ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИБРАЦИОННОГО ТИПА И ПРИМЕНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METERING CONVERTER OF VIBRATION TYPE AND APPLICATION OF METERING CONVERTER

Изобретение относится к измерительному преобразователю вибрационного типа для измерения направляемой трубопроводом текучей среды, в частности газа, жидкости, порошка или другого текучего вещества, и к его применению.
В технике измерений и автоматизации процессов для измерения физических параметров, например массового расхода, плотности и/или вязкости, протекающей в трубопроводе среды часто используют такие врезные измерительные приборы, которые посредством обтекаемого протекающей средой измерительного преобразователя вибрационного типа и подключенной к нему измерительно-эксплуатационной схемы создают в среде реакционные силы, например соответствующие массовому расходу силы Кориолиса, соответствующие плотности силы инерции и/или соответствующие вязкости среды силы трения и т.д. и формируют производный от них измерительный сигнал, представляющий соответственно массовый расход, вязкость и/или плотность среды.
Подобные измерительные преобразователи, выполненные, в частности, в виде кориолисовых массовых расходомеров или кориолисовых массовых расходомеров/плотномеров, подробно и детально описаны, например, в WO-A 04/099735, WO-A 04/038341, WO-A 03/076879, WO-A 03/027616, WO-A 03/021202, WO-A 01/33174, WO-A 00/57141, WO-A 98/07009, US-B 6807866, US-B 6711958, US-B 6666098, US-B 6308580, US-A 6092429, US-A 5796011, US-A 5301557, US-A 4876898, EP-A 553939, EP-A 1001254, EP-A 1248084, EP-A 1448956 или EP-A 1421349. Для ведения, по меньшей мере, временно протекающей среды измерительные преобразователи включают в себя, по меньшей мере, одну трубу, закрепленную с возможностью соответствующего колебания на толстостенном большей частью, в частности трубчатом и/или балочном, несущем цилиндре или в несущей раме. Кроме того, названные измерительные преобразователи содержат вибрирующую также, по меньшей мере, временно вторую трубу, механически соединенную с первой трубой, по меньшей мере, двумя, в частности, однако, четырьмя соединительными элементами, называемыми также узловыми пластинами или соединителями, причем, по меньшей мере, первая труба выполнена в виде служащей для ведения измеряемой среды, сообщенной с трубопроводом первой измерительной трубы. Для создания названных реакционных сил обе трубы, приводимые большей частью электродинамическим устройством возбуждения, заставляют при работе вибрировать, причем обе трубы совершают, по меньшей мере, временно изгибные колебания вокруг воображаемой оси колебаний, в основном, параллельной продольной оси измерительного преобразователя. Для регистрации вибраций трубы, в частности с впускной и выпускной сторон, и для формирования, по меньшей мере, одного представляющего их измерительного сигнала колебаний такие измерительные преобразователи содержат далее сенсорное устройство, реагирующее на движения и, следовательно, также на механические колебания трубы.
При работе посредством электромеханического устройства возбуждения, по меньшей мере, временно в режиме полезных колебаний в описанной внутренней колебательной системе измерительного преобразователя, образованной, по меньшей мере, одной трубой, направляемой ей, по меньшей мере, в данный момент средой, а также частично устройством возбуждения и сенсорным устройством, возбуждают механические колебания, по меньшей мере, с одной доминирующей полезной частотой. Эти колебания в так называемом полезном режиме представляют собой большей частью, в частности при использовании измерительного преобразователя в качестве кориолисова расходомера и/или плотномера, по меньшей мере, частично латеральные колебания. В качестве полезной частоты колебаний выбирают при этом обычно естественную резонансную частоту внутренней колебательной системы в данный момент, которая, в свою очередь, зависит как от величины, формы и материала трубы, так и от плотности среды в данный момент; при случае, на полезную частоту колебаний значительное влияние может оказывать также вязкость среды в данный момент. Вследствие колеблющейся плотности измеряемой среды и/или вследствие предпринятых при работе замен сред полезная частота колебаний при работе измерительного преобразователя является, конечно, изменяемой, по меньшей мере, в пределах калиброванного и, следовательно, заданного диапазона, который соответственно имеет заданные нижнюю и верхнюю предельные частоты. Внутренняя колебательная система измерительного преобразователя, образованная сообща, по меньшей мере, одной трубой, а также устройством возбуждения и сенсорным устройством, заключена обычно в корпус, содержащий несущую раму или несущий цилиндр в качестве неотъемлемой составной части, причем корпус концами с впускной и выпускной сторон механически соединен с трубопроводом и также имеет множество естественных колебательных режимов. Соответственно подходящие для измерительных преобразователей вибрационного типа корпуса описаны, например, в WO-А 03/076879, WO-A 03/021202, WO-A 01/65213, WO-A 00/57141, US-B 6776052, US-B 6711958, US-A 6044715, US-A 5301557 или ЕР-А 1001254.
Разработки в области измерительных преобразователей вибрационного типа достигли между тем такого уровня, что современные измерительные преобразователи описанного рода подходят практически почти для любых применений техники измерения расхода и могут отвечать там самым высоким требованиям. Такие измерительные преобразователи используются на практике для измерения массовых расходов от нескольких г/ч до нескольких т/ч при давлениях до 100 бар для жидкостей или даже более 300 бар для газов. Достигаемая при этом точность измерений составляет обычно около 99,9% от фактического значения или выше, а ошибка измерений составляет около 0,1%, причем нижний предел гарантированного диапазона измерений может вполне составлять около 1% конечного значения диапазона измерений. За счет широкого спектра возможностей своего применения измерительные преобразователи описанного рода в зависимости от применения могут быть предложены к тому же с номинальными условными проходами, которые, будучи измерены по фланцу, составляют 1-250 мм или даже более.
