первой зоны 11# сопряжения со стороны впуска и при образовании - практически определяющей конец выпуска измерительной трубы 10 - второй зоны 12# сопряжения со стороны выпуска. Уравновешивающее устройство 20, проходящее в показанном примере в основном параллельно измерительной трубе 10, при известных обстоятельствах расположенное коаксиально с ней, может быть также выполнено, к примеру, в форме трубы или короба. В приведенном случая уравновешивающее устройство 20 - как также изображено на фиг.2 - может быть образовано, например, с помощью пластин, расположенных с левой стороны и правой стороны измерительной трубы 10.
Как видно из обзора фиг.1, 2 и 3, уравновешивающее устройство 20 с помощью, по меньшей мере, одного расположенного со стороны впуска первого соединительного узла 31 закреплено на впускном конце 11# измерительной трубы 10 и с помощью, по меньшей мере, одного расположенного со стороны выпуска второго соединительного узла 32, который, в частности, в основном идентичен первому соединительному устройству 31, закреплен на выпускном конце 12# измерительной трубы 10. В качестве соединительных узлов при этом могут служить узловые косынки, которые соответствующим способом со стороны впуска и выпуска закреплены соответственно на измерительной трубе 10 и уравновешивающем устройстве. Далее предлагается, как в показанном здесь примере осуществления, полностью закрытый короб, образованный с помощью отстоящих друг от друга в направлении продольной оси узловых косынок вместе с выступающими соответственно на стороне впуска и стороне выпуска концами уравновешивающего устройства 20, при известных обстоятельствах в качестве соединительного узла 31 или в качестве соединительного узла 32 может служить частично открытая рама.
Для обеспечения прохода потока подлежащей измерению среды измерительная труба 10 с помощью первого соединительного трубчатого элемента 11, выходящего со стороны впуска в область первой зоны 11# сопряжения, и второго соединительного трубчатого элемента 12, в частности, в основном идентичного первому соединительному трубчатому элементу 11, выходящего со стороны выпуска в область второй зоны 12# сопряжения, соответственно присоединена к подводящему или отводящему - здесь не показано - трубопроводу, причем каждый из обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12 имеет в основном прямые трубчатые сегменты. Предпочтительным образом измерительная труба 10 вместе с обоими присоединительными трубчатыми элементами 11, 12 может быть выполнена цельной, так что для ее изготовления, например, может служить одна трубообразная заготовка. Вместо образования измерительной трубы 10, впускного трубчатого элемента 11 и выпускного трубчатого элемента 12 соответственно в виде сегментов одной цельной трубы они могут, если нужно, изготавливаться также с помощью отдельных, последовательно соединяемых, например, свариваемых заготовок. Для изготовления измерительной трубы 10 может, впрочем, применяться практически каждый обычный для таких измерительных преобразователей материал, например сталь, хастеллой, титан, цирконий, тантал и т.д.
Как далее показано на фиг.1, 2 и 3, корпус преобразователя 100, в частности, в сравнении с измерительной трубой 10 более жесткий на изгиб и кручение, в частности, жестко фиксируется на дальнем относительно первой зоны #11 сопряжения впускном конце соединительного трубчатого элемента 11 со стороны впуска, а также на дальнем относительно первой зоны # 11 сопряжения выпускном конце соединительного трубчатого элемента 11 со стороны выпуска. Вся внутренняя часть не только полностью заключена в корпусе 100 преобразователя, но и вследствие своей собственной массы и пружинящего действия обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12 она закреплена с возможностью совершать колебания. Дополнительно к размещению внутренней части корпус 100 преобразователя может служить к тому же для крепления корпуса электроники 200 встроенного измерительного прибора с установленной в нем электроникой измерительного прибора. Для случая, когда измерительный преобразователь должен разъемным образом монтироваться на трубопроводе, на соединительном трубчатом элементе 11 со стороны впуска на впускном конце предусмотрен первый фланец 13 и на соединительном трубчатом элементе 12 со стороны выпуска на выпускном конце предусмотрен второй фланец 14. Фланцы 13, 14 при этом у преобразователей описанного рода вполне традиционно также, по меньшей мере, частично с концевой стороны могут быть интегрированы в корпус 100 преобразователя. В случае необходимости соединительные трубчатые элементы 11, 12, впрочем, могут соединяться прямо с трубопроводом, например, с помощью сварки или пайки твердым припоем.
