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专利名称：振动转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动转换器，其特别适用于粘度计、粘度-密度计、或粘度-质量流量计。
背景技术：
为了确定管道中流动的液体的粘度，经常使用利用粘度转换器的仪表，其包括与管道连接的测量管，以及连接至该测量管的控制及计算电子仪表，感应流体中的剪切力或摩擦力并且从中得到代表粘度的测量信号。
例如，US-A 45 24 610、US-A 52 53 533、US-A 60 06 609或EP-A1 158 289公开了联机粘度计，即，可以连接入传导流体的管道的粘度计，具有粘度转换器，其响应于管道中流动的流体的粘度并包括-单个直测量管，用于传导流体，其在工作中振动并且经由入口管段和出口管段与管道相连；-激励装置，其将至少部分测量管激励为围绕与测量管一同波动的振动轴扭转振动；和-转换器装置，用于本地检测测量管的振动。
众所周知，当被激励为围绕与测量管一同波动的振动轴扭转振动时，直测量管使得在管道中流动的流体中产生剪切力，从而从扭转振动中除去了振动能量并且振动能量分散在流体中。这导致测量管的扭转振动衰减，从而必须将附加激励能量提供给测量管，以保持振动。可以以合适的方式测量施加的激励能量，并且可以由此得到流体的粘度。
在工作中，例如在联机粘度计中使用的这种转换器的测量管通常在扭转基本模式的瞬间谐振频率被激励，特别地，具有保持为常值的振幅。
通常的作法还有为了粘度测量而以同时或交替扭转模式将测量管激励为弯曲振动，通常还以弯曲基本模式的谐振频率，参见US-A 4524 610。由于弯曲谐振频率也特别依赖于流体的瞬时密度，所以这种仪表也可以用于测量管道中流动的流体的密度。
与使用弯曲测量管测量粘度相比，众所周知，使用以上述方式振动的直测量管具有以下优点在流管的基本整个长度上在流体中感应剪切力，特别是在径向上具有较大的穿透深度，使得可以得到转换器对于待测粘度的很高的敏感度。直测量管的另一个优点是它们可以基本上在安装的任何位置都高度可靠地排干剩余物，特别是在联机执行清除处理之后。进一步，这种测量管与例如Ω形或螺旋弯曲测量管相比更简单，并且因而制造成本更低。
上述转换器的一个本质缺点在于以下事实在操作中，扭转振动可以从转换器经由测量管以及所连接的管道可能具有的任何转换器外壳而传递。这导致零位漂移，因而导致测量不精确。进一步，振动能量损失到转换器环境将导致效率大为降低并且还有可能导致测量信号中信噪比降低。

发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种振动转换器，其特别适用于粘度计，并且尽管其仅使用单个的特别的是直的测量管，在操作中也在较宽的流体密度范围中被很好地动态平衡，并且其具有相对较小的质量。
为了实现这个目的，本发明提供了一种用于管道中流动的流体的振动转换器，该转换器包括用于引导流体的测量管，其在工作中以可预定的频率振动；作用于测量管用于振动该测量管的激励装置；用于检测测量管的振动的传感器装置；以及固定至测量管的扭转振动减震器。测量管经由终止于入口端的入口管段和终止于出口端的出口管段与连接管相通。特别地为了在流体中产生剪切力，在工作中测量管至少间歇地以瞬时扭转频率执行围绕测量管纵轴的扭转振动。为了减小或避免振动能量从转换器耗散至连接管，扭转振动减震器在工作中至少部分地与振动的测量管异相振动。
在本发明的第一实施例中，振动的扭转振动减震器仅由振动的测量管驱动。
在本发明的第二实施例中，扭转振动减震器在入口侧和出口侧固定至测量管。
在本发明的第三实施例中，扭转振动减震器的扭转固有频率大于测量管的振动频率的0.8倍。