Исследования, проведенные на измерительных преобразователях вибрационного типа с двумя параллельными друг другу, изогнутыми трубами, как они описаны, например, в US-B 6711958 или US-B 6308580, показали, однако, что, несмотря на симметричную, в основном, конструкцию в отношении проходящей между обоими изогнутьми сегментами труб воображаемой средней плоскости измерительного преобразователя, могут возникать чередующиеся в значительной степени в ритме полезной частоты колебаний дебалансы в измерительном преобразователе и в присоединенный трубопровод могут быть введены сопутствующие им паразитные колебания. Особенно снижающими требуемую высокую точность измерений оказались при этом те паразитные колебания, которые действуют в направлении называемой ниже вертикальной осью главной оси инерции измерительного преобразователя, лежащей в названной воображаемой средней плоскости измерительного преобразователя и проходящей, в основном, перпендикулярно оси колебаний. Для уменьшения таких ориентированных, в частности, перпендикулярно оси колебаний паразитных колебаний в ЕР-А 1248084 и WO-A 04/099735 предложено разместить на изогнутом центральном сегменте каждой из обеих труб консольный балансировочный элемент. Действие таких балансировочных элементов состоит при этом, в основном, в создании сил ускорения, которые соответственно противонаправлены силам ускорения, созданным вибрирующими трубами и ориентированным перпендикулярно оси колебаний, и, тем самьм, частично компенсируют их. Дальнейшие исследования показали, что у измерительных преобразователей описанного рода, в частности с V- или трапецеобразно изогнутыми трубами и/или с трубами, диаметр которых составляет 80 мм или более, помимо таких сил, зависимых, главным образом, от ускорения подвижных масс, в возрастающей степени к значительным дебалансам в измерительном преобразователе могут привести и такие зажимные усилия, которые в преобладающей степени зависят от асимметричной деформации корпуса, сопутствующей отклонению труб в данный момент.
На фиг.1 и 2 изображены два принципиальных эскиза для пояснения колебательного движения у измерительного преобразователя описанного рода с двумя изогнутыми, проходящими параллельно друг другу трубами, которые с впускной и выпускной сторон механически соединены между собой посредством соответственно двух соединительных элементов. Трубы изображены при этом схематично в упрощенном виде и свободно обрезанными на концах, т.е. без зажимающего корпуса, и могут, следовательно, виртуально колебаться на своих концах. Как уже сказано, обе трубы колеблются при работе относительно друг друга, а именно таким образом, что они, хотя и с разной амплитудой, латерально отклоняются практически по всей своей длине (направление X). Преобладающая доля колебаний и связанных с ними сил направлена при этом как перпендикулярно оси колебаний (направление Z), так и перпендикулярно упомянутой вертикальной оси (направление Y) измерительного преобразователя, причем, по меньшей мере, в случае, когда среда протекает одновременно через обе трубы, доля одной трубы, в основном, компенсирует соответствующую долю другой трубы. Меньшая доля вызванных колебаниями сил действует также в направлении вертикальной оси (направление Y). Колебательное движение труб, несмотря на соединительные элементы, передается на свободные здесь концы, причем соединительные элементы также незначительно деформируются (фиг.2). Середины соединительных элементов движутся при этом также в направлении вертикальной оси, тогда как «свободные» концы труб движутся навстречу в направлении вертикальной оси. Это движение концов труб приводит во встроенном и фиксированном состоянии, наоборот, к зажимным усилиям в зажимающем корпусе, например в возможных присоединенных распределителях, и, следовательно, также к деформациям корпуса.
Возможность уменьшения таких нежелательных зажимных усилий, изменяющих, например, калиброванную нулевую точку измерительного преобразователя, могла бы состоять, например, в соответствующем повышении противодействующей названной деформации корпуса жесткости последнего за счет увеличения толщины стенок. Однако одна особая проблема состоит при этом в том, что у измерительных преобразователей с большим условным проходом установочная масса и так очень высока. Для измерительных преобразователей с номинальным условным проходом гораздо более 150 мм, включая возможные фиксированные на них фланцы, установочная масса может вполне составлять примерно 500 кг. В этом отношении у измерительных преобразователей с большим условным проходом возможности достаточного усиления корпуса за счет увеличения толщины стенок, по меньшей мере, для желаемого применения зарекомендовавших себя материалов, в частности высококачественной стали, следует считать, скорее, ограниченными.
Исходя из приведенного уровня техники, задача изобретения состоит поэтому в создании измерительных преобразователей вибрационного типа, которые, в частности, при значительном сохранении уже зарекомендовавших себя конструктивных форм обеспечивали уменьшение Y-усилий, особенно в области высоких скоростей расхода и больших калибров труб (свыше 150 мм) и скоростей расхода, и имели бы как можно более высокую точность измерений 99,8% или выше и, следовательно, ошибку измерений менее 0,02%.
Эта задача решается посредством измерительного преобразователя вибрационного типа для измерения направляемой трубопроводом текучей среды, в частности газа, жидкости, порошка или другого текучего материала, содержащего:
- корпус, механически соединенный с трубопроводом концами с впускной и выпускной сторон;
- по меньшей мере, одну удерживаемую в корпусе с возможностью колебаний и, по меньшей мере, временно вибрирующую первую трубу и механически соединенную с первой трубой, также, по меньшей мере, временно вибрирующую вторую трубу;
- причем первая и вторая трубы при работе, по меньшей мере, временно совершают изгибные колебания вокруг воображаемой оси колебаний, в основном, параллельной продольной оси измерительного преобразователя, и причем
- по меньшей мере, первая труба выполнена в виде первой измерительной трубы, служащей для ведения измеряемой среды и сообщенной с трубопроводом;
- воздействующее, по меньшей мере, на одну из труб электромеханическое, в частности электродинамическое, устройство возбуждения и/или поддержания механических колебаний, по меньшей мере, одной трубы;
- реагирующее на движения, по меньшей мере, первой трубы, в частности на изгибные колебания, сенсорное устройство для формирования, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, представляющего колебания первой трубы;
- по меньшей мере, три соединяющих между собой первую и вторую трубы с впускной стороны, в частности пластинообразных, соединительных элемента и, по меньшей мере, три соединяющих между собой первую и вторую трубы с выпускной стороны, в частности пластинообразных, соединительных элемента.
Кроме того, изобретение состоит в использовании названного измерительного преобразователя для измерения текучей среды, направляемой трубопроводом, имеющим калибр более 150 мм, в частности 250 мм или выше, и/или для измерения массового расхода протекающей в трубопроводе среды, составляющего, по меньшей мере, временно более 900 т/ч, в частности, по меньшей мере, временно более 1200 т/ч.