exc
exc
20
10
exc
При работе измерительного преобразователя измерительная труба 10, как это принято у подобного рода измерительных преобразователей вибрационного типа, побуждается к консольным колебаниям при частоте возбуждения f таким образом, что она, колеблясь в так называемой полезной моде вокруг продольной оси L измерительного преобразователя, выгибается в основном согласно природной первой форме собственных колебаний. Вследствие этого измерительная труба 10 при работе совершает, по меньшей мере, частично изгибные колебания относительно уравновешивающего устройства и продольной оси L. Одновременно в уравновешивающем устройстве 20 также возбуждаются консольные колебания и именно так, что оно, по меньшей мере, сообразно участию колеблется вне фазы, в частности, в основном противофазно к колеблющейся в полезной моде измерительной трубе 10. В частности, измерительная труба 10 и уравновешивающее устройство 20 при этом возбуждаются так, что при работе они совершают, по меньшей мере, периодически и, по меньшей мере, соразмерно участию изгибные колебания вокруг продольной оси L, которые имеют одинаковую частоту, однако в основном противоположны по фазе. Изгибные колебания при этом могут быть образованы таким образом, что они являются колебаниями одинакового модального порядка и, следовательно, по меньшей мере, при недвижущейся жидкости имеют в основном одинаковую форму. Говоря по-другому, измерительная труба 10 и уравновешивающее устройство 20 движутся в этом случае по способу колеблющихся друг против друга стоек камертона. Согласно другому исполнению изобретения частота возбуждения или также частота полезной моды f устанавливается таким образом, что она по возможности точно соответствует, в частности, самой низкой природной собственной частоте измерительной трубы 10. При применении измерительной трубы, изготовленной из нержавеющей стали, с номинальным внутренним диаметром от 29 мм, с толщиной стенки около 1,5 мм, развернутой длиной около 420 мм и видимой длиной 305 мм, измеренной от конца впуска # 11 до конца выпуска 12 #, самая низкая резонансная частота ее, например, при плотности, равной практически нулю, например, при полностью заполненной воздухом трубе, составляла бы около 450 Гц. Преимущественным образом далее предусмотрено, что также самая низкая природная собственная частота f уравновешивающего устройства 20 примерно равна самой низкой природной собственной частоте f измерительной трубы и в этом отношении также примерно равна частоте возбуждения f.
ехс
exc
ехс
exc
Для генерирования механических колебаний измерительной трубы 10 и уравновешивающего устройства 20 измерительный преобразователь включает далее, в частности, электродинамическое устройство возбуждения 40. Оно служит для того, чтобы электрическую возбуждающую энергию Е с регулируемым током и/или регулируемым напряжением, поступающую от не показанной электроники управления, установленной в корпусе электроники 200, названного выше кориолисова измерителя массового расхода, преобразовать в возбуждающую силу F, которая, например, в форме импульсов или гармонически воздействует на измерительную трубу и отклоняет ее описанным выше способом. Пригодная для регулировки возбуждающей энергии Е электроника управления показана в US-A 4777833, US-A 4801897 или в US-А 5009109. Возбуждающая сила F, как это принято в измерительных преобразователях, может быть образована двусторонней или недвусторонней и понятным для специалиста образом регулироваться с помощью цепи регулирования тока или напряжения в отношении ее амплитуды и, например, с помощью контура регулирования фаз относительно ее частоты. В качестве устройства 40 возбуждения может, например, служить простое устройство с подвижной, закрепленной на уравновешивающем устройстве 20 цилиндрической катушкой возбуждения, через которую при работе проходит соответствующий ток возбуждения, и анкером с постоянным магнитным полем, погружающимся, по меньшей мере, частично в катушку возбуждения, который снаружи, в частности в середине, закреплен на измерительной трубе 10. Далее в качестве устройства 40 возбуждения может служить, например, также электромагнит.
Для детектирования колебаний измерительной трубы 10 измерительный преобразователь включает, кроме того, сенсорную систему 50. В качестве сенсорной системы может практически применяться каждая из сенсорных систем обычных для подобного рода измерительных преобразователей, которая регистрирует движения измерительной трубы 10, в частности, на стороне впуска и на стороне выпуска и преобразует их в соответствующие сенсорные сигналы. Сенсорная система 50, например, может быть образована известным специалисту образом с помощью первого сенсора 51, расположенного на измерительной трубе на стороне впуска и с помощью второго сенсора 52, расположенного на измерительной трубе на стороне выпуска. В качестве сенсоров могут применяться измеряющие колебания электродинамические сенсоры скорости или также электродинамические сенсоры перемещения или сенсоры ускорения. В качестве альтернативы или дополнения к электродинамическим сенсорным системам могут далее для детектирования колебаний измерительной трубы 10 служить сенсорные системы, выполняющие измерения с помощью тензорезисторов сопротивления или пьезоэлектрических тензорезисторов, или оптоэлектронные сенсорные системы.