在本发明的第四实施例中，扭转振动减震器的扭转固有频率小于测量管的振动频率的1.2倍。
在本发明的第五实施例中，扭转振动减震器由入口侧减震器子单元和出口侧减震器子单元形成。
在本发明的第六实施例中，转换器包括在入口和出口侧固定至测量管的转换器外壳。
在本发明的第七实施例中，转换器包括在入口端和出口端固定至测量管的防振器，特别地包括与测量管同轴的防振器。
在本发明的第八实施例中，在测量管上提供附加质量。
本发明的一个基本思想是通过利用扭转振动减震器产生的相等的反作用扭矩动态平衡由扭转振动的测量管产生的扭矩，该扭转振动减震器例如可以仅由测量管驱动。
本发明的一个优点在于以下事实尽管有可能在流体的密度和/或粘度中存在操作振动，但是以简单且鲁棒的方式平衡转换器，使得内部扭矩可以很大程度地保持远离连接管。另一个优点是，作为这个构造上的非常简单的振动隔离的结果，根据本发明的转换器可以制造地非常紧凑且非常轻。


参考以下对于实施例的说明，结合附图，将更加清楚本发明及其进一步的优点。在不同的图中，相似的参考符号用于指代相似的部分；为清楚起见，已经分配的参考符号在后面的图中省略。在附图中图1显示了设计为插入管道用于测量管道中流动的流体的粘度的仪表；图2是适用于图1的仪表中的振动转换器的一个实施例的透视图；图3是图2的转换器的侧截面图；图4是图2的转换器的第一截面图；图5是图2的转换器的第二截面图；图6是适用于图1的振动转换器的另一实施例的侧截面图；和图7a、b示意性显示了以弯曲模式振荡的测量管和防振器的弹性曲线。
具体实施例方式
尽管本发明允许不同的改动和修改形式，但是这里以如图中的示例的形式显示了示例性实施例，并且这里具体说明该实施例。然而，应当理解，无意将本发明限定于所公开的特定形式，相反，本发明应涵盖落在所附权利要求所定义的本发明的精神和范围之内的所有修改、等同物以及改动。
图1显示了设计为插入管道(未显示)用于测量管道中流动的流体的粘度的仪表。另外，该仪表也可以用于测量流体的质量流速和/或密度。因此，仪表包括振动转换器，在工作中待测流体流经该振动转换器。图2～6示意性显示了这种振动转换器的实施例和发展。
为了引导流体，转换器包括基本直的测量管10，特别地是单个管，其在操作中至少间歇地围绕其纵轴扭转振动并由此被重复弹性变形。
为了允许流体流经测量管10，其经由入口管段11和出口管段12连接至流体导管(未显示)。测量管10、入口管段11和出口管段12相互对齐并且与虚拟的纵轴L对齐，它们最好一体形成，使得单个的管状半成品例如可以用于它们的制造；然而，如果需要，测量管10和管段11、12也可以由分离的半成品制造，然后连接在一起，例如焊接在一起。对于测量管10，可以使用几乎任何常用于这种转换器的材料，例如钢、钛、锆等。
如果转换器要非永久性地与管道连接，则在入口管段11和出口管段12上分别形成第一法兰13和第二法兰14；然而，如果需要，也可以将入口和出口管段11、12例如通过焊接或铜焊而直接与管道相连。
另外，如图1示意性示出的，这里以容纳或包围测量管10的的转换器外壳的形式显示的外部支撑系统100固定至入口和出口管段11、12，见图1和3。
为了在流体中产生对应于流体粘度的摩擦力，在操作中，测量管10至少被间歇地激励为扭转振动，特别是在固有扭转谐振频率范围内，使得它基本对应于扭转固有振动模式围绕其纵轴L扭曲，例如参见US-A 45 24 610，US-A 52 53 533，US-A 60 06 609或EP-A 1 158289。
可以以扭转频率fexcT激励测量管10，该扭转频率尽可能精确地对应于测量管10在整个长度上基本单向扭曲的基本扭转特征模式的固有谐振频率。在特种钢制成的测量管10额定直径为20mm，壁厚约为1.2mm，长度约为350mm并且具有附件(见下面)的情况，这个基本扭转特征模式的固有谐振频率可以是例如1500～2000Hz的量级。