Согласно первому варианту осуществления изобретения обе трубы колеблются при работе противофазно друг другу.
Согласно второму варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб, по меньшей мере, на отдельном участке имеет, в частности, в основном, U-, V- или трапецеобразно изогнутый средний сегмент.
Согласно третьему варианту осуществления изобретения соединительные элементы с впускной стороны и соединительные элементы с выпускной стороны расположены и фиксированы на обеих трубах с возможностью минимизации зажимных усилий, созданных вибрирующими трубами внутри корпуса и действующих преимущественно в направлении главной оси инерции измерительного преобразователя, которая проходит, в основном, перпендикулярно продольной оси и лежит, в основном, в воображаемой средней плоскости измерительного преобразователя, проходящей между обоими изогнутыми средними сегментами труб.
Согласно четвертому варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб имеет с впускной стороны прямой, проходящий, в основном, параллельно воображаемой оси колебаний впускной сегмент, который через дугообразный промежуточный сегмент с впускной стороны переходит в средний сегмент, причем каждая из обеих труб имеет с выпускной стороны прямой, проходящий, в основном, параллельно воображаемой оси колебаний выпускной сегмент, который через дугообразный промежуточный сегмент с выпускной стороны переходит в средний сегмент.
Согласно пятому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один первый и один второй соединительные элементы из соединяющих обе трубы между собой с впускной стороны соединительных элементов фиксированы на промежуточном сегменте первой и второй труб с впускной стороны, а, по меньшей мере, один первый и один второй соединительные элементы из соединяющих обе трубы между собой с выпускной стороны соединительных элементов фиксированы на промежуточном сегменте первой и второй труб с выпускной стороны.
Согласно шестому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один третий соединительный элемент из соединяющих обе трубы между собой с впускной стороны соединительных элементов фиксирован на впускном сегменте первой и второй труб, а, по меньшей мере, один третий соединительный элемент из соединяющих обе трубы между собой с выпускной стороны соединительных элементов фиксирован на выпускном сегменте первой и второй труб.
Согласно седьмому варианту осуществления изобретения первая труба проходит, в основном, параллельно второй трубе.
Согласно восьмому варианту осуществления изобретения первая труба выполнена, в основном, идентично второй трубе.
Согласно девятому варианту осуществления изобретения измерительный преобразователь включает в себя соединяющий первую и вторую трубы между собой с впускной стороны первый распределитель и соединяющий первую и вторую трубы между собой с выпускной стороны второй распределитель, причем вторая труба выполнена в качестве служащей для ведения измеряемой среды, также сообщенной с трубопроводом второй измерительной трубы измерительного преобразователя. Согласно одной модификации этого варианта осуществления изобретения каждый из обоих распределителей имеет массу более 10 кг, в частности более 20 кг.
Согласно десятому варианту осуществления изобретения, корпус содержит состоящий, в частности, из стали несущий элемент, с которым, по меньшей мере, одна труба механически соединена с впускной и выпускной сторон. Согласно одной модификации этого варианта осуществления изобретения несущий элемент выполнен в виде, по меньшей мере, частично открытого сбоку, в частности трубчатого, несущего цилиндра, который соединен, по меньшей мере, с одной трубой так, что, по меньшей мере, один ее изогнутый сегмент выдается сбоку из несущего цилиндра. Согласно другой модификации этого варианта осуществления изобретения несущий элемент имеет массу, по меньшей мере, 70 кг, в частности более 140 кг, и/или длину, по меньшей мере, 1000 мм, в частности более 1200 мм.
Согласно одиннадцатому варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб и корпус состоят, по меньшей мере, частично из стали, в частности высококачественной стали.
Согласно двенадцатому варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб имеет массу, по меньшей мере, 10 кг, в частности более 25 кг.
Согласно тринадцатому варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб имеет внутренний диаметр, составляющий, по меньшей мере, 80 мм, в частности более 100 мм.
4
3
Согласно четырнадцатому варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб имеет сечение, момент инерции площади которого превышает 2·10 мм, в частности превышает 4·10 мм.
6
4
6
4
Согласно пятнадцатому варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб имеет сечение, момент сопротивления изгибу которого превышает 10 мм, в частности превышает 2·10 мм.
Согласно шестнадцатому варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб имеет вытянутую длину, составляющую, по меньшей мере, 1000 мм, в частности более 1500 мм.
Согласно семнадцатому варианту осуществления изобретения каждый из средних сегментов обеих труб выполнен, в основном, V-образным и имеет вершину дуги с углом раскрытия менее 150°, в частности менее 120°.
Согласно восемнадцатому варианту осуществления изобретения за счет обеих труб, направляемой ими, по меньшей мере, в данный момент среды и, по меньшей мере, частично устройства возбуждения и сенсорного устройства образована внутренняя колебательная система измерительного преобразователя, которая, будучи приводима устройством возбуждения, совершает при работе измерительного преобразователя, по меньшей мере, временно механические колебания, в частности в виде латеральных колебаний, по меньшей мере, с одной полезной частотой, зависимой как от величины, формы и материала трубы, так и плотности среды в данный момент и изменяющейся при работе измерительного преобразователя в пределах заданного, имеющего нижнюю и верхнюю предельные частоты диапазона. Согласно одной модификации этого варианта осуществления изобретения общая масса внутренней колебательной системы составляет, по меньшей мере, 70 кг, в частности при работе, по меньшей мере, временно более 90 кг.
Согласно девятнадцатому варианту осуществления изобретения за счет корпуса и, по меньшей мере, за счет распределителей образована внешняя колебательная система, а за счет обеих труб, направляемой ими, по меньшей мере, в данный момент среды и, по меньшей мере, частично устройства возбуждения и сенсорного устройства образована внутренняя колебательная система измерительного преобразователя, которая, будучи приводима устройством возбуждения, совершает при работе измерительного преобразователя, по меньшей мере, временно механические колебания, в частности в виде латеральных колебаний, по меньшей мере, с одной полезной частотой, зависимой как от величины, формы и материала трубы, так и плотности среды в данный момент и изменяющейся при работе измерительного преобразователя в пределах заданного, имеющего нижнюю и верхнюю предельные частоты диапазона. Согласно одной модификации этого варианта осуществления изобретения общая масса внешней колебательной системы составляет, по меньшей мере, 200 кг, в частности более 300 кг. Согласно другой модификации этого варианта осуществления изобретения отношение общей массы внешней колебательной системы к общей массе внутренней колебательной системы при работе, по меньшей мере, временно, в частности, однако, постоянно составляет менее 3, в частности менее 2,5.