Если необходимо, то известным специалисту способом могут быть предусмотрены необходимые для измерения и/или для работы измерительного преобразователя сенсоры, например дополнительные сенсоры колебаний, расположенные на уравновешивающем устройстве 20 и/или на корпусе 100 преобразователя, сравните при этом также US-A 5736653, или, например, температурные датчики, расположенные также на измерительной трубе 10, на уравновешивающем устройстве 20 и/или корпусе 100 преобразователя, сравните при этом US-A 4768384 или WO -A 00/102816.
Для дальнейшего улучшения качества сигналов, поступающих от сенсоров сенсорной системы, и/или для получения дополнительной информации о колебаниях согласно усовершенствованному варианту изобретения далее предусмотрено, что дополнительно к обоим сенсорам 51, 52 перемещения или колебаний на измерительной трубе располагаются другие сенсоры 53, 54 колебаний, реагирующие на движение измерительной трубы, так что таким образом сенсорная система 50 образована, как это схематически изображено на фиг.4, с помощью, по меньшей мере, четырех таких сенсоров. При этом третий сенсор 53 точно также расположен на измерительной трубе 10, на стороне впуска, и четвертый сенсор 54 точно также расположен на измерительной трубе, на стороне выпуска. Согласно исполнению этого усовершенствованного варианта изобретения далее предусмотрено располагать третий сенсор 53 в области первого сенсора 51, в частности на противоположной стороне измерительной трубы 10, и четвертый сенсор 54 в области второго сенсора, в частности на противоположной стороне измерительной трубы 10. В случае, представленном на фиг.4, оба расположенных на стороне впуска сенсора 51, 53 и оба расположенных на стороне выпуска сенсора 52, 54 расположены на измерительной трубе 10 vis-a-vis, т.е. непосредственно друг против друга, и, если смотреть в направлении колебаний, лежат на одной прямой, и таким образом при серийном соединении обоих соответственно противолежащих сенсоров 51, 53 или 52, 54 с помощью сравнительно небольших дополнительных расходов на осуществление сенсорной системы 50 может, среди прочего, достигаться повышенное, полезное улучшение отношения шумы:сигнал для поступающих от системы сигналов колебаний. Для упрощения как конструкции сенсорной системы 50, так и оценки поступающих от нее сигналов колебаний согласно другому исполнению к тому же далее предусмотрено исполнять сенсоры колебаний, образующие сенсорную систему 50, в основном одинаковыми по устройству.
Для предусмотренного случая работы, когда по трубопроводу течет среда, т.е. массовый расход m отличен от нуля, с помощью вибрирующей описанным выше способом измерительной трубы 10 в протекающей среде наводятся также силы Кориолиса. Они опять же воздействуют на измерительную трубу 10 и являются причиной таким образом дополнительных, регистрируемых с помощью сенсоров деформаций в основном согласно природной второй форме собственных колебаний. Мгновенное проявление этой так называемой наложенной кориолисовой моды одинаковой по частоте возбужденной полезной моде, в частности в отношении ее амплитуды, также зависит от мгновенного массового расхода m. В качестве второй формы собственных колебаний, как это обычно имеет место у подобного рода измерительных преобразователей с изогнутой измерительной трубой, может реализоваться, например, форма собственных колебаний антисимметричной закручивающей моды, т.е. такой, при которой измерительная труба 10, как уже упоминалось, совершает крутильные колебания вокруг направленной перпендикулярно к продольной оси L виртуальной вертикальной оси земной системы координат, которая лежит в одной плоскости симметрии показанного измерительного преобразователя.
При вполне обычном и стало быть ожидаемом случае, когда плотность текущей в измерительной трубе 10 и, следовательно, также распределение массы во внутренней части значительно изменяются, нарушается силовое равновесие между вибрирующей измерительной трубой 10 и так сказать вибрирующим описанным выше способом уравновешивающим устройством 20. Если бы получающиеся в результате поперечные силы, действующие во внутренней части с одинаковой частотой с колебаниями измерительной трубы 10, не смогли бы компенсироваться, то внутренняя часть, подвешенная к обоим соединительным трубчатым элементам 11, 12, отклонилась бы латерально из заданного статического встроенного положения. Таким образом, поперечные силы через соединительные трубчатые элементы 11, 12, с помощью которых измерительная труба 10, как уже упоминалось, при работе соединена с трубопроводом, могут воздействовать, по меньшей мере, частично на присоединенный трубопровод и заставить его точно так же вибрировать нежелательным образом, как и встроенный измерительный прибор. Далее подобного рода поперечные силы могут вести также к тому, что измерительная труба 10 из-за несимметричной с точки зрения техники колебаний подвески внутренней части даже всего измерительного преобразователя, которая обусловлена практически неизбежными допусками при изготовлении, дополнительно побуждается к равным по частоте паразитным колебаниям, например дополнительным консольным колебаниям согласно второй форме собственных колебаний, которые в этом случае благодаря одинаковой частоте колебаний практически больше не могут быть отличимы сенсорами от собственной кориолисовой моды.
