Патент на изобретение №2273827
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ
(57) Реферат:
Изобретение предназначено для использования в массовом расходомере Кориолиса. Преобразователь содержит расходомерную трубку, при эксплуатации совершающую колебания под воздействием системы возбуждения, систему датчиков для измерения колебаний трубки. В ответ на поперечные силы, создаваемые в колеблющейся расходомерной трубке, последняя испытывает боковое смещение из заданного статического положения покоя. Для улучшения динамического баланса введены первая консоль и вторая консоль, жестко прикрепленные соответственно к участку трубки на впускной стороне и участку трубки на выпускной стороне. Консоли создают противодействующие силы, частично уравновешивающие поперечные силы, создаваемые в колеблющейся трубке. Преобразователь сбалансирован динамически в широком диапазоне плотности текучей среды и при этом имеет сравнительно малую массу. 2 н. и 46 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение Это изобретение относится к измерительному преобразователю колебаний, который пригоден, в частности, для использования в массовом расходомере Кориолиса. Уровень техники Для определения массового расхода текучей среды, в частности жидкости, протекающей по трубе, часто используют измерительные устройства, которые возбуждают силы Кориолиса в текучей среде, и благодаря им получают сигнал измерения, отображающий массовый расход, посредством измерительного преобразователя колебаний и соединенного с ним электронного блока регулирования и оценки. Такие массовые расходомеры Кориолиса известны и уже давно эксплуатируются в промышленности. Например, в документе ЕР-А 317340, в патентах США №№5398554, 5476013, 5531126, 5691485, 5705754, 5796012, 5945609 и 5979246, а также в публикациях WO-A 99/51946, WO-A 99/40349 и WO-А 00/14485 описаны массовые расходомеры Кориолиса с измерительным преобразователем колебаний, который реагирует на массовый расход текучей среды, протекающей в трубе, и содержит: одиночную прямолинейную расходомерную трубку для пропускания текучей среды, колеблющуюся при эксплуатации и сообщающуюся с упомянутой трубой посредством участка трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне; систему возбуждения, которая при эксплуатации возбуждает изгибные колебания расходомерной трубки в одной плоскости этой трубки, и систему датчиков для измерения колебаний расходомерной трубки на впускной стороне и выпускной стороне. Как хорошо известно в данной области техники, возбуждение изгибных колебаний прямолинейных расходомерных трубок в соответствии с первой формой собственных колебаний вызывает возникновение сил Кориолиса в текучей среде, проходящей через эти трубки. В свою очередь, силы Кориолиса приводят к генерированию копланарных изгибных колебаний более высокого порядка и более низкого порядка в соответствии со второй формой собственных колебаний, накладываемых на возбужденные изгибные колебания, так что колебания, измеряемые на впускной и выпускной сторонах посредством системы датчиков, обладают измеряемой разностью фаз, которая также зависит от массового расхода. Обычно возбуждение расходомерных трубок таких измерительных преобразователей, которые используются, например, в массовых расходомерах Кориолиса при их эксплуатации, производят на мгновенных резонансных частотах первой формы собственных колебаний, в частности, с амплитудой колебаний, которую поддерживают постоянной. Поскольку резонансная частота также зависит, в частности, от мгновенной плотности текучей среды, промышленно поставляемые массовые расходомеры Кориолиса также можно использовать для измерения плотности движущихся текучих сред. Одно преимущество прямолинейных расходомерных трубок заключается в том, что из них можно осуществлять слив без осадка с высокой степенью надежности фактически в любом положении и, в частности, после операции чистки, проводимой без отсоединения от трубы. Кроме того, такие расходомерные трубки значительно проще и, следовательно, дешевле в изготовлении, чем, например, омегообразная или спирально изогнутая расходомерная трубка. Дополнительное преимущество прямолинейной расходомерной трубки, совершающей колебания вышеуказанным образом, над изогнутыми расходомерными трубками заключается в том, что в подсоединенной трубе при эксплуатации, по существу, не вызываются крутильные колебания за счет расходомерной трубки. Серьезный недостаток таких измерительных преобразователей состоит в том, что, в результате изменения поперечных отклонений колеблющейся одиночной расходомерной трубки, на трубу могут воздействовать поперечные силы, осциллирующие на той же частоте, и в том, что оказалось возможным уравновесить эти поперечные силы лишь в очень ограниченной степени и с очень значительной степенью технической сложности. Для улучшения динамической балансировки измерительного преобразователя и, в частности, уменьшения таких поперечных сил, создаваемых колеблющейся одиночной расходомерной трубкой и воздействующих на трубу на впускной и выпускной сторонах, каждый из измерительных преобразователей, предложенных в документе ЕР-А 317340, в патентах США №№5398554, 5531126, 5691485, 5796012 и 5979246. а также в публикации WO-A 00/14485, содержит, по меньшей мерее, один монолитный или многоэлементный «антивибратор», который прикреплен к расходомерной трубке на впускной и выпускной сторонах. При эксплуатации такие антивибраторы, которые реализованы в форме стержней и, в частности трубок, или в виде физического маятника, выровненного с расходомерной трубкой, колеблются не в фазе, в частности, в противофазе с соответствующей расходомерной трубкой, вследствие чего влияние боковых поперечных сил, прикладываемых расходомерной трубкой и антивибратором к трубе, можно минимизировать или даже нейтрализовать. Такие измерительные преобразователи с антивибраторами оказались достаточно эффективными в применениях, где текучая среда, параметры которой подлежат измерению, имеет, по существу, постоянную или очень незначительно изменяющуюся плотность, т.