CN87106872A - 连续测量质量流量的装置与方法 - Google Patents

Abstract

利用一对具有固定端点的平行导管测量质量流量的装置和方法。在接近导管间的中点连接的驱动装置以选定的频率向导管提供横向振动。待进行质量流量检测的流体被大致分成相等的两部分穿过所述平行导管。在驱动装置上游的运动传感器和驱动装置下游的运动传感器产生与驱动频率相同而相位超前或滞后于驱动频率的信号。所述相位差即为质量流量的测量结果。所述装置可对温度变化和热梯度进行自补偿。

Description

本发明涉及质量流测量技术，特别涉及测量流体的质量流量的一种新的、有用的装置和方法，这种装置和方法使用两个间隔开的管子，每根管枣载有总流量的一半的流量。为了使管子产生往复的角位移，管子受迫在固定点之间振动。

我们已经知道了利用运动流体的角运动的作用直接测量质量流量的装置。举例来说，可以见1958年12月23日发给罗斯的美国专利第2，865，201号和1967年12月5日与1969年12月23日发给西平的美国专利第3，355，944号以及第3，485，098号。

1978年8月29日授予史密斯（Smith）的美国专利第4，109，524号中公布了一种通过一部分导管的往复运动产生该部分的纵向角位移测量导管的质量流率的装置和方法。联动装置连接到所述部分使之往复运动并测量施加在其上的力，这个力是由于质量流通过这部分导管所产生的明显的力。因此，用这种方式可以直接得到质量流率的测量结果。

为了理解如何用这个力的作用测量质量流率，可参考图1，它表示了在X、Y、Z坐标系中的矢量分布。

当具有速度矢量 V的运动质量m受到力的作用时产生了相应于某轴的角速度 W，力 FC表示如下：

()/(Fc) ＝2m ()/(W) × ()/(V)

如果图1中用10表示的载有流体的管子在 ()/(Fc) - ()/(V) 平面内沿箭头12所示方向顺时针旋转，将产生图1所示的角速度W。然而，与其导管10沿箭头12所示方向旋转，倒不如导管对于用16所表示的支点产生前后振动，角速度W的量级与极性也将摆动，因此，力Fc的量级和极性将成比例地摆动。

对于沿管的任意点，例如点14，在小振幅情况下，其位移矢量可以表示为沿Y轴方向。当具有远离支点16的点14的载流管10受正弦发生器的力而相应于其支点16作很小的振动时，其位移、速度和加速度矢量的大小可由图2所示的图形表示。点14沿Y轴的位移由实线20表示，点14的速度V由双点划线22表示，单位为英寸/秒，用dy/dt表示。

加速度A用实线26表示，它是位移对于时间的二阶导数，单位为英寸/秒²，用d²y/dt²表示。

如果在管内流动着流体，作用在流动质量上的力 ()/(Fc) ＝2m ()/(W) × ()/(V) 也将求出。用牛顿第三定律可以得出作用在管子自身上的相等的反作用力- ()/(Fc) 和随之产生的加速度A′，- ()/(Fc) 和 ()/(A) ′沿着Y轴方向。 ()/(A) ′的大小用虚线28表示。从上述对力- ()/(Fc) 的确定可以看出由于驱动力作用于管上，所述力与点14的速度成正比，与加速度的相位相差90°。作用在点14上的合力为驱动力和反作用力- ()/(Fc) 的和，驱动力与反作用力的相位相差90°。点划线24表示加速度 ()/(A) 与 ()/(A) ′的总和，该总和与驱动力和反作用力- ()/(Fc) 的和成正比。原始驱动加速度与合加速度之间的相位差φ可以直接得到反作用力-Fc的测量结果，该结果与质量流率成正比。

如果驱动力是正弦变化的，则位移、速度和加速度也同样呈正弦变化并分别相差90°和180°。这表明无论用驱动力的位移、速度或加速度作为驱动力与反作用力- ()/(Fc) 的合力的函数进行测量，其相位差φ都是相等的。

本发明描述一种测量质量流率的方法和装置。

根据本发明，一对平行的导管并排地安装，它们的编点被固定地支撑。在导管的中部和它们之间提供了驱动装置以对导管施加横向振动，使它们反复地彼此相向或相反地移动。由于导管的弹性并因为它们的两端被安装在固定位置，因此这种振动是允许的。

在驱动装置的每侧驱动装置到各支撑点的大致中间的地方装有传感器。这些传感器产生相应于传感器位置的管的速度信号。

在导管的两个支撑点部分提供了供质量流体通过的连接器和通道，在一个支撑部分质量流几乎均匀地分开流过导管，而在另一支撑部分汇合并流出。

在没有流体流过导管的情况下，两个传感器所检测到的振动的相位与频率恰好与驱动装置的振动的相位与频率相匹配。然而，如果质量流开始通过导管，所有的传感器继续检测与驱动频率相同的频率，而质量流入口处的传感器所洪得的频率的相位将滞后于驱动频率，出口处的传感器所测得的频率的相位将超前于驱动频率。这种相位的超前与滞后可直接用作通过导管的质量流率的测量结果。