Согласно двадцатому варианту осуществления изобретения отношение установочной массы всего измерительного преобразователя к его номинальному условному проходу, соответствующему калибру трубопровода, в который должен быть помещен измерительный преобразователь, составляет, по меньшей мере, 1,5, в частности более 2.
Согласно двадцать первому варианту осуществления изобретения установочная масса всего измерительного преобразователя превышает 200 кг, в частности превышает 400 кг.
Основная идея изобретения состоит в подавлении посредством, по меньшей мере, шести соединительных элементов паразитных колебаний, возможно, созданных в концевых зонах вибрирующих труб, в частности в зоне промежуточных сегментов, и действующих, в частности, в направлении вертикальной оси измерительного преобразователя. Изобретение основано при этом на том неожиданном факте, что за счет использования 2×3 соединительных элементов и их расположения соответственно в зоне промежуточных сегментов по сравнению с обычными измерительными преобразователями с 2×2 соединительными элементами может происходить изменение направления действия зажимных усилий, происходящих, в частности, от обусловленных колебаниями деформаций в корпусе или в распределителях, по меньшей мере, в безвредное для измерения направление, причем могут быть также значительно минимизированы действующие в остальном в направлении вертикальной оси паразитные колебания. Следовательно, по меньшей мере, три размещенных на трубах с впускной стороны и, по меньшей мере, три размещенных на трубах с выпускной стороны соединительных элемента действуют практически в качестве механического поляризационного фильтра, выполненного с возможностью подавления или даже устранения действующих, по меньшей мере, в направлении вертикальной оси измерительного преобразователя паразитных колебаний.
Одно преимущество изобретения состоит, в том числе, в том, что по сравнению с измерительными преобразователями с четырьмя соединительными элементами уже за счет использования двух дополнительных соединительных элементов и, следовательно, по сравнению с обычными измерительными преобразователями без больших дополнительных затрат возможна реализация значительной, в лучшем случае даже почти полной компенсации большей частью мешающих, действующих в направлении вертикальной оси измерительного преобразователя зажимных усилий. В этом отношении другое преимущество изобретения следует усматривать также в том, что благодаря ему создана возможность реализации измерительных преобразователей вибрационного типа даже с большим номинальным условным проходом более 150 мм, в частности с условным проходом более 200 мм, с одной стороны, экономически целесообразно, а, с другой стороны, также с приемлемой установочной массой. Другое преимущество изобретения состоит в том, что могут быть в значительной степени сохранены также уже зарекомендовавшие себя конструктивные формы, в частности также в отношении труб.
Измерительный преобразователь, согласно изобретению, особенно подходит, поэтому также для измерения текучих сред, направляемых трубопроводом калибром более 150 мм, в частности 250 мм или более. К тому же измерительный преобразователь подходит для измерения таких массовых расходов, которые, по меньшей мере, временно составляют более 900 т/ч, в частности, по меньшей мере, временно более 1200 т/ч, как они могут возникать, например, при измерении нефти, природного газа или других петрохимических веществ.
Изобретение более подробно поясняется на примерах его осуществления и с помощью чертежей. Функционально одинаковые детали обозначены на чертеже одинаковыми ссылочными позициями, которые, однако, повторяются на следующих фигурах только тогда, когда это представляется целесообразным. На чертежах изображают:
- фиг.1, 2: принципиальные эскизы для пояснения колебательного движения у традиционных измерительных преобразователей в различных видах сбоку;
- фиг.3а, b: врезной измерительный прибор в различных видах сбоку, служащий, например, в качестве кориолисова массового расходомера/плотномера и/или в качестве вискозиметра;
- фиг.4-6: подробности подходящего для врезного измерительного прибора из фиг.3а, b измерительного преобразователя вибрационного типа в различных видах сбоку, частично в разрезе.
m
На фиг.3а, b изображен выполненный, в частности, в виде кориолисова массового расходомера и/или плотномера врезной измерительный прибор 1, служащий, например, для регистрации массового расхода m протекающей в трубопроводе (для наглядности не показан) среды и преобразования в представляющий этот массовый расход в данный момент измеренное значение Х. Средой может быть практически любое текучее вещество, например порошок, жидкость, газ, пар и т.п. В качестве альтернативы или в дополнение врезной измерительный прибор 1 может быть использован, при необходимости, также для измерения плотности ρ и/или вязкости η среды. В частности, измерительный преобразователь предусмотрен для измерения таких сред, например нефти, природного газа или других петрохимических веществ, которые протекают в трубопроводе калибром более 150 мм, в частности 250 мм и более, и/или имеют, по меньшей мере, временно массовый расход более 900 т/ч, в частности более 1200 т/ч.
Для измерения среды врезной измерительный прибор 1 содержит соответственно обтекаемый при работе средой измерительный преобразователь 10 вибрационного типа и электрически соединенную с измерительным преобразователем 10 электронику 20, изображенную здесь не отдельно, а лишь в виде блок-схемы. Предпочтительным образом электроника 20 рассчитана с возможностью обмена измерительными и/или другими рабочими данными при работе врезного измерительного прибора 1 с вышестоящим над ним блоком обработки измеренных значений, например устройством управления с программируемой памятью (SPS), персональным компьютером и/или рабочей станцией, через систему передачи данных, например систему полевых шин. Кроме того, электроника 20 рассчитана с возможностью своего питания от внешнего источника энергии, например также через названную систему полевых шин. В случае, если врезной измерительный прибор предусмотрен для связи с системой полевых шин или другой коммуникационной системой, электроника 20, в частности программируемая, содержит также связной интерфейс для передачи данных, например для передачи измеренных данных уже упомянутому устройству управления с программируемой памятью или вышестоящей системе управления процессом.