在本发明的实施例中，在转换器的操作期间，测量管10除了被激励为扭转振动之外，还被这样特别是同时地激励为弯曲振动，使其基本对应于固有第一弯曲振动模式而偏转。为此，以弯曲振动频率激励测量管10，该弯曲振动频率尽可能精确地对应于测量管10的最低固有弯曲谐振频率，使得振动但是空的测量管10相对于垂直于纵轴L的中央轴基本对称地偏转并且具有单个波腹，如图7a和7b示意性示出的。例如，在特种钢制成的测量管10额定直径为20mm，壁厚约为1.2mm，长度约为350mm并且具有常用附件的情况，这个最低弯曲谐振频率可以是大约850～900Hz的量级。
当流体流经管道使得质量流速m非零时，在流体中由以弯曲模式振动的测量管10感应科里奥利力。科里奥利力作用于测量管10，从而引起对应于固有第二弯曲振动模式的测量管10的附加形变(未显示)，该模式与第一弯曲振动模式共面。测量管10的形变的瞬时形状，特别地相对于其幅度，也依赖于瞬时流速m。正如这种转换器所常见的，第二弯曲振动模式，即所谓的科里奥利模式，可以是例如具有两个或四个波腹的不对称弯曲振动模式。
为了生成测量管10的机械振动，转换器进一步包括激励装置40，特别是电动激励器。激励装置40用于将从控制电子装置(未显示)提供的电激励能量Eexc(例如具有调节的电流和/或调节的电压)转换为作用于测量管10的激励力矩Mexc，该力矩例如以脉冲方式或调和地作用于测量管10并且以上述方式将测量管弹性形变，并且如果测量管10还被激励为弯曲振动，则激励装置40将电激励能量Eexc转换为横向作用的激励力。激励力矩Mexc可以是双向的，如图4或6所示，或者是单向的，并且以本领域技术人员熟悉的方式，例如利用电流和/或电压调制电路调幅，并且例如利用锁相环调频。从保持测量管10的扭转振动和偶发性附加激励的弯曲振动所需的电激励能量Eexc，可以以本领域人员所熟悉的方式得到流体的粘度，特别地参见US-A 4524 610、US-A 52 53 533、US-A 60 06 609或EP-A 1 158 289。
激励装置40可以是例如具有圆柱激励线圈和永磁电枢的简单螺线管，该激励线圈附着于转换器外壳100并且其在工作中通过合适的激励电流，永磁电枢固定于外部测量管10，特别地在其中点，并且至少部分跨在激励线圈中。激励装置40还可以实施为一个或多个电磁体，例如US-A 45 24 610所示。
为了检测测量管10的振动，这种转换器通常使用传感器系统，其至少利用第一传感器51但是有时也利用第二传感器52检测测量管10的动作，特别是在入口和出口侧的动作，并且将它们转换为相应的传感器信号S1、S2。传感器51、52可以是例如图1示意性示出的执行相对振动测量的电动速度传感器、或者电动位移或加速传感器。也可以采用使用电阻或压电应变仪的传感器系统或光电传感器系统来代替电动传感器系统，用于检测测量管10的振动。
如上所述，一方面，扭转振动由于对于流体的期望能量损耗而衰减，特别地为了测量粘度而检测该能量损耗。然而，另一方面，如果机械耦合至测量管10的元件(例如转换器外壳100或连接管)也被激励进入振动，振动能量还可能从振动的测量管10移除。尽管不期望的至外壳100的能量损失还可能被标定，但是至少到转换器环境(特别是管道)的能量损失以实际上不可再生或甚至不可预定的方式发生。
为了抑制这种扭转振动能量到环境的损失，转换器包含在的入口侧和出口侧固定于测量管10的扭转振动减震器60。根据本发明，扭转振动减震器60用于至少衰减部分由围绕纵轴L扭曲的单个测量管10损失的扭转振动能量，从而保持该能量远离转换器环境，特别是连接管。为此，扭转振动减震器的扭转谐振频率中的至少一个被尽可能精确地调谐至测量管10在工作中主要振动所处的扭转频率fexcT。结果，扭转振动减震器60至少部分执行与测量管10的扭转振动异相，特别是反相的扭转振动。