е. в применениях, где равнодействующую поперечных сил, создаваемых расходомерной трубкой, и противодействующих сил, создаваемых антивибратором, которая воздействует на подсоединенную трубу, можно без ограничения общности рассуждений заранее считать равной нулю. При использовании для текучих сред с плотностями, изменяющимися в широких пределах, например, в случае разных текучих сред, параметры которых подлежат последовательному измерению, такой измерительный преобразователь, в частности, измерительный преобразователь, предложенный в патенте США №5531126 или в патенте США №5969265, имеет практически тот же самый недостаток, хоть и в меньшей степени, что и измерительный преобразователь без антивибратора, поскольку вышеупомянутые равнодействующие также зависят от плотности текучей среды и поэтому могут значительно отличаться от нуля. Иными словами, при эксплуатации, даже если вся система состоит из расходомерной трубки и антивибратора, она будет претерпевать нелокальные отклонения от заданного статического положения покоя в результате дисбалансов, зависящих от плотности, и связанных с ними поперечных сил. Одна возможность уменьшения поперечных сил, зависящих от плотности, предложена, например, в патенте США №5979246, в публикации WO-A 99/40394 или в публикации WO-A 00/14485. В публикации WO-A 00/14485, в частности, предложен измерительный преобразователь колебаний для текучей среды, протекающей в трубе, содержащий: расходомерную трубку, колеблющуюся при эксплуатации, для пропускания текучей среды, причем расходомерная трубка сообщается с упомянутой трубой посредством участка трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне, и эта расходомерная трубка претерпевает, по меньшей мере, временное боковое смещение из заданного статического положения покоя в результате воздействия создаваемых в ней поперечных сил, так что в измерительном преобразователе возникают поперечные импульсы, систему возбуждения, предназначенную для механического возбуждения расходомерной трубки, систему датчиков для измерения колебаний расходомерной трубки и первый антивибратор, прикрепленный к участку трубки на впускной стороне, и второй антивибратор, прикрепленный к участку трубки на выпускной стороне, для генерирования компенсирующих колебаний, являющихся такими, что поперечные импульсы компенсируются, вследствие чего центр тяжести колебательной системы, образуемой расходомерной трубкой, системой возбуждения, системой датчиков и двумя консолями, поддерживается в одном и том же положении. В публикации WO-A 99/40394 предложен измерительный преобразователь колебаний для текучей среды, протекающей в трубе, содержащий: расходомерную трубку, колеблющуюся при эксплуатации, для пропускания текучей среды, причем расходомерная трубка сообщается с упомянутой трубой посредством участка трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне, и антивибратор, прикрепленный к расходомерной трубке на впускной стороне и выпускной стороне, при этом в колеблющейся расходомерной трубке и в антивибраторе создаются поперечные силы, корпус измерительного преобразователя, прикрепленный к участку трубки на впускной стороне и участку трубки на выпускной стороне, систему возбуждения, предназначенную для механического возбуждения расходомерной трубки, систему датчиков для измерения колебаний расходомерной трубки, первую консоль, прикрепленную к участку трубки на впускной стороне и к корпусу измерительного преобразователя, для создания противодействующих сил, которые противодействуют поперечным силам на впускной стороне, и вторую консоль, прикрепленную к участку трубки на выпускной стороне и к корпусу измерительного преобразователя, для создания противодействующих сил, которые противодействуют поперечным силам на выпускной стороне, причем эти противодействующие силы таковы, что расходомерная трубка поддерживается в заданном статическом положении покоя, несмотря на создаваемые поперечные силы. В вышеупомянутых измерительных преобразователях, включая те, которые предложены в патенте США №5979246, проблема дисбалансов, зависящих от плотности решается в принципе путем адаптации вариации амплитуды антивибратора к колебаниям расходомерной трубки, в частности, причем эту адаптацию проводят заранее или в процессе эксплуатации, делая постоянные пружин антивибратора амплитудно-зависимыми, вследствие чего силы, создаваемые расходомерной трубкой и антивибратором, нейтрализуют друг друга. Другая возможность уменьшения поперечных сил, зависящих от плотности, описана, например, в патенте США №5287754, 5705754 или 5796010. В измерительных преобразователях, предложенных в этих патентах, воздействие на трубу поперечных сил, создаваемых колеблющейся одиночной расходомерной трубкой и осциллирующих на средних или высоких частотах, предотвращается посредством антивибратора, который очень тяжел по сравнению с расходомерной трубкой, и путем соединения расходомерной трубки с трубой относительно свободно, т.е. практически посредством механического фильтра нижних частот. Вместе с тем, большим недостатком такого измерительного преобразователя является то, что масса антивибратора, необходимая для достижения удовлетворительного демпфирования, возрастает обратно пропорционально номинальному диаметру расходомерной трубки. Использование таких тяжелых компонентов, с одной стороны, приводит к повышенным затратам на сборку во время изготовления, а также к повышенным затратам при установке измерительного устройства в трубе. С другой стороны, всегда требуется гарантировать, что минимальная собственная частота измерительного преобразователя, которая уменьшается с увеличением его массы, останется далекой от тоже очень малых собственных частот подсоединенной трубы. Следовательно, использование такого измерительного преобразователя в промышленных массовых расходомерах Кориолиса или массовых расходомерах-плотномерах Кориолиса, а в частности – в измерительных приборах для измерения параметров жидкостей, ограничено относительно малыми номинальными диаметрами, меньшими или равными 10 мм. Раскрытие изобретения Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать измерительный преобразователь, который пригоден, в частности, для массового расходомера Кориолиса или массового расходомера-плотномера Кориолиса и который при эксплуатации, даже если в нем используется только одиночная, в частности – прямолинейная, расходомерная трубка, был хорошо сбалансирован динамически в широком диапазоне плотностей текучих сред и при этом имеет сравнительно малую массу. Для решения этой задачи, в изобретении предложен измерительный преобразователь колебаний для текучей среды, протекающей в трубе, содержащий: расходомерную трубку, колеблющуюся при эксплуатации, для пропускания текучей среды, причем расходомерная трубка сообщается с упомянутой трубой посредством участка трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне, и эта колеблющаяся расходомерная трубка претерпевает, по меньшей мере, временное боковое смещение из заданного статического положения покоя в результате воздействия поперечных импульсов, возникающих в измерительном преобразователе, систему возбуждения, предназначенную для механического возбуждения расходомерной трубки, систему датчиков для измерения колебаний расходомерной трубки, первую консоль, прикрепленную к участку