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专利名称：用于科里奥利力流量计的力平衡的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及科里奥利力流量计的力平衡。
背景技术：
导管传感器振动例如例如科里奥利力流量计通常借助检测包含物料的导管的振动运动来工作。借助处理来自与导管结合的运动变换器的信号可确定与导管中的的物料相关的特性例如导管中的质量流量、密度等，这是因为充满物料的振动系统的振动模式通常受到导管和包含在其中的物料的组合质量、硬度、和阻尼特性的影响。
典型的科里奥利力流量计包括一个或多个在管道或者其它输送系统中串联连接的导管，其在该系统中传输例如流体、浆体等物料。每一导管可视为具有一组固有振动模式，例如包括简单弯曲、扭转、径向和耦合模式。在典型的科里奥利力流量测量应用中，当物料流经导管时，导管在一个或多个模式中受到激励，并且沿导管在间隔开的位置处测量导管的运动。通常由例如机电器件诸如音圈式驱动器的促动器来提供激励，其以周期性方式扰动该导管。质量流率可通过测量在变换器位置的运动之间的时间延迟或相位差来确定。
时间延迟的强度是非常小的；并且通常在毫微秒内测量。因此，必需获得输出非常准确的变换器。由于计量结构中的或来自由外力引起的振动导致的非线性和不对称性，可降低变换器的准确度。例如，具有不平衡部件的科里奥利力流量计使得其壳体、法兰、和管道以计量器的驱动频率发生振动。这种振动以一定程度干扰时间延迟信号，该程度取决于安装的刚性。由于安装的刚性基本上的未知的并且随时间和温度改变，因此不平衡的部件的影响不能补偿，并且明显地影响计量性能。可通过使用平衡的流量计结构并且可通过使用信号处理技术来补偿不希望的运动分量，从而减小这些不平衡的振动和不同安装的影响。
上述的平衡的振动涉及仅一个方向的振动Z方向。Z方向是导管在振动时位移的方向。包括沿管道的X方向以及垂直X方向和Z方向的其它方向是没有经过平衡的。这种基准坐标系统是重要的，这是因为科里奥利力流量计沿Y方向产生第二正弦分布力。该力产生沿Y方向的流量计振动，这是没有经过平衡的且导致出现计量误差。
该第二力的一个源在于计量驱动器组件的质心位置。典型的驱动器组件由固定到一个导管上的磁体和固定到另一导管上的导电线材线圈构成。Y振动是由于驱动器磁体的重心和驱动器线圈的重心不位于流动导管的中心线的相应的X-Y平面上。多个X-Y平面必需间隔开以便导管之间不彼此干扰。磁体和/或线圈的重心偏离它们的平面，这是因为线圈必需与处于磁场中的最佳位置的磁体的端部同心。
当流动导管受到驱动而振动时，导管实际上不平移而是围绕其固定位置圆形地弯曲。该弯曲可大致近似为围绕固定点旋转。该振动随后被视为围绕其旋转中心CR圆形地旋转经过一小角度。该角度振动幅度是由沿Z方向的所需的振动幅度和离开在驱动器位置处导管中心的旋转中心的距离d来确定的。该振动角度幅度Δθ是由以下等式确定的Δθ＝arctan(ΔZ/d)(1)该驱动器部件(磁体或线圈组件)的重心离开导管中心线的偏离导致该驱动器部件重心具有其Y振动分量。驱动器部件质量通常沿Z方向偏离，该偏离至少等于导管半径。离开导管中心线的角度偏离Φ是不能忽略的。该驱动器部件质量围绕其偏离位置以与该流动导管相同的角度幅度Δθ进行振荡。使得驱动器的质量的运动近似为垂直于驱动器重心与旋转中心CR之间的连线，通过以下等式可获得驱动器质量Y方向运动ΔYmΔYm＝ΔZsin(Φ) (2)该驱动器部件质量的Y方向运动导致整个流量计沿Y方向振动。动量守恒使得，对于自由悬伸的一流量计而言，整个流量计的Y方向振动等于驱动器质量的Y方向振动幅度乘以驱动器质量除以流量计质量的比率。整个流量计的Y方向振动是沿Z方向的所需导管振动与驱动器部件的重心的角度偏离相结合的直接结果。所希望的导管振动与不希望的整个流量计的Y方向振动的这种结合意味着该流量计的Y方向振动的阻尼使得流动导管沿Z方向的振动被阻尼，并且硬的流量计安装使得导管频率增大，而软的流量计安装使得导管频率减小。在高的Y振动幅度的流量计中，可观察到借助安装刚度可改变导管频率。这存在问题，这是因为导管频率用于确定流体密度，并且频率还代表导管刚度。由于安装刚度引起的导管刚度的改变还使得流量计的校准因数改变。驱动振动与局部环境的直接耦合还导致不稳定的流量计的零点(当没有流动时的流动信号)。

发明内容
通过使用尺寸和位置确定成便于衡消驱动系统的平衡系统，本发明有助于解决与不平衡的振动力相关的问题。
平衡系统的一些示例包括设置流动导管与驱动部件相反的侧面上的Y-平衡质量。该平衡质量的尺寸和位置如此确定，即，使得驱动器和Y-平衡质量的组合重心位于流动导管的中心线的平面上。