На фиг.3а, b и 4-6 в различных видах изображен пример выполнения измерительного преобразователя 1, служащего, в частности, в качестве кориолисова измерительного преобразователя массового расхода, плотности и/или вязкости. Как уже сказано, измерительный преобразователь 1 служит для создания в протекающей среде таких реакционных сил, в частности зависимых от массового расхода сил Кориолиса, зависимых от плотности среды сил инерции и/или зависимых от вязкости среды сил трения, которые с возможностью измерения, т.е. регистрации сенсорами, оказывают обратное действие на измерительный преобразователь. На основе этих описывающих среду реакционных сил известным специалисту образом посредством соответственно реализованных в электронике измерительного прибора способов обработки могут быть измерены, например, массовый расход, плотность и/или вязкость среды. Измерительный преобразователь 1 должен быть при работе установлен посредством фланцев 2, 3 в трубопровод (для наглядности не показан), через который протекает измеряемая среда, в частности порошкообразная, жидкая, газообразная или парообразная. Вместо фланцев измерительный преобразователь 1 может быть присоединен к упомянутому трубопроводу также с помощью других известных средств, например присоединений TriClamp или резьбовых соединений.
vb
n
n
n
n
Для ведения по, меньшей мере, частичного объема измеряемой среды измерительный преобразователь содержит, по меньшей мере, одну удерживаемую в его корпусе 10 с возможностью колебания, служащую в качестве измерительной трубы первую трубу 4, которая при работе сообщена с трубопроводом и которую, будучи приводимой электромеханическим устройством 60 возбуждения, заставляют, по меньшей мере, временно вибрировать, по меньшей мере, в одном походящем для определения физического параметра колебательном режиме. Помимо выполненной, в частности, цельной трубы 4, как видно на фиг.5 и 6, в измерительном преобразователе предусмотрена вторая труба 5, в основном, идентичная первой трубе 4, в частности, также сообщающаяся с трубопроводом и служащая, следовательно, в качестве второй измерительной трубы измерительного преобразователя, которая при работе также совершает механические колебания. Колебания, по меньшей мере, первой трубы регистрируют сенсорным устройством, соответственно реагирующим для ее движения, в частности изгибные колебания, и преобразуют в соответственно представляющий эти колебания измерительный сигнал S. Следовательно, практически вся внутренняя колебательная система измерительного преобразователя 1, образованная обеими трубами 4, 5, направляемой ими, по меньшей мере, в данный момент средой и, по меньшей мере, частично устройством 60 возбуждения и сенсорным устройством 70, совершает при работе измерительного преобразователя 1, по меньшей мере, временно, механические колебания, по меньшей мере, с одной полезной частотой F, причем механические колебания, по меньшей мере, временно и/или, по меньшей мере, частично представляют собой латеральные колебания, в частности изгибные колебания. Полезная частота F колебаний известным специалисту образом зависит при этом как от величины, формы и материала обеих труб 4, 5, так и, в частности, от плотности среды в данный момент и, следовательно, при работе измерительного преобразователя изменяется в пределах заданного, имеющего нижнюю и верхнюю предельные частоты диапазона ΔF. При работе измерительного преобразователя полезная частота F внутренней колебательной системы в данный момент предпочтительным образом отрегулирована и настроена так, что она соответствует, в основном, естественной собственной частоте внутренней колебательной системы в данный момент.
Обе трубы, проходящие, в частности, местами параллельно друг другу, могут быть, как изображено на фиг.5 и 6 и описано, например, в US-B 6711958, US-A 5796011, US-A 5301557, соединены между собой с впускной и выпускной сторон посредством соответствующих распределителей 11, 12 в параллельно обтекаемые при работе проточные каналы; они могут быть также соединены между собой последовательно с образованием лежащих друг за другом проточных каналов, как это описано, например, в US-A 6044715. Возможно также, как это предложено, например, в US-B 6666098 или US-A 5549009, использовать только одну из обеих труб в качестве служащей для ведения среды измерительной трубы, а другую - в качестве необтекаемой среды, служащей для уменьшения внутренних дебалансов в измерительном преобразователе глухой трубы. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения каждая из обеих труб 4, 5 имеет, по меньшей мере, один изогнутый, по меньшей мере, в одной плоскости, по меньшей мере, одном участке центральный средний сегмент 41, 51. Трубы 4, 5 могут иметь, например, как описано в US-B 6776052, выраженную U-образную форму или могут быть выполнены, как предложено в US-B 6802224 или US-B 6711958 и изображено на фиг.4-6, в основном, V-образными. Кроме того, трубы могут быть выгнуты так же, как описано, например, в US-A 5796011, лишь очень незначительно или, как описано, например, в WO-A 01/65213, US-B 6308580, US-A 6092429, US-A 6044715, скорее, наподобие прямоугольника или трапеции. В качестве материала для труб особенно подходит сталь, в частности высококачественная сталь, титан, цирконий или тантал. Кроме того, материалом для труб может служить практически любой другой, обычно применяемый для этого или, по меньшей мере, подходящий материал.
У изображенного примера, по меньшей мере, в средних сегментах 41, 51 обеих труб 4, 5, по меньшей мере, частично при работе с помощью, по меньшей мере, частично фиксированного на них электромеханического устройства 60 возбуждения возбуждают консольные вибрации, при которых они латерально отклоняются из упомянутой плоскости и вибрируют, в основном, противофазно друг другу. При этом первая и вторая трубы совершают при работе, по меньшей мере, временно изгибные колебания вокруг воображаемой оси колебаний, в основном, параллельной продольной оси L измерительного преобразователя. Иначе говоря, по меньшей мере, сегменты 41, 51 заставляют колебаться в режиме изгибных колебаний по типу зажатой одной стороной консоли или зубца камертона. Согласно другому варианту осуществления изобретения каждый из обоих центральных средних сегментов изогнут, в основном, V-образно или трапецеидально. Согласно одной модификации этого варианта осуществления изобретения каждая из обеих труб 4, 5 имеет далее с впускной стороны прямой, проходящий, в основном, параллельно воображаемой оси колебаний впускной сегмент, который через дугообразный промежуточный сегмент с впускной стороны переходит в средний сегмент. Кроме того, каждая из обеих труб 4, 5 имеет с выпускной стороны прямой, проходящий, в основном, параллельно воображаемой оси колебаний выпускной сегмент, который через дугообразный промежуточный сегмент с выпускной стороны переходит в средний сегмент. Согласно другой модификации этого варианта осуществления изобретения каждый из средних сегментов имеет вершину дуги с углом раскрытия меньше 150°, в частности меньше 120°.