трубки на впускной стороне, для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на впускной стороне, и вторую консоль, прикрепленную к участку трубки на выпускной стороне для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на выпускной стороне, причем изгибающие моменты являются такими, что при деформации участка трубки на впускной стороне и при деформации участка трубки на выпускной стороне создаются импульсы, которые направлены противоположно поперечным импульсам, создаваемым в колеблющейся расходомерной трубке. Кроме того, в изобретении предложен измерительный преобразователь колебаний для текучей среды, протекающей в расходомерной трубке, содержащий: расходомерную трубку, колеблющуюся при эксплуатации, для пропускания текучей среды, причем расходомерная трубка сообщается с упомянутой трубой посредством участка трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне, и эта колеблющаяся расходомерная трубка претерпевает, по меньшей мере, временное боковое смещение из заданного статического положения покоя в результате воздействия поперечных сил, возникающих в расходомерной трубке, систему возбуждения, предназначенную для механического возбуждения расходомерной трубки, систему датчиков для измерения колебаний расходомерной трубки, первую консоль для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на впускной стороне, причем упомянутая первая консоль имеет консольное плечо, жестко прикрепленное к участку трубки на впускной стороне, и предусмотренный на нем консольный груз, вторую консоль для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на выпускной стороне, причем упомянутая вторая консоль имеет консольное плечо, жестко прикрепленное к участку трубки на выпускной стороне, и предусмотренный на нем консольный груз, при этом и консольный груз первой консоли, и консольный груз второй консоли отстоят от расходомерной трубки, от участка трубки на впускной стороне и от участка трубки на выпускной стороне, а консольное плечо и консольный груз первой консоли и консольное плечо и консольный груз второй консоли так согласованы друг с другом, что центр тяжести первой консоли, расположенный в области участка трубки на впускной стороне, и центр тяжести второй консоли, расположенный в области участка трубки на выпускной стороне, остаются, по существу, в статическом положении покоя, хотя расходомерная трубка претерпевает боковое смещение из своего заданного статического положения покоя. В первом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, деформируемый участок трубки на впускной стороне и деформируемый участок трубки на выпускной стороне изгибаются, по существу, в направлении, противоположном направлению бокового смещения расходомерной трубки. Во втором предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, расходомерная трубка является, по существу, прямолинейной. В третьем предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, колеблющаяся расходомерная трубка совершает изгибные колебания. В четвертом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, каждая из двух консолей, по меньшей мере, так же тяжела, как расходомерная трубка. В пятом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, измерительный преобразователь содержит антивибратор, прикрепленный к расходомерной трубке на впускной и выпускной сторонах. В шестом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, антивибратор является полым по форме. В седьмом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, расходомерная трубка, по меньшей мере, частично заключена внутри антивибратора. В восьмом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, расходомерная трубка и антивибратор соосны. В девятом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, к антивибратору прикреплены дискретные массивные детали. В десятом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, в антивибраторе выполнены канавки. В одиннадцатом предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, массивные детали, прикрепленные к антивибратору, являются кольцевыми по форме и соосны с антивибратором. Основополагающая идея изобретения состоит в том, чтобы преобразовать движения бокового смещения колеблющейся расходомерной трубки, которые склонны мешать измерениям и/или оказывают возмущающее воздействие на подсоединенную трубу, а также накладываются на основные деформации трубки, т.е. на деформации, подлежащие измерению, в противоположно направленные деформации участков трубки на впускной стороне и выпускной стороне, динамически балансирующие измерительный преобразователь. Одно преимущество изобретения заключается в том, что, с одной стороны, измерительный преобразователь очень хорошо сбалансирован, несмотря на возможные вариации внутреннего распределения массы, зависящие от эксплуатации, и поэтому не зависит от плотности текучей среды, а именно, это имеет место исключительно благодаря собственной внутренней геометрии измерительного преобразователя, на которую принудительно воздействуют консоли, вследствие чего можно в основном предотвратить передачу внутренних поперечных импульсов и поперечных сил на подсоединенную трубу. С другой стороны, внутренние деформирующие силы, неизбежные для такой конструкции, по существу, не действуют вне измерительного преобразователя, в частности, на упомянутую трубу. Измерительный преобразователь в соответствии с изобретением также отличается тем, что, ввиду изоляции динамических колебаний, его можно сделать очень компактным и очень легким. Вследствие этого, такой измерительный преобразователь может иметь массу, более чем на 25% меньшую, чем, например, у измерительного преобразователя, внутренние поперечные силы которого уравновешиваются до сравнимой степени посредством вышеупомянутой системы механической фильтрации нижних частот. Следовательно, предлагаемый измерительный преобразователь пригоден, в частности, для измерений в трубах большего номинального диаметра, например, превышающего 80 мм. Изобретение и его дополнительные преимущества станут более очевидными по прочтении нижеследующего описания конкретного варианта его осуществления, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи. Одинаковые позиции на всех различных чертежах используются для обозначения одинаковых деталей, причем уже назначенные позиции не повторяются на последующих чертежах, что способствует ясности изложения. Краткое описание чертежей На фиг.1 представлен вид сбоку в частичном разрезе измерительного преобразователя типа Кориолиса с одной расходомерной трубкой; на фиг.2 представлен вид сбоку в частичном разрезе варианта измерительного преобразователя, показанного на фиг.1; на фиг.3а-3d условно показаны линии отклонения