20
Наряду с латеральным паразитными нарушениями внутренняя часть, подвешенная в корпусе преобразователя, может к тому же совершать также маятниковые движения вокруг продольной оси L, при которых зоны сопряжения поворачиваются вокруг продольной оси и соединительные трубчатые элементы 11, 12 скручиваются. Соответствующим способом обе зоны сопряжения и таким образом и оба соединительных узла 31, 32 испытывают соответствующие скручивания вокруг продольной оси L, т.е. также колеблются, а именно в основном синфазно. Говоря по-другому, внутренняя часть, закрепленная в корпусе преобразователя со способностью колебаться, имеет моду маятниковых движений, в которой она при работе, при деформациях обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12, по меньшей мере, периодически качается вокруг виртуальной продольной оси L. При этом вибрирующая измерительная труба 10 и уравновешивающее устройство 20 дополнительно совершают общие маятниковые движения вокруг продольной оси L, которые, по меньшей мере, при находящейся в состоянии покоя среде в основном синфазны друг другу и консольным колебаниям уравновешивающего устройства 20 измерительной трубы 10, если масса m уравновешивающего устройства 20 меньше мгновенной общей массы измерительной трубы 10, по которой течет среда. Для обратного случая, когда общая масса измерительной трубы 10, направляющей среду, меньше массы уравновешивающего устройства 20, эти маятниковые движения внутренней части образованы синфазно к консольным колебаниям уравновешивающего устройства 20 измерительной трубы 10.
Но, напротив, сама внутренняя часть, подвешенная в корпусе преобразователя со способностью совершать колебания, имеет, по меньшей мере, природную моду латеральных колебаний, которая определяется жесткостью пружины при изгибе соединительных трубчатых элементов 11, 12, а также своей мгновенной общей массой. В этой моде латеральных колебаний внутренняя часть колебалась бы при работе в резонансе, сопровождаясь соответствующими изгибными деформациями обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12, относительно корпуса 100 преобразователя и вокруг продольной оси L, если бы осуществлялось соответствующее возбуждение. Равным образом внутренняя часть также имеет, по меньшей мере, одну природную моду маятниковых движений, определенную преимущественным образом жесткостью пружины на кручение соединительных трубчатых элементов 11, 12, а также мгновенным общим моментом инерции вокруг продольной оси L, при котором она колебалась при работе в резонанс, сопровождаясь соответствующими образованными деформациями скручивания обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12, вокруг виртуальной продольной оси L, если бы осуществлялось соответствующее возбуждение.
1
2
1
2
exc
exc
1
2
К счастью, как уже обсуждалось в US-B 6666098, остаточные поперечные силы, потенциально возбуждающие также моду латеральных колебаний внутренней части, могут с помощью соответствующей настройки соединительных трубчатых элементов 11, 12 и внутренней части трансформироваться в самой широкой степени во многие малокритические маятниковые движения всей внутренней части вокруг продольной оси L, и в этом отношении в значительной мере избегаются прежде вредные латеральные колебания внутренней части. Для этого лишь нужно отрегулировать природную собственную частоту f первого крутильного вибратора, образованного на стороне впуска, с помощью соединительного трубчатого элемента 11 и соединительного узла 31, определяющего практически зону 11# сопряжения со стороны впуска, и природную собственную частоту f второго крутильного вибратора, точно так же образованного на стороне выпуска с помощью соединительного трубчатого элемента 12 и соединительного узла 32, определяющего практически зону 11# сопряжения со стороны выпуска, посредством соответствующих размеров обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12, а также обоих соединительных узлов 31, 32 так, что обе собственные частоты f, f примерно равны частоте возбуждения f, с которой, по меньшей мере, преимущественно колеблется измерительная труба 10, сравните к тому также US-B 6666098. Вследствие возможных маятниковых движений внутренней части на полезной частоте f оба названных выше крутильных вибратора равным образом могут совершать крутильные колебания вокруг продольной оси L. Для регулировки собственных частот f, f должны быть настроены соответственно друг к другу момент инерции массы на стороне впуска относительно продольной оси L, здесь подготовленный в основном с помощью, по меньшей мере, соединительного узла 31, и жесткость на скручивание принадлежащего соединительного трубчатого элемента 11, а также момент инерции массы на выпускной стороне вокруг продольной оси L, здесь подготовленный с помощью соединительного узла 32, и жесткость на скручивание соединительного трубчатого элемента 12 со стороны выпуска. В показанном здесь измерительном преобразователе, наряду с косынками и выступающими соответственно с концевой стороны концов пластин, кроме этого, при определении момента инерции массы для настройки крутильной моды со стороны впуска также следует учитывать трубчатые сегменты, проходящие между обеими косынками соединительных узлов 31, 32.