4
3
6
4
6
4
Как уже сказано, измерительный преобразователь 1 предусмотрен, в частности, для измерений также высоких массовых расходов в трубопроводе большого калибра. На основе этого, согласно другому выполнению измерительного преобразователя 1, по меньшей мере, служащая в качестве измерительной трубы труба 4 имеет внутренний диаметр, составляющий, по меньшей мере, 80 мм. В частности, по меньшей мере, труба 4 выполнена так, что ее внутренний диаметр составляет более 100 мм, в частности также более 110 мм. Согласно другому варианту осуществления изобретения труба 4 имеет сечение, момент инерции площади которого больше 2·10 мм, в частности больше 4·10мм, и/или момент сопротивления изгибу которого больше 10 мм, в частности больше 2·10 мм. Далее служащая в качестве измерительной трубы труба 4, согласно другому варианту осуществления изобретения, выполнена так, что имеет вытянутую длину, по меньшей мере, 1000 мм, в частности более 1500 мм. В соответствии с этим, по меньшей мере, в случае, если труба 4 состоит из стали, ее масса, по меньшей мере, при толщине стенок немного более 1 мм составит, по меньшей мере, 10 кг. Согласно другому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, труба 4 рассчитана так, что она вследствие сравнительно большой толщины стенок около 5 мм и/или сравнительно большой вытянутой длины около 2000 мм имеет массу более 25 кг. Здесь следует еще упомянуть, что вторая труба 5, по меньшей мере, в том случае, если она также служит в качестве измерительной трубы, расположена, в основном, параллельно первой трубе 4 и выполнена, в основном, идентично ей, т.е. имеет те же физические и геометрические свойства. Ввиду того, что из-за особых размеров каждая из труб 4, 5 может вполне весить больше 10 кг и иметь при этом вместимость 10 л и более, включающая в себя обе трубы 4, 5 внутренняя колебательная система, по меньшей мере, при протекающей среде высокой плотности может достигать общей массы гораздо более 50 кг. Особенно при использовании труб сравнительно большого внутреннего диаметра, большой толщины стенок и большой вытянутой длины масса внутренней колебательной системы может составлять, тем самым, также более 70 кг или, по меньшей мере, при протекающей среде более 90 кг.
vb
Помимо корпуса 10 и удерживаемых в нем труб 4, 5 измерительный преобразователь 1 содержит воздействующее, по меньшей мере, на одну трубу 4 электромеханическое, в частности электродинамическое, устройство 60 возбуждения для создания и/или поддержания механических колебаний. Кроме того, в измерительном преобразователе предусмотрено реагирующее на механические колебания, например изгибные колебания, трубы 4 сенсорное устройство 70 для формирования, по меньшей мере, одного, представляющего колебания трубы 4 измерительного сигнала S. По меньшей мере, обе трубы 4, 5 и дополнительно фиксированные на них компоненты, например часть устройства 60 возбуждения и сенсорного устройства 70, образуют, тем самым, практически внутреннюю колебательную систему измерительного преобразователя.
Для создания и/или поддержания механических колебаний, по меньшей мере, одной трубы устройство 60 возбуждения содержит в изображенном примере, по меньшей мере, один возбудитель колебаний, расположенный на обеих трубах 4, 5 в зоне вершин дуг, в частности приблизительно посередине. Возбудитель колебаний может быть, например, электродинамического типа, т.е. с фиксированной на трубе 5 электромагнитной катушкой 62 и погружающимся в нее, фиксированным на другой трубе 4 якорем 61.
Для регистрации вибраций, по меньшей мере, трубы 4 и для формирования, по меньшей мере, одного, представляющего колебания трубы 4 измерительного сигнала
vb
vb
xc
vb
S, как уже сказано, предусмотрено сенсорное устройство, посредством которого обычным для подобных измерительных преобразователей образом можно сигнализировать о вибрациях сегмента 71, в частности с впускной и выпускной сторон, и подавать сигнал на дальнейшую электронную обработку. В изображенном примере сенсорное устройство содержит для этого расположенный на трубах 4, 5 с впускной стороны первый датчик колебаний и расположенный на трубах 4, 5 с выпускной стороны, в частности, в основном, идентичный, в частности, первому датчику колебаний второй датчик колебаний. Датчики колебаний могут быть также электродинамического типа, т.е. с фиксированной на трубе 5 электромагнитной катушкой 72, 82 и погружающимся в нее, фиксированным на другой трубе 4 якорем 71, 81. Кроме того, в качестве датчиков колебаний могут быть использованы и другие, известные специалисту, например оптоэлектронные, датчики колебаний. Для определения, по меньшей мере, одного физического параметра с помощью, по меньшей мере, одного измерительного сигнала S колебаний устройство 60 возбуждения и сенсорное устройство 70, как это принято у подобных измерительных преобразователей, подходящим образом связаны с соответственно предусмотренной в электронике 20 измерительно-эксплуатационной схемой, например имеют с ней непосредственное и/или оптоэлектронное соединение. Измерительно-эксплуатационная схема формирует, с одной стороны, сигнал S возбуждения, соответственно запускающий устройство 60 возбуждения и отрегулированный, например, в отношении тока и/или напряжения возбуждения. С другой стороны, измерительно-эксплуатационная схема принимает, по меньшей мере, один измерительный сигнал S колебаний сенсорного устройства 70 и вырабатывает из этого желаемые измеренные значения, которые могут представлять, например, массовый расход, плотность и/или вязкость измеряемой среды и отображаться, при необходимости, на месте или, при необходимости, обрабатываться вышестоящим устройством. Электроника 20, включая измерительно-эксплуатационную схему, может быть размещена, например, в отдельном корпусе 9, который расположен на удалении от измерительного преобразователя или, образуя единственный компактный прибор, фиксирован непосредственно на измерительном преобразователе 1, например снаружи на его корпусе 10. В изображенном примере на корпусе 10 размещен переходник 8 в виде шейки, служащий для удержания корпуса 9. На фиг.4-6 переходник 8 и корпус 9, правда, отсутствуют; лишь на фиг.6 видна выполненная в стенке корпуса 10 поверхность 63 для закрепления переходника 8. В поверхности 63 расположен электрический ввод 64, посредством которого могут быть созданы электрические соединения с устройством 60 возбуждения и с сенсорным устройством 70, а также, при необходимости, с другими электрическими компонентами, например предусмотренными, при необходимости, в измерительном преобразователе 1 датчиками давления и/или температуры.