расходомерной трубки во время эксплуатации измерительного преобразователя, соответствующего фиг.1 или 2; и на фиг.4 условно показана часть расходомерной трубки во время эксплуатации измерительного преобразователя, соответствующего фиг.1 или 2. Осуществление изобретения На фиг.1 и 2 представлены условные виды сбоку измерительного преобразователя колебаний. Этот измерительный преобразователь служит для создания в текучей среде, протекающей через него, сил механических реакций, таких, как зависящие от массового расхода силы Кориолиса, зависящие от плотности силы инерции и/или зависящие от вязкости силы трения, которые реагируют на изменения в измерительном преобразователе и могут быть измерены, в частности по сенсорной технологии. По этим силам реакции можно определить, например, массовый расход m, плотность Для пропускания текучей среды, измерительный преобразователь содержит, по существу, прямолинейную расходомерную трубку 10, в частности, одиночную трубку, которая при эксплуатации совершает колебания около статического положения покоя и подвергается повторяющимся упругим деформациям. С этой целью, расходомерная трубка 10 установлена в первой опорной системе 20 с возможностью колебательного движения, причем опорная система 20 прикреплена к расходомерной трубке 10 на впускном и выпускном концах. В качестве опорной системы 20 можно использовать, например, опорную раму или опорную трубку. Дополнительные предпочтительные конкретные варианты осуществления опорной системы 20 поясняются ниже. Для обеспечения протекания текучей среды через расходомерную трубку 10, последнюю подсоединяют к трубе, по которой пропускают текучую среду, посредством участка 11 трубки на впускной стороне и участка 12 трубки на выпускной стороне. Расходомерная трубка 10, участок 11 трубки на впускной стороне и участок 12 трубки на выпускной стороне выровнены друг с другом вдоль воображаемой продольной оси L и преимущественно выполнены в виде цельной конструкции, так что их можно изготовить, например, из одной трубной заготовки-полуфабриката; однако при необходимости их можно изготавливать из отдельных заготовок-полуфабрикатов, а потом соединять друг с другом, например сваривать друг с другом. Для расходомерной трубки 10 можно использовать, в сущности, любые из материалов, обычно применяемых для таких измерительных преобразователей, как например, сталь, титан, цирконий и т.д. Если измерительный преобразователь выполнен с возможностью отсоединения от трубы, то на участке 11 трубки на впускной стороне и участке 12 трубки на выпускной стороне соответственно предусматривают первый фланец 13 и второй фланец 14; при необходимости, участок 11 трубки на впускной стороне и участок 12 трубки на выпускной стороне также можно соединять с трубой напрямую, например, путем сварки или пайки твердым припоем. Кроме того, как условно показано на фиг.1, к участкам 11, 12 трубки на впускной стороне и трубки на выпускной стороне можно прикрепить вторую опорную систему 30; в предпочтительном варианте, эту вторую опорную систему можно реализовать в виде корпуса 30′ измерительного преобразователя, в котором заключена расходомерная трубка 10, см. фиг.1. При эксплуатации в расходомерной трубке 10 возбуждают изгибные колебания, в частности, в диапазоне собственной резонансной частоты, так что на этой так называемой полезной моде отклонения трубки соответствуют, по существу, первой форме собственных колебаний. В предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, расходомерную трубку 10 возбуждают на частоте колебаний, которая как можно точнее соответствует собственной резонансной частоте так называемой собственной моды f1 расходомерной трубки 10, т.е. на симметричной собственной моде, при которой, как условно показано на фиг.3, колеблющаяся, но пустая, расходомерная трубка 10 имеет единственную пучность. Например, в случае расходомерной трубки 10 из специальной стали с номинальным диаметром 20 мм, толщиной стенки около 1,2 мм и длиной около 350 мм, резонансная частота собственной моды f1 составляет примерно 850-900 Гц. Когда текучая среда протекает через трубу, вследствие чего массовый расход m является ненулевым, расходомерная трубка 10 вышеописанным образом инициирует приложение сил Кориолиса к текучей среде. Эти силы Кориолиса воздействуют на расходомерную трубку 10, вызывая таким образом дополнительную деформацию (не показана) расходомерной трубки 10 в соответствии со второй формой собственных колебаний, которые накладываются на возбужденную полезную моду в качестве копланарной моды. Эту деформацию можно обнаружить с помощью сенсорной технологии. Мгновенная форма деформации расходомерной трубки 10, выражаемая, в частности, ее амплитудами, также зависит от мгновенного массового расхода m. Вторая форма собственных колебаний – так называемая мода Кориолиса – может быть, например, асимметричной собственной модой f2, т.е. модой с двумя пучностями, и/или собственной модой f4, т.е. модой с четырьмя пучностями, что обычно и бывает с такими измерительными преобразователями. Когда возбуждают полезную моду, ускорения массы, связанные с изгибными колебаниями создают, как хорошо известно, поперечные силы Q1 в колеблющейся одиночной расходомерной трубке 10; таким образом в измерительном преобразователе возникают соответствующие направленные в боковом направлении импульсы. Например, если бы вышеупомянутая расходомерная трубка была изготовлена из специальной стали, то при амплитуде колебаний, составляющей примерно 0,03 мм, создавалась бы поперечная сила величиной около 100 Н. Если эти поперечные силы Q1 не уравновешены, то в измерительном преобразователе сохраняется поперечный импульс. В результате, расходомерная трубка 10, устанавливаемая посредством участка 11 трубки на впускной стороне и участка 12 трубки на выпускной стороне, вместе с прикрепленной к ней первой опорной системой 20 будет претерпевать боковое отклонение от заданного статического положения покоя. Вследствие этого, поперечные силы Q1 должны, по меньше мере, частично воздействовать через посредство участков 11, 12 трубки на впускной стороне и на выпускной стороне на подсоединяемую трубу, вызывая тем самым колебания также и в ней. Чтобы минимизировать воздействие таких осциллирующих поперечных сил Q1 на трубу, в предпочтительном конкретном варианте осуществления, первая опорная система 20 реализована в виде антивибратора 20′, которые совершает колебания не в фазе с, в частности, в противофазе с расходомерной трубкой 10 и который вследствие этого предпочтительно выполнен гибким. Антивибратор 20′ служит для динамической балансировки измерительного преобразователя для предварительно определенного значения плотности текучей