另外，这样调谐的扭转振动减震器以这样的方式固定至测量管10，使得即使令减震器振动，特别是与测量管10反相地振动，入口管段和出口管段也基本免受扭曲应力。
这种扭转振动减震器的使用特别的是由于认识到以上述方式振动的测量管10至少具有一个扭转谐振频率，该扭转谐振频率与其弯曲谐振频率相反，例如仅在很小的程度上与流体的密度或粘度相关，并且因此该扭转谐振频率可以在工作中保持基本恒定。因此，在工作中可以期望这种扭转振动减震器的至少一个扭转谐振频率相比更精确地调谐至测量管的扭转谐振频率。至少对于上述激励装置40与测量管10和转换器外壳100相连的情况，振动的扭转振动减震器被振动的测量管10非直接地，即实质上专有地驱动。
如图3或6所示，在本发明的另一实施例中，扭转振动减震器60包括具有可预定的惯量力矩的第一转子61A，和具有可预定的惯量力矩的第二转子62A，其中第一转子61A经由具有可预定的扭转刚性的第一扭转弹簧体61B耦合至测量管10，第二转子62A经由具有可预定的扭转刚性的第二扭转弹簧体62B耦合至测量管10。扭转弹簧体61A、61B可以由例如合适质量的厚壁短金属环形成，而对于扭转弹簧体61B、62B可以使用短且相对薄壁的金属管段，这样选择其长度、壁厚和横截面，使得得到所需的扭转刚性。
对于这里显示的情况，其中相对测量管10的中点对称放置的两个转子61A、62A没有相互刚性连接，扭转振动减震器60由入口侧第一减震器子单元61和出口侧第二减震器子单元62形成。如果需要，两个转子还可以直接耦合，即刚性或柔性耦合。因此，转子61A、62A也可以由围绕测量管10的单个管形成，并利用两个扭簧61B、62B以上述方式固定至测量管10。为了制造两个减震器子单元61、62，实质上可以使用与适于测量管10的材料相同的材料，即，例如特种钢。
在本发明的另一实施例中，如图7a和7b示意性示出的，两个减震器子单元61、62以悬臂的形式形成并且这样设置在转换器中，使得入口侧减震器子单元的质心M61和出口侧减震器子单元的质心M62与测量管10相隔，特别地与测量管对齐。以这种方式，在各自固定点处，即，在入口端11#和出口端12#，离开中心地即不在相关联的质心M61和M62处施加的惯量的质量力矩可以利用两个减震器子单元61、62而得到。这对于测量管10如上所述以弯曲模式振动的情况特别具有优点，横向作用的惯性力可以至少被部分平衡，特别参见本申请人的国际专利申请PCT/EP02/02157，其在本申请的申请日之前尚未公开。
根据本发明的进一步发展，为了进一步将对于测量管10的干扰效应最小化，扭转振动减震器60包括基本平行于测量管10延伸的防振器20。相反地，利用防振器20进一步减少扭转振动能量到连接管的损失。
防振器20可以为管状，如图2和3示意性所示；并且防振器20可以在入口端11#和出口端12#连接至测量管10以与测量管10基本同轴，如图3所示。适于防振器20的材料实质上与用于测量管10的材料相同，即，特种钢、钛等。
在本发明的这个发展中，如图2所示，激励装置40被具有优点地这样设计并放置在转换器中，以同时，特别是差动地，作用于测量管10和防振器20。为此，在图4所示的实施例中，激励装置40至少具有第一激励线圈41a，其在工作中至少间歇地通过激励电流或部分激励电流，并且其固定于连接至测量管10的杠杆41c，并且经由杠杆41c和固定至防振器20外部的电枢41b差动地作用于测量管10和防振器20。这种设置的一个优点是，防振器20的横截面以及因此转换器外壳100的横截面被保持得小，同时激励线圈41a易于接近，特别是在组装期间。这个激励装置40的设计的另一优点是，所用的任何杯形磁心41d都可以固定至防振器20并且因此对于测量管10的谐振频率基本没有影响，这些杯形磁心41d特别地并不是重量可忽略的并且具有大于80mm的额定直径。然而，在这一点上应当注意，如果需要，也有可能将激励线圈41a固定至防振器20，并且将电枢41b固定至测量管10。