exc
1
2
С помощью настройки полезной моды и собственно крутильной моды описанным способом достигается, что внутренняя часть, которая при работе качается при работе с одинаковой частотой с измерительной трубой 10, колеблющейся при частоте возбуждения f, практически точно возбуждает крутильные вибраторы на стороне впуска и стороне выпуска во внутренней собственной моде. Для этого случая оба крутильных вибратора, колеблющиеся на соответствующей собственной частоте f или f и вынужденно также синфазно с внутренней частью, практически не создают или создают только очень небольшие противодействующие моменты. Таким образом, внутренняя часть при работе так мягко установлена в плане кручения, что она практически может рассматриваться как полностью отсоединенной в части колебаний от обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12. На основе факта, что внутренняя часть, несмотря на практически полное разъединение, при работе качается вокруг продольной оси L и не совершает вращательных движений, может быть сделан вывод о том, что не может существовать какого-либо общего вращательного момента внутренней части. Но благодаря этому также латеральный общий импульс, почти напрямую зависящий от общего вращательного момента, в частности, при подобном распределении масс в измерительной трубе 10 и уравновешивающем устройстве 20, и таким образом отводимые от него латеральные поперечные силы, которые от внутренней части могут передаваться наружу, точно также практически равны нулю. Для желательного случая, когда качания внутренней части происходят в области соответствующей мгновенной собственной частоты обоих крутильных вибраторов, измерительная труба 10 вместе с уравновешивающим устройством качаются практически свободно от поперечных сил и крутильных моментов вокруг продольной оси L. В этом отношении при балансном или также разъединительном механизме зависящие от плотности небалансы ведут преимущественно к изменениям амплитуды колебаний лишь маятниковых движений внутренней части и во всяком случае к пренебрежимо малым латеральным смещениям из встроенного положения. Вследствие этого измерительные преобразователи могут динамически уравновешиваться в значительной степени независимо от плотности r флюида внутри широкой рабочей области, и таким образом их чувствительность к созданным внутри поперечным силам существенно уменьшается.
Теперь оказалось, что у измерительных преобразователей описанного вида, в частности, также при реализации описанного выше механизма разъединения, имеет значение не только мягкое в плане вращения механическое соединение внутренней части с корпусом преобразователя и с присоединенным трубопроводом. Удивительным образом, в частности, было отмечено, что при работе те моменты, которые получаются из движения вибрирующей трубы, по возможности вводятся соответственно под равным эффективным углом в концевые зоны сопряжения, как те моменты, которые создаются точно так же вибрирующим уравновешивающим устройством. Правда, далее оказалось, что вследствие изменяющейся плотности среды между эффективными углами может наступить значительное угловое смещение.
10
20
10
20
10
20
10
20
10
20
10
20
10
20
Чтобы удержать это практически неизбежно изменяющееся угловое смещение в приемлемых для желаемой рабочей области границах, в предложенном в соответствии с изобретением измерительном преобразователе измерительная труба 10 и уравновешивающее устройство образованы таким образом, что как центр тяжести массы М измерительной трубы 10, отстоящий от виртуальной продольной оси L, так и центр тяжести массы М уравновешивающего устройства 20, отстоящий от виртуальной продольной оси L, как схематически изображено на фиг.3, лежат в общей области измерительного преобразователя, натянутой от виртуальной продольной оси L к измерительной трубе 10. Кроме того, измерительная труба 10 и уравновешивающее устройство 20 далее образованы и ориентированы к друг другу так, что, по меньшей мере, в состоянии покоя центр тяжести массы М измерительной трубы удален от продольной оси L дальше, чем центр тяжести массы М уравновешивающего устройства 20. Согласно другому исполнению изобретения далее предусмотрено, что каждый из обоих названных выше центров тяжести массы M, М имеют расстояние до виртуальной оси L, которое больше чем 10% измеряемого наибольшего расстояния между измерительной трубой 10 и виртуальной осью L. При реализации измерительного преобразователя с ходовым базовым расстоянием это практически означало бы, что каждый из центров тяжести массы М, М имеет расстояние до виртуальной оси, которое больше 30 мм. Далее оказалось, что отношение расстояния каждого из центров тяжести М, М к диаметру измерительной трубы 10 должно быть соответственно больше единицы, в частности, по меньшей мере, два. Далее было установлено, что может иметь преимущество, если каждый из центров тяжести массы M, М имеет расстояние до виртуальной продольной оси L, которое меньше чем 90% наибольшего расстояния между измерительной трубой 10 и виртуальной осью L. Поэтому согласно другому исполнению изобретения дальше предложено, что отношение расстояния каждого из центров тяжести массы М, М к диаметру измерительной трубы 10 сохранено соответственно больше 2 и меньше 10.