среды, например значения, наиболее часто ожидаемого во время эксплуатации измерительного преобразователя, или критического значения, до момента, когда поперечные силы Q1, создаваемые в колеблющейся расходомерной трубке 10, компенсируются настолько полно, насколько это возможно, и тогда расходомерная трубка 10 практически не покидает свое статическое положение покоя, см., например, фиг.3а, 3b. Поэтому при эксплуатации, как условно показано на фиг.3b, в антивибраторе 20′ также возбуждаются изгибные колебания, которые, по существу, копланарны с изгибными колебаниями расходомерной трубки 10. С этой целью, как показано на фиг.2, антивибратор 20′ в предпочтительном варианте реализован в форме трубки, в частности, трубки, которая соосна с расходомерной трубкой 10, а при необходимости, как показано, например, в патенте США №5969265, в документе ЕР-А 317340, или в публикации WO-A 00/14485, антивибратор 20′ также можно реализовать в виде многоэлементного составного узла или посредством двух отдельных антивибраторов, прикрепленных в расходомерной трубке 10 соответственно на впускном конце и выпускном конце, см., например, фиг.1. В частности, в последнем случае, в котором внутренняя опорная система 20 образована посредством антивибратора впускной стороны и антивибратора выпускной стороны, внешняя опорная система 30 также может быть реализована в виде двухэлементной системы, состоящей из подсистемы впускной стороны и подсистемы выпускной стороны, см., например, фиг.2. Для обеспечения легкой настройки антивибратора 20′ на вышеупомянутое значение плотности и фактически возбуждаемую моду колебаний расходомерной трубки 10, в еще одном предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, на антивибраторе 20′ установлены, предпочтительно – с возможностью снятия, дискретные массивные детали 201, 202. Этими массивными деталями 201, 202 могут быть, например, диски, навинченные на распорные болты, предусмотренные на расходомерной трубке. Кроме того, соответствующее распределение массы по антивибратору 20′ можно реализовать, например, путем формирования продольных или кольцевых канавок. Специалист в данной области техники может легко определить распределение массы, подходящее для соответствующего приложения, например, воспользовавшись методом конечных элементов и/или результатами подходящих калибровочных измерений. При необходимости, конечно, можно использовать больше двух массивных деталей 201, 202. По этому поводу следует отметить, что обе опорные системы 20, 30, а именно антивибратор 20′ и корпус 30′, выполнены с возможностью установки снаружи на трубе (трубопроводе), как предложено, например, в публикации WO-A 99/51946 или в документе ЕР-А 1150104. Для генерирования механических колебаний расходомерной трубки 10, измерительный преобразователь дополнительно содержит систему 40 возбуждения, в частности электродинамическую систему. Система возбуждения служит для преобразования электрической энергии возбуждения Евозб, подводимой из электронного блока (не показан), например, с регулируемым током и/или регулируемым напряжением, в силу возбуждения, Fвозб, которая воздействует на расходомерную трубку 10, например, импульсно, а также упруго деформирует трубку вышеописанным образом. Сила возбуждения Fвозб может быть направлена так, как условно показано на фиг.1, или может быть ненаправленной, а также может быть регулируемой по амплитуде, например, посредством схемы регулирования тока и/или напряжения, и по частоте, например – посредством схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) в соответствии со способами, известными специалистам в данной области техники. Система возбуждения может представлять собой, например, простой соленоид с цилиндрической катушкой возбуждения, которая установлена на антивибраторе 20′ и пересекается при эксплуатации соответствующим током возбуждения, и с якорем постоянного магнита, который прикреплен к наружной поверхности расходомерной трубки 10, в частности, в ее середине, и выполнен с возможностью перемещения, по меньшей мере, в части катушки возбуждения. Систему возбуждения 40 можно также реализовать, например, в виде электромагнита или, как показано в публикации WO-A 99/51946, в виде сейсмического возбудителя. Для обнаружения колебаний расходомерной трубки 10 можно применять систему датчиков, которая обычно используется для таких измерительных преобразователей и в которой движения расходомерной трубки 10 измеряются с помощью первого датчика 50 А впускной стороны и второго датчика 50 В выпускной стороны и соответственно преобразуются в соответствующие сигналы S1 и S2 первого и второго датчиков способом, известным специалистам в данной области техники. Как условно показано на фиг.1, датчики 50А, 50В могут быть электродинамическими датчиками скорости, которые осуществляют измерения относительных колебаний, или электродинамическими датчиками смещения или, например, датчиками ускорения. Вместо систем электродинамических датчиков можно применять системы датчиков, в которых используются резистивные или пьезоэлектрические датчики деформации или системы оптоэлектронных датчиков. Как неоднократно упоминалось выше, расходомерную трубку 10 также можно динамически сбалансировать посредством антивибратора 20′, настроенного только на одно значение плотности текучей среды, в лучшем случае – на очень узкий диапазон плотности, см., например, фиг.3b. Вместе с тем, при изменениях плотности Чтобы улучшить динамический баланс измерительного преобразователя, в частности для текучих сред со значительно изменяющейся плотностью В соответствии с изобретением обе консоли 15 и 16, которые предпочтительно расположены симметрично относительно средней линии расходомерной трубки 10, служат для динамического создания изгибных моментов на участке 11 трубки на впускной стороне и участке 12 трубки на выпускной стороне, в частности, около примыкающей к ним расходомерной трубки 10, когда колеблющаяся расходомерная трубка 10 вместе с антивибратором 20′, если он есть, претерпевает боковое смещение из своего статического положения покоя. С этой целью, консоль 15 и консоль 16 соответственно соединены непосредственно или через промежуточные элементы с выпускным концом 11# участка 11 трубки на впускной стороне и впускным концом 12# участка 12 трубки на выпускной стороне, например, приварены или прикреплены зажимами. Как условно показано на фиг.1 и 2, обе консоли 15, 16 расположены в измерительном преобразователе таким образом, предпочтительно – как можно ближе к расходомерной трубке 10, что центр M15 тяжести консоли 15 и центр M16 тяжести консоли 16 отстоят от расходомерной трубки 10 и, в частности, расположены на одной линии с ней. Таким образом, консоли 15, 16 обуславливают появление моментов инерции, которые эксцентрически, т.