相应地，传感器装置50可以这样被设计并放置在转换器中，以差动地检测测量管10和防振器20的振动。在图5所示的实施例中，传感器装置50包括传感器线圈51a，其在传感器装置50的所有惯量主轴T2之外固定至测量管10。传感器线圈51a尽可能靠近固定至防振器20的电枢51b，并且以这样的方式磁耦合至该电枢，使得在传感器线圈中感应出可变测量电压，该电压受测量管10和防振器20之间的旋转和/或横向相对运动的影响。在线圈51a以这种方式放置的情况，上述扭转振动和可选的激励弯曲振动都可以以有利的方式同时检测。然而，如果需要，还有可能将传感器线圈51a固定至防振器20，并且将耦合至传感器线圈51a的电枢51b固定至测量管10。
对于上述在工作中测量管10额外被激励进入弯曲振动的情况，防振器20还可以用于对于特定的流体密度值(例如，在转换器工作期间最常出现的值或者临界值)，将转换器动态平衡到振动的测量管10中可能产生的任何横向力都被基本上间歇地完全平衡的点，使得测量管10实际上不离开其静态静止点，参见图7a和7b。相应地，如图7b所示，防振器20在工作中也被激励进入与测量管10的弯曲振动基本共面的弯曲振动。
在本发明的另一实施例中，扭转振动减震器60的最低扭转谐振频率不大于测量管10的扭转谐振频率的1.2倍。在本发明的再一实施例中，扭转振动减震器的最低扭转谐振频率不小于测量管10的扭转谐振频率的0.8倍。
在本发明的再一实施例中，防振器20具有最低扭转谐振频率f20，其与减震器子单元61、62的各个扭转谐振频率f61、f62不同。可以选择防振器20的扭转谐振频率f20基本等于测量管10在工作中被激励的扭转频率fexcT。这使得测量管10和防振器20相互异相扭转振动，即，基本反相扭转振动。至少对于这种情况，防振器20具有优点地具有与测量管10相似或相等的扭转刚性或扭转弹性。然而，还证明了如果两个减震器子单元61、62各自的扭转谐振频率f61、f62被选择为基本等于扭转频率fexcT，也是具有优点的。对于该情况，防振器20的扭转谐振频率f20将具有优点地选择为低于或高于期望的扭转振动fexcT。
如果需要，防振器20还可以为多部件结构，例如US-A 59 69 265，EP-A 317 340或WO-A 00 14 485所示，或者实施为在测量管10的入口侧和出口侧固定至测量管10的两个分离防振器，参见图6。特别对于用作内部支撑系统的防振器20由入口侧和出口侧防振器子单元形成的情况，外部支撑系统100也可以是两部件结构，由入口侧和出口侧子系统构成，参见图6。
根据本发明的进一步发展，如图3所示，提供固定至测量管10的配重体101、102，其允许扭转谐振频率的精确设置并且从而提供了对于信号处理电路的匹配。配重体101、102可以是例如在测量管10上滑动的金属环或者固定至测量管10的金属板。
根据本发明的另一发展，如图3示意性示出的，在防振器20中提供槽201、202，使得有可能以简单的方式精确设置防振器的扭转谐振频率，特别是通过降低防振器的扭转刚性而降低扭转谐振频率。尽管图2或3中的槽201、202被显示为基本沿纵轴L的方向均匀分布，但是如果需要，它们也沿这个轴的方向不均匀分布。
正如从上述解释中显而易见的，根据本发明的转换器的特征在于许多可能的设置，它们使得本领域技术人员，特别是根据外部和内部安装尺寸的规格，实现在测量管10和防振器20中产生的扭转力的高质量平衡，并且因而将扭转振动能量到转换器的环境的损失最小化。