相应地，本发明的目的之一就是提供一种测量流体的质量流速的装置，它包括具有相对的两端的一对平行导管，一个轴及一个中点，在基本的固定位置支撑所述相对两端的支撑装置以及在导管的相对两端之间和它们的轴的横向上产生振动的驱动装置。在支撑装置上提供了连接装置以使流体能通过导管，并在两导管之间基本均匀地分配流体的流量。至少一个传感器装在与中点及导管的两个相对端点相距一段距离的位置，传感器检测运动。运动传感器可以检测位移、速度或加速度。所检测的运动与驱动运动之间的相位差是通过导管的流体的质量流率的测量结果。

本发明的另一个目的是提供这样一种装置，其中驱动装置装在导管的中点，一对传感器装在中点的两相对端。上游传感器的相位滞后于驱动力，而下游传感器的相位超前于驱动力，超前相位和滞后相位的测量结果得出质量流率的测量结果。

本发明的进一步目的是提供测量性量流率的装置，它的设计简单、结构结实、制造经济。

本发明的另一个目的是提供一个测量质量流率的方法，它利用检测的振动平行导管的运动与施加在接近导管中点的振动力之间的相位差进行测量。

本发明的另一个目的是提供一种高精度地测量质量流率以及测量在温度和热梯度变化的情况下，质量流率在流体自冷凝时的变化。

本发明所具有的这些不同的新颖的特点将在附在后面并构成本申请一部分的权利要求中特别说明。为对本发明通过其使用所获得的优点和具体目的有较好的理解，将借助附图对其所示的本发明最佳实施方案进行描述。

在附图中：

图1显示了一个坐标系，其中带有质量流体的导管可以旋转，以图示力Fc的出现;

图2是表示在图1的导管上确定的点上所承受的力和运动的不同特性的图;

图3是本发明的一个实施方案的正视图;

图4是本发明所用的导管经受的运动的示意图;

图5是表示一根振动导管的最大振幅的图;

图6表示两个等频率但是异相的正弦曲线，它们之间相差时间t₁;

图7和图8分别表示本发明的一种变形的平面图和侧面正视图;

图9和图10分别是本发明的另一种变形的平面图和侧面正视图。

参考图3，所示的本发明的实施方案包括一个测量供到入口连接件30的质量流率的装置。入口连接件30被连接到第一支撑部分32，在该部分固定着一对平行导管36和37的一端34和35。一个Y形通道38被限定在支撑部分32以将流入连接件30的质量流近似地分为两等份。质量流的一半供给导管36，另一半供给导管37。

导管36和37分别有一个连接到带有出口连接件44的第2支撑部分40的相对端42和43。另一个Y形通道46被限定在支撑部分40以将导管36和37中的质量流重新汇集并排出连接件44。

在导管36和37之间接近中部的部位安装了一个驱动装置48。驱动装置48包括一个固定到某一导管（例如导管36）上的螺线形线圈，一个搭在线圈54上并固定到导管37上的永磁体52。通过向线圈54提供具有选定频率的电流，使导管36和37在上、下方向上产生彼此相向和相反方向的振动。图4是图3所示装置的简图，它用线表示管36和37。导管彼此远离所达到的最大振幅用实线36a和37a表示，最大接近值用虚线36c和37c表示，其静止位置用点划线36b和37b表示。

再看图3，管36和37上装有一对彼此隔开的传感器56和58，传感器位于驱动装置48的两侧。传感器56包括一个与线圈66磁耦合的永磁体62，线圈66分别与管37和36连接。按同样的方式，传感器58包括一个搭在分别连接到管37和36上的线圈76上的永磁体72。

通过以图4所示方式振动导管36和37，在线圈66和76中产生感应正弦电流，这些信号与管子彼此接近和离开时在各传感器所处位置的速度成比例。

当没有流体通过导管36和37时，由驱动装置48作用到管36和37的中点的振动将在传感器56和58中产生信号，这些信号彼此同相，并与驱动装置48的速度同相。

然而，当流体通过导管36和37时，在传感器56和58所产生的信号中出现相位差。

传感器56产生一个滞后于驱动装置48的速度的速度信号，而传感器58产生一个超前于驱动装置48的速度的信号。

图3中用80示意地表示的装置与传感器56和58驱动装置48或至少其电源相连以测量各速度信号的相位超前和相位滞后。相对于驱动装置的速度的相位超前和相位滞后与通过导管36、37的质量流量相联系。