е. не в связанных с этими деталями центрах M15, M16 тяжести, прикладываются в соответствующих точках крепления, а именно, на выпускном конце 11# и впускном конце 12#. В свою очередь, эти моменты инерции заставляют консоли 15, 16 осциллировать около своих соответствующих, почти неподвижных центров M15, M16, тяжести, принудительно вызывая таким образом дополнительное кручение выпускного конца 11# относительно мнимой первой оси D15 вращения, которая перпендикулярна движению V бокового смещения расходомерной трубки 10 и продольной оси L, и впускного конца 12# относительно мнимой второй оси D16 вращения, которая, по существу, параллельна первой, см. фиг.3с и 3d. Это кручение выпускного конца 11#, которое в увеличенном масштабе показано на фиг.4, вызывает дополнительный изгиб, по меньшей мере, частей участка 11 трубки на впускной стороне, направленный противоположно движению V смещения расходомерной трубки 10 и соответствующий внеосному изгибу, не подверженному воздействию поперечных сил, а значит – и напряжений сдвига; аналогично, участок 12 трубки на выпускной стороне изгибается в направлении, противоположном упомянутому движению V смещения. В соответствии с открытиями авторов изобретения, этот изгиб участков 11 и 12 трубки на впускной стороне и выпускной стороне можно оптимизировать, например, посредством расчетов моделей с помощью компьютера или посредством измерений во время эксперимента, таким образом, что вышеупомянутые поперечные силы Q1 в колеблющейся расходомерной трубки 10 будут полностью или, по меньшей мере, частично уравновешены противодействующими силами Q2, создаваемыми изгибом, так что поперечные силы, вызываемые колеблющейся расходомерной трубкой 10 и внутренней опорной системой 20, возможно совершающей аналогичные колебания, практически не будут воздействовать на подсоединенную трубу. Любые деформации подсоединенной трубы, вызываемые результирующими изгибающими моментами, можно легко подавить с помощью опорной системы 30, например, за счет надлежащим образом подобранной изгибной жесткости вышеупомянутого корпуса 30′ измерительного преобразователя. Изобретению также предшествовало неожиданное открытие, заключавшееся в том, что, посредством подходящей деформации участка 11 трубки на впускной стороне и участка 12 трубки на выпускной стороне независимо от мгновенных амплитуд и/или частот колебаний расходомерной трубки 10 на вышеупомянутой полезной моде, т.е. посредством подходящей формы соответствующей линии отклонения, можно задать значения силы и значения момента количества движения на единицу длины вдоль продольной оси L таким образом, что можно будет создавать такие поперечные импульсы, направленные против поперечных импульсов, создаваемых в колеблющейся расходомерной трубке 10, что эти поперечные импульсы будут нейтрализовать друг друга, вследствие чего поперечные силы Q1, создаваемые колеблющейся расходомерной трубкой 10, можно будет, по существу, уравновесить посредством поперечных сил Q2, создаваемых посредством деформируемого участка 11 трубки на впускной стороне и деформируемого участка 12 трубки на выпускной стороне. В дополнительном предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, консоли 15 придают такую форму и так крепят к расходомерной трубке 10, что центр M15 тяжести этой консоли располагается, по существу, в диапазоне половины длины участка 11 трубки на впускной стороне, а консоли 16 придают такую форму и так крепят к расходомерной трубке 10, что центр M16 тяжести этой консоли располагается, по существу, в диапазоне половины длины участка 12 трубки на выпускной стороне. Для развития моментов инерции консоль 15, как показано на фиг.1, имеет консольное плечо 15А, на котором выполнен консольный груз 15В, отстоящий от выпускного конца 11#; аналогично, консоль 16 имеет консольное плечо 16А, на котором выполнен консольный груз 16В, отстоящий от впускного конца 12#. Консольные грузы 15В и 16В выбраны с обеспечением возможности кручения в ответ на отклонение в боковом направлении расходомерной трубки 10, а значит – и выпускного и впускного концов 11# и 12# соответственно, а в контексте поступательного движения – с возможностью продолжения пребывания, по существу, в соответствующих статических положения покоя, заданных для них на основе конкретных механико-геометрических параметров консолей 15, 16. Соответственно центры M15, M16 тяжести обеих консолей 15, 16 остаются, по существу, в их статических положениях покоя, хотя расходомерная трубка 10 претерпевает боковое смещение из своего статического положения покоя; таким образом, они служат в качестве центра вращательных движений консолей 15, 16, которые вызывают появление вышеупомянутых изгибающих моментов. Каждая из двух консолей 15, 16 предпочтительно зажата на одном конце, т.е. они прикреплены только к выпускному и впускному концам 11# и 12# соответственно, что показано также на фиг.1-4. Вместе с тем, для подавления любых нежелательных мод колебаний можно предусмотреть дополнительные пружинящие и/или демпфирующие элементы, которые условно показаны на фиг.4 и, будучи прикрепленными к соответствующим консольным грузам 15В, 16В и к корпусу 30′ измерительного преобразователя, стабилизируют центры M15, M16 тяжести консолей 15, 16 в их соответствующих положениях покоя. Эксперименты, проведенные на измерительных преобразователях с вышеупомянутой расходомерной трубкой из специальной стали, показали, например, что массу каждого из консольных грузов 15В, 16В, которые должны иметь как можно большую инерцию для любых боковых смещений, в частности – по сравнению с расходомерной трубкой 10, преимущественно следует выбирать превышающей массу расходомерной трубки 10 примерно в пять раз или более. Вместе с тем, неожиданно оказалось, что оба консольных груза 15В, 16В можно подбирать фактически независимо от частот колебаний колеблющейся расходомерной трубки 10, ожидаемых при эксплуатации; следует лишь гарантировать, чтобы консольные грузы 15В были как можно тяжелее, в частности, были тяжелее, чем расходомерная трубка 10, и чтобы консольные плечи 15А, 16А, как указано выше, были как можно более жесткими. Чтобы обеспечить кручение консольных грузов с как можно меньшим сопротивлением, консолям 15 и 16 предпочтительно придают такую форму и крепят к расходомерной трубке 10 так, чтобы частное от деления вышеупомянутого момента инерции на соответствующую связанную с ним массу консольного груза 15В, 16В было как можно меньшим. Исследования показали, что если расходомерная трубка 10 изготовлена из специальной стали, как описано выше, то, например, консолям 15 и 16 следует