С помощью переноса центров тяжести массы названным способом рабочая область измерительного преобразователя, в частности, в сравнении с измерительным преобразователем, показанным в US-B 6666098, существенно может быть расширена и угловое смещение, вынужденно наступающее между обоими названными выше эффективными углами вследствие изменяющейся плотности среды, может давать как отрицательные, так и положительные результаты и таким образом принимает только половину величины и в этом отношении сравнительно небольшие абсолютные значения. Таким образом, может существенно уменьшиться подверженность влиянию точки нуля измерительного преобразователя.
exc
Чтобы, кроме этого, реализовать по возможности надежное разъединение внутренней части измерительного преобразователя также от несущего помехи взаимодействия с измерительной трубой 10, в частности, обеспечить, чтобы сама внутренняя часть начинала совершать маятниковые движения по возможности исключительно вследствие действующего механизма разъединения и по возможности не вследствие возбуждения других собственных резонансов, согласно другому исполнению изобретения предусмотрено, что, по меньшей мере, одна природная собственная частота этой моды маятниковых движений меньше, чем самая низкая частота колебаний, с которой в данный момент позволено вибрировать измерительной трубе 10, например, с полезной частотой f. Для этого внутренняя часть образована далее так, что, по меньшей мере, одна мгновенная природная самая низкая собственная частота моды маятниковых движений внутренней части постоянно меньше мгновенной природной самой низкой собственной частоты внутренней трубы 10.
Вследствие того что реализованный предложенным способом механизм разъединения в основном основан на скорее конструктивной, практически не подлежащей изменению извне настройке названных выше крутильных вибраторов и внутренней части, естественно ожидать, даже в сравнении с существующими измерительными преобразователями, без описанного выше механизма разъединения очень незначительного сбоя настройки из-за изменяющихся свойств среды. Этими важными для настройки параметрами, наряду с плотностью, могут быть, например, вязкость среды и/или ее температура и с этим связанная настройка самой внутренней части. Чтобы и для таких случаев иметь возможность подготовить хорошо уравновешенный измерительный преобразователь, по другому исполнению изобретения предусмотрено, что внутренней части приданы такие размеры, что природная собственная частота ее моды маятниковых движений меньше самой низкой частоты колебаний, с которой в данным момент вибрирует измерительная труба 10, или что, по меньшей мере, мгновенная природная собственная частота моды маятниковых движений внутренней части постоянно меньше мгновенной самой низкой собственной частоты измерительной трубы 10. При этом оказалось, что отношение самой низкой собственной частоты измерительной трубы 10 к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части должно быть больше 3 и, напротив, не должно быть больше 20. Далее при этом оказалось, что для большинства случаев применения может быть достаточно, чтобы это отношение самой низкой собственной частоты измерительной трубы к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части находилось в сравнительно узком рабочем диапазоне, примерно между 5 и 10.
Согласно другому исполнению изобретения внутренняя часть и оба соединительных трубчатых элемента 11, 12 так настроены друг к другу, что мода латеральных колебаний внутренней части имеет самую низкую собственную частоту, которая больше, чем самая низкая собственная частота моды маятниковых движений внутренней части. В частности, предусмотрено при этом, что внутренняя часть и оба соединительных трубчатых элемента так настроены друг к другу, что отношение самой низкой собственной частоты моды латеральных колебаний внутренней части к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части больше 1,2.
L
p
Далее предусмотрено так настраивать это отношение самой низкой собственной частоты моды латеральных колебаний внутренней части к самой низкой собственной частоте моды маятниковых движений внутренней части, что оно меньше 10. Далее оказалось, что для большинства случаев применения может быть достаточно поддерживать это отношение самой низкой собственной частоты f моды латеральных колебаний внутренней части к самой низкой собственной частоте f моды маятниковых движений внутренней части в сравнительно узком рабочем диапазоне, где-то между 1,5 и 5.