图5是两根导管之一的示意图，传感器之一的位置用“O”表示，该点与导管最近的支撑点之前的距离为r。在点“O”处，导管产生的向上的摆动所具有的最大振幅为正A，向下摆动所具有的最大振幅为负A。

在下面的分析中，相对点“O”的位移用字母y表示。

对于流管上的任意一点，当其受力按简谐运动方式进行具有最大振幅A的谐振时，从其静止位置的位移y如下：

y＝A    Sin    Wt    （1）

其中：y＝从静止位置的位移

A＝最大振幅

W＝2πf

f＝谐振频率

t＝时间，当振动开始时t＝0。

因为管的两端被固定并只能对于其自己的静轴作横向运动，因此位移x是向上或向下的。则点“O”向上和向下的速度为：

u＝ (dy)/(dt) ＝WA Cos Wt （2）

则其加速度为：

a＝ (dv)/(dt) ＝ (d²y)/(dt²) ＝-W²A Sin Wt （3）

作用在点“O”上的力-Fc（矢量）与受激振动一样向上和向下，其公式如下：

- ()/(Fc) ＝-2m_CWc×Vc （4）

其中：- ()/(Fc) ＝由运动流体的角速度引起的表现力。

m_C＝流过点“O”的流体质量

Wc＝点“O”的角速度

＝｜ ()/(V) /γ｜和（ ()/(V) ＝ ()/(W) × ()/(γ) ）

()/(V) c＝流过点“O”的流体速度

如果k＝管在点“O”的弹性系数，则受激振动力的幅度为：

｜ ()/(F) ｜＝-ky＝-kA sin Wt （5）

由于两个力作用在同一方向上，因此它们的值可以直接相加：

F-Fc＝｜ ()/(F) ｜+｜ ()/(-Fc) ｜＝（-2m_cV_cV/γ）+

（-kA    sin    Wt）    （6）

代入V＝WA    cos    Wt：

F-Fc＝（ (-2m_cV_c)/(γ) ）WA cos Wt-kA sin wt （7）

因为对于不变的质量流率其m_c、γ、Vc、W、W²和A都是常数，则可简化为：

F-Fc＝B₁cos Wt +B₂sin Wt （8）

其中：B₁＝ (-2WAm_cV_c)/(γ)

B₂＝-kA

方程（8）中所表示的和B₁cos Wt+B₂sin Wt可以表示成：

B₁cos Wt+B₂sin Wt＝δ sin（Wt+β） （9）

其中：δ＝（B² ₁+B² ₂）^1/2

β＝arctan（ (B₁)/(B₂) ）

方程（9）从数学上表明点“O”上的合力是同频率的谐振力B₁cos Wt和B₂sin wt，但是存在相位差β，其中：

β＝arctan（ (B₁)/(B₂) ）＝arctan（ (-2WAm_cV_c)/(-kAγ) ） （10）

或：

β＝arctan（ (2Wm_cV_c)/(kγ) ） （11）

由于W＝2πf，而f＝振动频率，在管的自然谐振频率下保持常数，而γ是固定距离，k是常数，则：

β＝arctan（ (m_cV_c)/(α) ） （12）

其中：α＝（ (kγ)/(4πf) ）

因此：

m_cV_c＝α tan（β） （13）

其中，m_cV_c＝质量流量。

因此，作用在点“O”上的力是与驱动力同频率的正弦规律的力，只有相位差β。其位移、速度或加速度函数（以及它们的更高阶导数）也与相应的驱动力有着同量级的相位差：

β±nπ/2    （14）

其中n是一个整数。

对于非常小的相位改变，方程（12）变为：

β＝arctan（m_cV_c/α）≈m_cV_c/α

＝m_cV_c（4πf/kr） （15）

为了消去频率相关项f，我们必须检验这两个信号，将它们之间的相位差φ用振幅作为图6中时间的函数来表示。

由于它们的频率相等，则其周期为：

T＝1/f    （16）

其中T＝周期＝2（t₁+t₂） （17）

它们的相对角β可以确定：

β＝πt₁/（t₁+t₂）＝2πt₁f （18）

将方程（18）代入方程（15）：

β＝m_cV_c（4πf/kr）＝2πt₁f （19）

因此：

m_cV_c＝质量流量＝（kγ/2）t₁（20）

该公式中消去了有关频率的量而只需要知道弹性系数k，长度γ和时间间隔t₁。时间间隔t₁可以用示波器和标准的实验室技术测量。

不论何种情况，k和r都将是常数，因此，t₁的大小与质量流率成正比。很明显，t₁可以沿穿过图6所示信号的任意一条线测得并且不由“零”基准线所限制。在这两个信号的任一循环期间，任意两个一阶和二阶导数相等的点之间的时间差t₁都可以测得而不管放大系数或直流补偿系数。