Трубы 4, 5 измерительного преобразователя 1, как и размещенное на каждом из них устройство возбуждения и сенсорное устройство, хорошо видны на фиг.3а, b и 5, и, как это принято у подобных измерительных преобразователей, практически полностью заключены в корпус 10. Корпус 10 служит, следовательно, не только держателем труб 4, 5, но и для защиты находящихся внутри деталей измерительного преобразователя 1, например устройства возбуждения и сенсорного устройства и возможных размещенных внутри корпуса 10 компонентов измерительного преобразователя, от внешних влияний окружающей среды, например пыли или водяных брызг. Кроме того, корпус 10 может быть выполнен и рассчитан с возможностью как можно более полного задержания вытекающей при возможных повреждениях трубы 4, например из-за трещинообразования или разрыва, среды до требуемого максимального избыточного давления внутри корпуса. В качестве материала корпуса 10, в частности также крышки 7 корпуса, могут применяться, например, стали, такие как конструкционная или нержавеющая сталь, или другие подходящие высокопрочные материалы. Согласно другому выполнению измерительного преобразователя труба 4, изогнутая, в частности, по меньшей мере, местами, и корпус 10 состоят из одинакового материала, в частности стали или высококачественной стали, или, по меньшей мере, из схожих друг с другом материалов, в частности различных марок стали. Далее предусмотрено выполнение фланцев, как показано на фиг.3а, b и принято у подобных измерительных преобразователей, в качестве неотъемлемой составной части корпуса 10 для достижения как можно более короткой установочной длины при максимально высокой стабильности измерительного преобразователя; в равной мере предусмотренные, при необходимости, распределители 11, 12 также могут быть интегрированы непосредственно в корпус 10.
В данном примере корпус 10 содержит изображенный здесь в виде, по меньшей мере, частично открытого сбоку несущего цилиндра несущий элемент 6, который, как показано на фиг.4-6, механически соединен, по меньшей мере, с одной трубой с впускной и выпускной сторон так, что, по меньшей мере, один изогнутый сегмент 41 выдается вбок. Далее корпус 10 содержит крышку 7, расположенную на удалении от изогнутых сегментов труб 4, 5 и фиксированную на несущем элементе 6, в частности прочно и/или герметично от среды. В данном примере, по меньшей мере, труба 4 удерживается в трубчатом здесь несущем элементе 6 с впускной и выпускной сторон так, что колебательный средний сегмент 41, проходя через две выемки 61, 62 несущего элемента 6, выступает вбок из него и, тем самым, направлен в фиксированную на несущем элементе 6 крышку 7 корпуса. При этом следует еще упомянуть, что вместо изображенного здесь, скорее, трубчатым несущего элемента 6 может быть использован также, при необходимости, массивный несущий цилиндр другого подходящего сечения, например также выполненный, скорее, балочным несущий элемент.
+
В зависимости от того, какую форму и вытянутую длину труб 4, 5 выбирают фактически, в основном, цилиндрический здесь несущий элемент имеет, в основном, одинаковую с вытянутой длиной труб 4, 5 или немного меньшую длину. В соответствии с этим и в отношении упомянутых выше размеров, в основном, идентичных друг другу труб 4, 5 несущий элемент имеет, согласно одному выполнению измерительного преобразователя, длину также, по меньшей мере, около 1000 мм. Преимущественно цилиндрический несущий элемент реализован, однако, с длиной свыше 1200 мм. Далее несущий элемент, в частности, в случае, если он состоит из стали, имеет массу, по меньшей мере, 70 кг. Согласно другому выполнению измерительного преобразователя несущий элемент выполнен и рассчитан так, что его масса составляет более 140 кг. В соответствии с этим предложенный измерительный преобразователь выполнен и рассчитан так, что отношение общей массы внешней колебательной системы, образованной корпусом и предусмотренными, при необходимости распределителями, к общей массе внутренней колебательной системы вполне может быть меньше 3, в частности меньше и равным 2. Крышка 7 корпуса, служащая для заключения сегмента 41, имеет, как схематично показано на фиг.3а, b, желобчатый сегмент 10с и, в основном, плоский первый боковой корпусной сегмент 10а и, в основном, зеркально-симметричный ему второй боковой корпусной сегмент 10b. Форма сегмента 10с, в основном, соответствует тороидальной оболочке. В соответствии с этим сегмент 10с имеет, в основном, дугообразное, предпочтительно полукруглое, сечение задаваемого радиуса r и, по меньшей мере, виртуально, в основном, дугообразный первый край 10с' существенно большего по сравнению с радиусом r радиуса R, а также, в основном, идентичный первому краю второй край 10с". В случае необходимости, сечение и края могут быть не идеально кругообразными, а слегка эллиптическими. Как видно на фиг.3а, b и 4, боковые корпусные сегменты 10а, 10b соединены через дугообразный первый край 10а', 10b' с первым 10с' и вторым 10с" краями сегмента 10с, а именно так, что боковые корпусные сегменты 10а, 10b в касательной плоскости сегмента 10с ориентированы, в основном, соосно с проводимой к соответствующему краю 10са, 10сb касательной. Иначе говоря, между сегментами 10с, 10а и 10с, 10b создан в значительной степени непрерывный, т.е. максимально плавный, переход, на котором при допустимом внутреннем избыточном давлении не создаются или создаются лишь очень небольшие изгибные колебания. Кроме того, крышка 7 фиксирована на несущем элементе 6 третьим 10с и четвертным 10с краями сегмента 10с, а также вторыми краями 10а", 10b" первого 10а и второго 10b боковых корпусных сегментов, а именно так, что сегмент 10с крышки и корпусные сегменты 10а, 10b при работе остаются на удалении, по меньшей мере, от одного вибрирующего сегмента 41. Для изготовления крышки 7 сегменты 10с, 10а, 10b могут быть, например, предварительно изготовлены по отдельности, а затем соединены между собой, в частности сварены. Предпочтительным образом для изготовления крышки 7 можно применить описанный в WO-A 03/021202 способ изготовления используемой в качестве крышки 7 корпуса металлической крышки, при котором ее образуют сваркой двух, в основном, идентичных по форме, вырезанных, в частности, из тарельчатой заготовки половин с краевым утолщением, в частности в форме четверти торуса. Далее крышка 7 может быть изготовлена также глубокой вытяжкой из металлического листа соответствующей толщины.