Согласно другому исполнению изобретения далее предусмотрено, что оба соединительных трубчатых элемента 11, 12 так ориентированы друг к другу и к виртуальной оси L измерительного преобразователя воображаемо соединяющей обе зоны 11#, 12# сопряжения, что внутренняя часть может качаться, при одновременном скручивании обоих соединительных трубчатых элементов 11, 12, вокруг продольной оси L. Для этого оба соединительных трубчатых элемента 11, 12 должны так ориентироваться друг к другу, что прямые трубчатые сегменты проходят в основном параллельно виртуальной оси L и с ней и друг с другом лежат в основном на одной линии. Так как оба соединительных трубчатых элемента 11, 12 в показанном здесь примере осуществления выполнены практически в основном прямыми по всей их длине, они соответственно этому, в общем, ориентированы друг к другу, а также к воображаемой продольной оси L в основном по одной линии. Согласно исполнению изобретения далее предусмотрено, что в качестве компромисса между пружинящим эффектом, с одной стороны, и приемлемыми установочными размерами измерительного преобразователя, с другой стороны, длина каждого из соединительных трубчатых элементов 11, 12 соответственно соответствует максимум 0,5-кратному самому короткому расстоянию между обеими зонами сопряжения 11#, 12#. Для обеспечения изготовления по возможности компактного измерительного преобразователя каждый из обоих соединительных трубчатых преобразователей 11, 12 имеет, в частности, длину, которая соответственно меньше 0,4-кратного самого короткого расстояния между обеими зонами сопряжения.
20
10
20
20
Для улучшения описанного выше механизма разъединения уравновешивающее устройство 20 согласно другому исполнению изобретения выполнено существенно тяжелее, чем измерительная труба 10. Согласно усовершенствованному варианту этого исполнения изобретения отношение массы m уравновешивающего устройства 20 к массе m измерительной трубы 10 принято больше 2. В частности, далее измерительная труба 10 и уравновешивающее устройство образованы таким образом, что последнее имеет массу m, которая также больше, чем масса измерительной трубы 10, наполненной подлежащей измерению средой. Вместе с тем уравновешивающее устройство 20, несмотря на свою сравнительно высокую массу m, имеет собственную частоту, которая близка собственной частоте измерительной трубы, возбужденной в полезной моде или ее области, далее, по меньшей мере, при этом исполнении изобретения уравновешивающее устройство образовано так, что оно соответствующим образом более жестко к изгибу, чем измерительная труба 10.
Для реализации уравновешивающего устройства 20, которое, в частности, более тяжелое и так сказать, более жесткое к изгибу, и для упрощенной настройки его на измерительной трубу 10 и/или крутильные вибраторы на концевой стороне описанным выше способом согласно другому исполнению изобретения далее предусмотрено, что оно, по меньшей мере, соразмерно доле участия образовано с помощью расположенных сбоку измерительной трубы пластин 21, 22. В показанном здесь примере осуществления уравновешивающее устройство 20 образовано с помощью, по меньшей мере, двух изогнутых пластин 21, 22 уравновешивающего устройства, из которых первая пластина 21 уравновешивающего устройства расположена с левой стороны измерительной трубы 10 и вторая пластина 22 уравновешивающего устройства расположена с правой стороны измерительной трубы 10. Каждая из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства - здесь образованных в основном в форме арки или подковы - имеет внешнюю боковую поверхность, первый край которой образован кромкой, дающей дистальный контур относительно продольной оси, а также второй край, образованный кромкой, дающей проксимальный контур относительно продольной оси. В показанном здесь примере осуществления к тому же каждая из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства, образующих уравновешивающее устройство 20, расположена параллельно измерительной трубе 10. Согласно другому исполнению изобретения каждая из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства в продолжение этого так образована и так расположена в измерительном преобразователе относительно измерительной трубы 10, что кромки, дающие как дистальный, так и проксимальный контур, каждой, по меньшей мере, из двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства, по меньшей мере, в области среднего участка уравновешивающего устройства имеют отличающееся от нуля расстояние до продольной оси L.
Как изображено на фиг.2 и 3, далее каждая из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства образована так, что, по меньшей мере, в области среднего участка уравновешивающего устройства 20 местная высота пластины соответственно меньше, чем соответственно в области обеих зон сопряжения. Местная высота пластины при этом соответствует соответственно наименьшему расстоянию, которое замерено на выбранном месте соответствующей пластины уравновешивающего устройства тут же между кромками, дающими дистальный и проксимальный контуры, каждой из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства. Согласно усовершенствованному варианту изобретения каждая из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства имеет к тому же в области среднего участка уравновешивающего устройства 20 наименьшую высоту. Далее предусмотрено, что высота каждой из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства, соответственно следуя от зоны сопряжения к среднему участку уравновешивающего устройства 20, в частности, монотонно или непрерывно уменьшается.