尽管已经在附图和前面的说明中详细描述并说明了本发明，但是这种描述和说明应当认为是解释性的而非限定性的，应当理解，仅显示并说明了示例性实施例，并且所有落在这里所述本发明的精神和范围之内的改变和修改都应受到保护。
权利要求
1.一种用于管道中流动的流体的振动转换器，该转换器包括-用于引导流体的测量管(10)，所述测量管在工作中以可预定的测量管振动频率振动，--其中测量管(10)经由终止于测量管(10)的入口端(11#)的入口管段(11)和终止于测量管(10)的出口端(12#)的出口管段(12)与所述管道相通；-作用于测量管(10)用于振动该测量管(10)的激励装置(40)，--特别地为了在流体中产生剪切力，在工作中测量管(10)至少间歇地以瞬时扭转振动频率fexcT执行围绕测量管纵轴的扭转振动；-用于检测测量管(10)的振动的传感器装置(50)；以及-固定至测量管(10)的扭转振动减震器(60)，其在工作中至少部分地与扭转振动的测量管(10)异相振动。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中振动的扭转振动减震器(60)仅由振动的测量管(10)驱动。
3.根据权利要求1或2所述的转换器，其中扭转振动减震器(60)在入口侧和出口侧固定至测量管(10)。
4.根据前述任一权利要求所述的转换器，其中扭转振动减震器(60)的扭转固有频率大于测量管的振动频率的0.8倍。
5.根据前述任一权利要求所述的转换器，其中扭转振动减震器(60)的扭转固有频率小于测量管的振动频率的1.2倍。
6.根据前述任一权利要求所述的转换器，其中扭转振动减震器(60)由入口侧减震器子单元(61A、61B)和出口侧减震器子单元(62A、62B)形成。
7.根据前述任一权利要求所述的转换器，其中各个减震器子单元(61、62)的扭转谐振频率f61、f62基本等于测量管(10)在工作中被激励的扭转频率。
8.根据前述任一权利要求所述的转换器，其中转换器包括在入口和出口侧固定至测量管(10)的转换器外壳(100)。
9.根据前述任一权利要求所述的转换器，其中在测量管(10)上提供附加质量(101、102)。
10.根据前述任一权利要求所述的转换器，其中转换器包括在入口端和出口端固定至测量管(10)的防振器(20)，特别地包括与测量管(10)同轴的防振器(20)。
11.根据权利要求10所述的转换器，其中在防振器(20)中形成槽(201、202)。
12.根据权利要求10或11所述的转换器，其中选择防振器(20)的扭转谐振频率基本等于测量管(10)在工作中被激励的扭转振动频率。
全文摘要
为了引导流体，转换器包括测量管(10)，该测量管(10)在工作中振动并且由激励装置(40)驱动。在管的入口侧和出口侧的振动由传感器装置(50)检测。为了在流体中产生剪切力，测量管(10)在工作中至少间歇地被激励，以产生围绕虚拟的测量管纵轴(L)的扭转振动。所述转换器还包括扭转振动减震器(60)，其固定至测量管(10)并且在工作期间与扭转振动的测量管(10)一同振动。这样，产生的相反扭矩至少部分补偿了在振动的测量管(10)中产生的扭转扭矩。所述转换器的特征在于，即使在流体密度或粘度变化的情况，也能在工作中在很大程度上被动态平衡。
文档编号G01N9/00GK1653316SQ03810433
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月7日 优先权日2002年5月8日
发明者沃尔夫冈·德拉姆, 阿尔弗雷德·里德 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司