Согласно одному выполнению измерительного преобразователя крышка 7 рассчитана так, что она, в частности при применении стали в качестве материала для нее, имеет массу, по меньшей мере, 10 кг, преимущественно, однако, более 20 кг. Ввиду того, что несущий элемент вполне может иметь массу 70 кг и более, масса корпуса 10 может составить, по меньшей мере, 80 кг, в частности, однако, более 160 кг. Однако для общей массы внешней колебательной системы в упомянутом случае, когда в измерительном преобразователе предусмотрены фланцы и/или распределители, относящиеся также к внешней колебательной системе, следует рассчитывать на соответственно более высокую массу и учесть ее при согласовании внешней и внутренней колебательных систем. По меньшей мере, в этом отношении масса всей внешней колебательной системы может вполне составить даже 200 кг или значительно выше. Особенно при использовании труб с внутренним диаметром более 100 мм следует рассчитывать на массу внешней колебательной системы гораздо более 300 кг. В изображенном примере, как схематично показано на фиг.4-6, на несущем элементе 6 с впускной и выпускной сторон закреплены транспортные проушины, которые служат для образования определенных точек зачаливания возможных монтажных вспомогательных средств, например соответствующих чалочных тросов или ремней подъемных механизмов, и, тем самым, для лучшего воспрепятствования повреждению тяжелого, массой более 500 кг измерительного преобразователя, например вследствие ненадлежащей транспортировки и/или неподходящего выбора соответствующих точек зачаливания. Для минимизации паразитных колебаний, созданных внешней колебательной системой, в частности корпусом измерительного преобразователя, на этом корпусе могут быть, кроме того, фиксированы соответствующие опорные элементы, как они описаны, например, в собственной, предварительно не опубликованной заявке DE 102004053883.2.
Для установления механических резонансных частот внутренней колебательной системы, а также для минимизации механических колебаний и/или вибраций, вызванных вибрирующими трубами в измерительном преобразователе с впускной или выпускной стороны, обе трубы 4, 5 механически соединены между собой с впускной стороны, по меньшей мере, тремя соединительными элементами 217а, 217b, 217с, а с выпускной стороны, по меньшей мере, тремя соединительными элементами 218а, 218b, 218с.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, выполненные, в частности, пластинообразными соединительные элементы 217а, 217b, 217с с впускной стороны и выполненные, в частности, пластинообразными соединительные элементы 218а, 218b, 218с с выпускной стороны расположены и фиксированы на обеих трубах с возможностью минимизации, по меньшей мере, созданных вибрирующими трубами 4, 5 внутри измерительного преобразователя зажимных усилий, действующих преимущественно в направлении главной оси Н инерции измерительного преобразователя, которая проходит, в основном, перпендикулярно оси колебаний и лежит, в основном, в воображаемой, проходящей между обоими изогнутыми средними сегментами 41, 51 труб 4, 5 средней плоскости Е измерительного преобразователя, т.е. в направлении его упомянутой выше вертикальной оси. Шесть соединительных элементов 217а, 217b, 217с, 218а, 218b, 218с, как это хорошо видно на фиг.4 и принято у измерительных преобразователей описанного рода, расположены и ориентированы с сохранением симметрии измерительного преобразователя, существующей в отношении вертикальной оси Н и упомянутой средней плоскости.
n
n
При этом неожиданным образом оказалось, что, будь то благодаря расчету и/или позиционированию на обеих трубах 4, 5, посредством расположенных ближе всего к середине труб соединительных элементов 217а, 218а по-прежнему можно в преобладающей степени оказывать влияние на полезную частоту F колебаний внутренней колебательной системы, тогда как посредством наиболее удаленных от середины труб соединительных элементов 217с, 218с можно оптимизировать зажимные усилия, действующие преимущественно перпендикулярно вертикальной оси Н (направление X), а посредством средних из трех соединительных элементов с впускной и выпускной сторон, т.е. здесь соединительных элементов 217b, 218b, можно оптимизировать зажимные усилия, действующие преимущественно в направлении вертикальной оси Н (направление Y). В этом отношении для конкретных измерительных преобразователей с очень малыми затратами экспериментальным путем и/или посредством компьютерных расчетов, в частности также моделирований, можно найти оптимальные положения, по меньшей мере, шести соединительных элементов 217а, 217b, 217с, 218а, 218b, 218с в зависимости от желаемого диапазона ΔF полезных частот для внутренней колебательной системы.
В результате также таких исследований, согласно другому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один первый 217а и один второй 217b соединительные элементы из соединяющих обе трубы 4, 5 между собой с впускной стороны соединительных элементов 217а, 217b, 217с фиксированы на промежуточном сегменте 43, 53 первой 4 и второй 5 труб с впускной стороны. В равной мере у этого варианта осуществления изобретения также, по меньшей мере, один первый 218а и один второй 218b соединительные элементы из соединяющих обе трубы 4, 5 между собой с выпускной стороны соединительных элементов 218а, 218b, 218с фиксированы на промежуточном сегменте 45, 55 первой 4 и второй 5 труб с выпускной стороны. Согласно другому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один третий соединительный элемент 217с из соединяющих обе трубы 4, 5 между собой с впускной стороны соединительных элементов 217а, 217b, 217с фиксирован на впускном сегменте 42, 52 первой 4 и второй 5 труб, а, по меньшей мере, один третий соединительный элемент 218 с из соединяющих обе трубы 4, 5 между собой с выпускной стороны соединительных элементов 218а, 218b, 218с фиксирован на выпускном сегменте 42, 52 первой 4 и второй 5 труб.