Согласно другому исполнению изобретения каждая из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22, образующих уравновешивающее устройство 20, имеет в основном подковообразный контур или силуэт. Соответствующим образом воображаемая ось, проходящая через центр тяжести, идущая между дистальной относительно продольной оси L линией контура, а также проксимальной относительно продольной оси линией контура, каждой из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства образована одинаково изогнутой. В связи с подковообразной формой уравновешивающего устройства 20 ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин 21, 21 уравновешивающего устройства, имеет, по меньшей мере, в области среднего участка вогнутый вид относительно продольной оси и, по меньшей мере, в области зон сопряжения соответственно выпуклый вид относительно продольной оси.
Как уже упоминалось, измерительная труба 10 и уравновешивающее устройство, при известных обстоятельствах, выполнены таким образом, что они при по возможности подобной внешней пространственной форме имеют равное или, по меньшей мере, подобное друг другу распределение массы. Поэтому согласно другому исполнению изобретения предусмотрено, что пластины 21, 22, образующие уравновешивающее устройство 20, и в этом отношении само уравновешивающее устройство 20 имеют в основном сравнимую с изогнутой измерительной трубой или, по меньшей мере, подобную арочную форму. Равным образом ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства, по меньшей мере, в области среднего участка уравновешивающего устройства 20 в основном образована также арочной формы, как ось, проходящая через центр тяжести, измерительной трубы 10. Соответственно этому пластины 21, 22, образующие уравновешивающее устройство 20, и таким образом, как уравновешивающее устройство 20, так и вся внутренняя часть в приведенном здесь примере осуществления имеют изогнутый силуэт в основном в форме U или V. Равным образом в примере осуществления также и ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства, по меньшей мере, в области лежащего между обеими зонами сопряжения среднего участка уравновешивающего устройства образована в основном U или V-образной формы. Согласно другому исполнению пластинам 21, 22 уравновешивающего устройства придана такая форма, и они так расположены относительно измерительной трубы 10, что ось, проходящая через центр тяжести каждой из, по меньшей мере, двух пластин 21, 22 уравновешивающего устройства, в основном параллельна оси, проходящей через центр тяжести измерительной трубы 10, которая воображаемо проходит внутри ее ширины в свету.
10
20
20
L
p
С помощью комбинации подковообразного контура уравновешивающего устройства 20, с одной стороны, и сужающейся к середине высоты пластины, с другой стороны, уравновешивающее устройство 20 и внутренняя часть могут очень просто регулироваться как в отношении распределения массы, в частности, относительного положений центров тяжести масс М, М, так и отсюда в значительной степени независимо в отношении названных выше собственных частот f, f f. Кроме того, реализованный также с помощью крутильного вибратора на концевой стороне механизм разъединения может настраиваться в широкой степени независимо от названных выше критериев, так как хотя, с одной стороны, выступающие концы пластин уравновешивающего устройства вместе с примененными косынками вносят преобладающий вклад в требуемый момент инерции массы, и, с другой стороны, однако, их высота может выбираться пригодной в широких границах, не оказывая существенного влияния на указанные выше другие свойства колебаться уравновешивающего устройства 20.
Чтобы обеспечить по возможности простую, удобную в обращении подгонку уравновешивающего устройства к массе, действующей на фактическую измерительную трубу 10, и/или распределению массы, далее на уравновешивающем устройстве 20 могут быть установлены, в частности, разъемно служащие в качестве дискретных дополнительных масс уравновешивающие тела 21. В качестве альтернативы или дополнения соответствующее распределение массы может реализоваться в уравновешивающем устройстве 20, например, путем образования продольных или кольцевых канавок. Итоговая пригодная для соответствующего применения масса и/или распределение массы уравновешивающего устройства 20 соответственно внутренней части может быть без затруднений определяться, прежде всего, с помощью расчетов методом конечных элементов и/или с помощью соответствующих калибровочных измерений. В этом случае подлежащие регулировке параметры конкретного измерительного преобразователя для оптимальной настройки эффективных углов на стороне впуска и выпуска, т.е. соответствующие массы, распределение масс и/или моменты инерции масс измерительной трубы 10 и уравновешивающего устройства 20 и следующие отсюда геометрические размеры, могут определяться, например, известным специалисту способом с помощью метода конечных элементов или других моделирующих ситуацию компьютерных расчетов в сочетании с соответствующими калибровочными измерениями.
Предложенный в соответствии с изобретением измерительный преобразователь на основе своей хорошей динамической уравновешенности особенно пригоден для применения в кориолисовом измерителе массового расхода, кориолисовом измерителе массового расхода-/ плотности или в кориолисовом измерителе массового расхода / плотности / вязкости, который предусмотрен для сред с существенно изменяющейся при работе плотностью.