придавать такую форму и крепить соответственно к участка 11 трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне так, чтобы вышеупомянутое частное было меньше 10-4 кг·м2/кг. Это частное предпочтительно можно задать очень точно посредством реализации консольных грузов 15В и 16В в форме удлиненных призм или цилиндров, символизируемых на фиг.3а-3d и 4 их соответствующими поперечными сечениями, и соответственно крепить их посредством консольных плеч 15А и 15В к участкам 11 и 12 трубки на выпускной и впускной сторонах так, чтобы соответствующие главные оси инерции для связанных с ними минимальных главных моментов инерции консольных грузов 15В и 16В оказывались параллельными вышеупомянутым осям D15, D16 вращения. Вышеупомянутое частное также можно минимизировать динамически, как функцию движений V бокового смещения расходомерной трубки 10. Чтобы сделать это, в дополнительном предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, консольные грузи 15В, 16В выполнены, по меньшей мере, частично податливыми, например, путем формирования канавок, по существу, параллельных осям D15, D16 вращения, как условно показано на фиг.1. Кроме того, консоли 15 и 16 предпочтительно сконструированы так, что их плечи 15А и 16А имеют изгибную жесткость, которая больше, предпочтительно – в три раза больше, чем изгибная жесткость участков 11 и 12 трубки на выпускной и впускной сторонах соответственно. С этой целью, плечи 15А, 16А могут, например, быть полыми по форме, что уже описано для антивибратора 20′, и тогда их можно крепить соответственно к участкам 11 и 12 трубки на выпускной и впускной сторонах коаксиально с расходомерной трубкой 10 и на одной линии с антивибратором 20′, если последний выполнен, например, в виде одной части из одной заготовки-полуфабриката или в виде двух частей из двух половин трубки. Вышеупомянутое соотношение изгибных жесткостей также можно задать, например, путем выбора подходящей длины участков 11 и 12 трубки на выпускной и впускной сторонах. Вместе с тем, авторы изобретения неожиданно обнаружили, что можно также обеспечивать возникновение изгибающих моментов для участка 11 трубки на выпускной стороне и участка 12 трубки на впускной стороне посредством консольных плеч 15А, 16А таким образом, что эти участки будут претерпевать значительные упругие деформации в определенных пределах. Тогда можно выполнить консольные грузы 15В, 16В так, что они, по существу, не будут подвергаться кручению, оставаясь в своих заданных положениях покоя, предпочтительно – довольно далеко от расходомерной трубки 10. В вышеупомянутом случае, когда консольные плечи 15А, 16А являются полыми, в плечах можно предусмотреть, например, продольные пазы, чтобы обеспечить как их изгибную жесткость, так и вышеупомянутое соотношение. Как легко понять из вышеизложенных пояснений, измерительный преобразователь, соответствующий изобретению, характеризуется множеством возможных настроек, которые позволяют специалисту в данной области техники, в частности после задания внешних или внутренних установочных размеров, добиться высококачественного уравновешивания поперечных сил, возникающих в расходомерной трубке 10 и антивибраторе 20′, если он есть.
Формула изобретения
1. Измерительный преобразователь колебаний для текучей среды, протекающей в трубе, содержащий расходомерную трубку, колеблющуюся при эксплуатации, для пропускания текучей среды, причем упомянутая расходомерная трубка сообщается с упомянутой трубой посредством участка трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне, и упомянутая колеблющаяся расходомерная трубка претерпевает, по меньшей мере, временное боковое смещение из заданного статического положения покоя в результате воздействия поперечных импульсов, возникающих в измерительном преобразователе, систему возбуждения, предназначенную для механического возбуждения расходомерной трубки, систему датчиков для измерения колебаний расходомерной трубки, первую консоль, прикрепленную к участку трубки на впускной стороне, для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на впускной стороне, и вторую консоль, прикрепленную к участку трубки на выпускной стороне для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на выпускной стороне, причем упомянутые изгибающие моменты являются такими, что при деформации участка трубки на впускной стороне и при деформации участка трубки на выпускной стороне создаются импульсы, которые направлены противоположно поперечным импульсам, создаваемым в колеблющейся расходомерной трубке. 2. Измерительный преобразователь по п.1, в котором деформируемый участок трубки на впускной стороне и деформируемый участок трубки на выпускной стороне изгибаются, по существу, в направлении, противоположном боковому смещению расходомерной трубки. 3. Измерительный преобразователь по п.1 или 2, в котором первая консоль имеет консольное плечо, жестко прикрепленное к участку трубки на впускной стороне, и предусмотренный на нем консольный груз и в котором вторая консоль имеет консольное плечо, жестко прикрепленное к участку трубки на выпускной стороне, и предусмотренный на нем консольный груз. 4. Измерительный преобразователь по п.1 или 2, в котором расходомерная трубка является, по существу, прямолинейной. 5. Измерительный преобразователь по п.1 или 2, в котором колеблющаяся расходомерная трубка совершает изгибные колебания. 6. Измерительный преобразователь по п.1 или 2, в котором каждая из двух консолей, по меньшей мере, так же тяжела, как расходомерная трубка. 7. Измерительный преобразователь по п.1, который содержит антивибратор, прикрепленный к расходомерной трубке на впускной и выпускной сторонах. 8. Измерительный преобразователь по п.7, в котором антивибратор является полым по форме. 9. Измерительный преобразователь п.7, в котором расходомерная трубка, по меньшей мере, частично заключена внутри антивибратора. 10. Измерительный преобразователь по п.9, в котором расходомерная трубка и антивибратор соосны. 11. Измерительный преобразователь по п.7, в котором в антивибраторе выполнены канавки. 12. Измерительный преобразователь по п.7, в котором к антивибратору прикреплены первая и вторая дискретные массивные детали. 13. Измерительный преобразователь по п.12, в котором массивные детали, прикрепленные к антивибратору, являются кольцевыми по форме и соосны с антивибратором. 14. Измерительный преобразователь по п.7, в котором антивибратор выполнен в виде опорной рамы. 15. Измерительный преобразователь по п.7, в котором антивибратор выполнен с возможностью установки снаружи на трубе. 16. Измерительный преобразователь по п.1, который содержит корпус, прикрепленный к участку трубки на впускной стороне и участку трубки на выпускной стороне. 