在本设计中，图3的相互分隔的平行管上的点“a”将遵循上述的规律。质量流效可以通过测量“u”点的检测信号与质量流率在点“a”所产生的信号之间的时间差t₁直接测得。在流体如图3所示的方式流动时，点“a”将滞后于点“u”。同样，点“b”将滞后于点“v”，点“c”超前于点“u”以及点“d”超前于点“v”。（这些点之间的相角幅度都是相等的，超前点的相角幅度为正，滞后点的相角为负。）因此，在点“a”和“b”的滞后与点“c”和“d”的超前之间的相位差φ将通过两倍的加权平均数抽样检验总的质量流量。超前和滞后的相角的和将相互抵消并提供使管保持其固有谐振频率所必需的谐振频率数据，而与压力、密度或温度的变化无关。

图3的隔开的平行管装置也允许驱动线圈48的两半和两个传感器线圈66、76直接固定到流管36、37并帮助减少普通型的振动噪音和改善性能（在点“a”、“b”、“c”和“d”所提供的弹性体是相同的，在点“u”和“v”提供的弹性体是相同的）。

因此图3的分离平行管方法的优点如下。定向的质量流量测量结果与在两个同频信号的任一周期中一阶的二阶导数相等的点之间的时间的测量结果成比例;简单，高强度机械设计;组装容易;总尺寸小;安装方便;过程中对流体密度不敏感;只与温度有很小的相关性;大小按比例增加和减小容易;过程对流体粘度不敏感;适用于液体、气体和粘合液。

在图3中用80表示的相位测量装置的另一个方案现已明了。一个实例是休利特·派卡德型3575A。从驱动点到靠近管中央的检测点和离开管中央的检测点之间的相位差可用作质量流量的测量结果。在驱动装置的两侧所装的传感器用来增加精度。

在普通情况下，图3所示的本发明的实施方案将给出准确的质量流量的测量结果，但直平行导管36、37与它们的支撑构件32、40之间的温度或热梯度的变化可能导致导管承受高应力，使性能下降。也许，在极端情况下使导管破坏。

在图7和图8中表示了本发明的一个实施方案，其中直平行导管36、37及有关的传感器和驱动器与温度变化和热梯度的影响相隔开。图中表示直导管36、37通过柔性的S形导管90和92分别连接到支撑部件32上。同样，导管36、37分别通过柔性的S形导管94和96连接到支撑部件40上。刚性支撑盘98、100坚固地连接到直导管36、37以准确地确定它们的有效长度并在图4的点划线36b和37b所表示的静止位置时保持它们精确的平行关系。

在图9和图10所表示的本发明的一个实施方案中，通过一对分别按顺时针和逆时针方向以选定的螺距关于一公共中心线106缠绕的螺线形导管102、104的装置，消除温度变化和热梯度的影响。这种形状的导管的作用与螺线形弹簧一样吸收温度变化和热梯度的其它有害影响而不变形。驱动装置48及传感器56和58方便地装在导管102和104的跨接点之间。

尽管已就本发明的特殊实施方案详细描述和说明了本发明的原理的应用，但是应该理解在不脱离本发明的原理的前提下、还可以其他的方式实施本发明。

Claims (6)

1、测量流体的质量流量的装置，包括：

一对具有相对的两端和所述相对端之间的轴线和中点的直平行导管；

连接到所述导管以保持所述相对端在基本固定的位置的支撑装置；

与所述支撑装置相连以提供测量质量流率的流体到所述平行导管连接装置，每根导管在所述支撑装置的一端接收约一半的流体流量，然后在所述支撑装置的另一端重新汇合所述流体；

与所述导管相连用以使所述导管按选定的频率在其各自中点和各自轴的横向作彼此接近和离开的振动的驱动装置；

至少一个传感器，用来检测所述导管的运动，检测点与导管的中点及所述相对端隔开一段距离以检测所述平行导管之间的选定频率的任何相位差；

其中每个支撑装置中都包括柔性导管传输流体流入和流出每个直平行管以吸收热应力，从而抑制由于温度变化或热梯度引起的所述直平行导管的变形或破裂。

2、权利要求1所陈述的装置，其中每个所述的柔性导管由弯曲管组成。

3、权利要求2所陈述的装置，其中每个所述的柔性导管都被制成接近S形结构。

4、权利要求1所陈述的装置，还包括保持所述直管的邻接端在固定的平行关系的装置。

5、权利要求4所陈述的装置，其中所述装置包括连接到所述直管的邻接端的刚性支撑盘。

6、测量流体质量流量的装置，包括：

适用于接受总液体流量的大约一半的一对导管，它们以预定的直径和螺距相对于一公共中线缠绕成螺线圈，导管具有一个中跨接点，在所述中跨接点的每侧都有一个跨接点;

在中点振动所述导管使之以选定的频率彼此接近和分开的驱动装置;

检测所述导管在所述中跨接点的两侧的跨接点的运动的传感器，以检测传感器之间的相位差。

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