17. Измерительный преобразователь по п.16, в котором корпус преобразователя выполнен с возможностью установки снаружи на трубе. 18. Измерительный преобразователь по п.1, в котором расходомерная трубка состоит из стали. 19. Измерительный преобразователь по п.1, в котором расходомерная трубка состоит из титана. 20. Измерительный преобразователь по п.1, в котором расходомерная трубка состоит из циркония. 21. Измерительный преобразователь по п.1, в котором центр (M15) тяжести массы первой консоли и центр (M16) тяжести массы второй консоли отстоят от расходомерной трубки, в частности соосно с ней. 22. Измерительный преобразователь по п.21, в котором центр (M15) тяжести массы первой консоли лежит в основном в области половины длины участка трубки на впускной стороне, а центр (M16) тяжести массы второй консоли лежит в основном в области половины длины участка трубки на выпускной стороне. 23. Измерительный преобразователь по п.16, в котором центр тяжести массы первой консоли лежит в области участка трубки на впускной стороне, а центр тяжести массы второй консоли лежит в области участка трубки на выпускной стороне, причем центр (M15) тяжести массы первой консоли и центр (M16) тяжести массы второй консоли остаются, по существу, в статическом положении покоя, несмотря на боковое смещение колеблющейся расходомерной трубки из ее заданного статического положения покоя. 24. Измерительный преобразователь колебаний для текучей среды, протекающей в трубе, содержащий расходомерную трубку, колеблющуюся при эксплуатации, для пропускания текучей среды, причем упомянутая расходомерная трубка сообщается с трубой посредством участка трубки на впускной стороне и участка трубки на выпускной стороне, и упомянутая колеблющаяся расходомерная трубка претерпевает, по меньшей мере, временное боковое смещение из заданного статического положения покоя в результате воздействия поперечных импульсов, возникающих в расходомерной трубке, систему возбуждения, предназначенную для механического возбуждения расходомерной трубки, систему датчиков для измерения колебаний расходомерной трубки, первую консоль для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на впускной стороне, причем упомянутая первая консоль имеет консольное плечо, жестко прикрепленное к участку трубки на впускной стороне, и предусмотренный на нем консольный груз, и вторую консоль для обеспечения возникновения изгибающих моментов, которые упруго деформируют участок трубки на выпускной стороне, причем упомянутая вторая консоль имеет консольное плечо, жестко прикрепленное к участку трубки на выпускной стороне, и предусмотренный на нем консольный груз, при этом и консольный груз первой консоли, и консольный груз второй консоли отстоят от расходомерной трубки, от участка трубки на впускной стороне и от участка трубки на выпускной стороне, а консольное плечо и консольный груз первой консоли и консольное плечо и консольный груз второй консоли так согласованы друг с другом, что центр тяжести первой консоли, расположенный в области участка трубки на впускной стороне, и центр тяжести второй консоли, расположенный в области участка трубки на выпускной стороне, остаются, по существу, в статическом положении покоя, хотя расходомерная трубка претерпевает боковое смещение из своего заданного статического положения покоя. 25. Измерительный преобразователь по п.24, в котором деформируемый участок трубки на впускной стороне и деформируемый участок трубки на выпускной стороне изгибаются, по существу, в направлении, противоположном боковому смещению расходомерной трубки. 26. Измерительный преобразователь по п.24, в котором расходомерная трубка является, по существу, прямолинейной. 27. Измерительный преобразователь по п.24, в котором колеблющаяся расходомерная трубка совершает изгибные колебания. 28. Измерительный преобразователь по п.24, в котором каждая из обеих консолей, по меньшей мере, так же тяжела, как расходомерная трубка. 29. Измерительный преобразователь по п.24, который содержит антивибратор, прикрепленный к расходомерной трубке на впускной и выпускной сторонах. 30. Измерительный преобразователь по п.29, в котором антивибратор выполнен трубчатым. 31. Измерительный преобразователь по п.26, который содержит антивибратор, прикрепленный к расходомерной трубке на впускной и выпускной сторонах, и у которого расходомерная трубка, по меньшей мере, частично заключена внутри антивибратора. 32. Измерительный преобразователь по п.29 или 30, в котором расходомерная трубка и антивибратор ориентированы коаксиально по отношению друг к другу. 33. Измерительный преобразователь по п.29 или 30, у которого в антивибраторе выполнены канавки. 34. Измерительный преобразователь по п.26, в котором к антивибратору прикреплены первая и вторая дискретные массивные детали. 35. Измерительный преобразователь по п.34, в котором массивные детали, прикрепленные к антивибратору, являются кольцевыми по форме и соосны с ним. 36. Измерительный преобразователь по п.29 или 30, в котором антивибратор выполнен в виде опорной рамы. 37. Измерительный преобразователь по п.29 или 30, в котором антивибратор выполнен с возможностью установки снаружи на трубе. 38. Измерительный преобразователь по п.24, который содержит корпус, прикрепленный к участку трубки на впускной стороне и участку трубки на выпускной стороне. 39. Измерительный преобразователь по п.38, в котором корпус преобразователя выполнен с возможностью установки снаружи на трубе. 40. Измерительный преобразователь по п.24, в котором расходомерная трубка состоит из стали. 41. Измерительный преобразователь по п.24, в котором расходомерная трубка состоит из титана. 42. Измерительный преобразователь по п.24, в котором расходомерная трубка состоит из циркония. 43. Измерительный преобразователь по п.29, в котором расходомерная трубка и антивибратор ориентированы коаксиально по отношению друг к другу. 44. Измерительный преобразователь по п.29, у которого в антивибраторе выполнены канавки. 45. Измерительный преобразователь по п.44, в котором к антивибратору прикреплены первая и вторая дискретные массивные детали. 46. Измерительный преобразователь по п.45, в котором массивные детали, прикрепленные к антивибратору, являются кольцевыми по форме и соосны с ним. 47. Измерительный преобразователь по п.29, в котором к антивибратору прикреплены первая и вторая дискретные массивные детали. 48. Измерительный преобразователь по п.47, в котором массивные детали, прикрепленные к антивибратору, являются кольцевыми по форме и соосны с ним.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
и/или вязкость 
текучей среды способом, который известен специалистам в данной области техники.