在一些示例重，称为有效的y-平衡配重的平衡装置这样的质量形成，其连接到片簧的一端上，另一端装接到靠近驱动器的流动导管上。有效的y-平衡配重可在一个或两个导管上使用，这取决于磁体和线圈的重心位置以及流量计结构的类型(即单导管或双导管)。
借助Z方向的导管运动以便沿Y方向移动有效的y-平衡配重，由此使得该有效的y-平衡配重起作用。有效的y-平衡配重的Y方向动量设计成使得驱动部件的Y方向的动量平衡，由此防止壳体和环境振动。借助等同的原理，还可使得流量计免受环境振动和阻尼的影响。
依据本发明的一方面，提供了一种科里奥利力流量计，其包括至少一个流动导管；与该至少一个流动导管连接的驱动器系统；与该至少一个流动导管连接的平衡系统；其中，该平衡系统的尺寸和位置如此确定，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的动量相等且相反。
优选的是，该平衡系统包括平衡质量。
优选的是，该平衡系统的尺寸和位置如此确定，即，使得驱动器系统和平衡系统的组合重心靠近该至少一个流动导管的中心线的平面。
优选的是，该平衡系统包括借助片簧与该至少一个流动导管连接的平衡质量。
优选的是，该片簧的刚度和该平衡质量使得该平衡系统的固有频率低于该流量计的驱动频率。
优选的是，该平衡系统的振动与该至少一个流动导管不同相。
优选的是，该平衡系统位于该至少一个流动导管与该驱动器部件相反的侧面上，并且定向成与该流动导管的平面成大致45度。
优选的是，该平衡系统位于该至少一个流动导管与该驱动器部件相反的侧面上。
优选的是，该平衡系统的尺寸和位置如此确定，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的沿垂直于驱动运动的方向的动量相等且相反。
依据本发明的另一方面，提供了一种使得具有至少一个流动导管的科里奥利力流量计力平衡的方法，该方法包括以下步骤使得驱动系统与该至少一个流动导管连接；使得平衡系统与该至少一个流动导管连接；和如此确定该平衡系统的尺寸和位置，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的动量相等且相反。
优选的是，该方法包括使用平衡质量来形成该平衡系统的步骤。
优选的是，该方法还包括如此确定该平衡系统的尺寸和位置的步骤，即，使得驱动器系统和平衡系统的组合重心靠近该至少一个流动导管的中心线的平面。
优选的是，使得平衡系统与该至少一个流动导管连接的步骤包括使用片簧将平衡质量与该至少一个流动导管连接的步骤。
优选的是，该方法包括如此选择该片簧的刚度和该平衡质量的步骤，即，使得该平衡系统的固有频率低于该流量计的驱动频率。
优选的是，该方法包括使得该平衡系统与该至少一个流动导管不同相地振动的步骤。
优选的是，该平衡系统的定位步骤包括以下步骤将该平衡系统定位在该至少一个流动导管与该驱动器系统相反的侧面上；并且将该平衡系统定向成与该流动导管的平面成大致45度。
优选的是，该方法包括将该平衡系统定位在该至少一个流动导管与该驱动器系统相反的侧面上的步骤。
优选的是，该平衡系统的尺寸和位置的确定步骤包括，如此确定该平衡系统的尺寸和位置，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的沿垂直于驱动运动的方向的动量相等且相反。


图1示出了科里奥利力流量计；图2示出了科里奥利力流量计的驱动器；图3示出了科里奥利力流量计的流动导管的X轴截面图；图4示出了本发明的第一示例的平衡系统；和图5示出了本发明的另一示例的平衡系统。
具体实施例方式
图1-5和以下的详细描述示出了本发明的特定实施例，以便使得本领域的普通技术人员可实施本发明的最佳实施例。为了教示本发明的原理，一些常规的部分的描述被简化或省去了。本领域的普通技术人员应当理解在本发明的范围内可进行对于这些示例的变型。本领域的普通技术人员应当理解，在此描述的特征可按不同方式进行组合，以便形成本发明的多个变型。因此，本发明不限于在此描述的特定实施例，本发明仅由权利要求及其等效形式来限定。
图1示出了包括流量计组件10和计量电子装置20的科里奥利力流量计5。计量电子装置20借助导线100与流量计组件10连接，以便经路径26提供密度、质量流率、体积流率、总流量、温度和其它信息。本领域的普通技术人员应当理解，本发明可应用于任何类型的科里奥利力流量计，这与驱动器的数量、拾取传感器、流动导管、或振动操作模式无关。
流量计组件10包括一对法兰101、101’；歧管102、102’；驱动器104；拾取传感器105、105’；和流动导管103A、103B。驱动器104和拾取传感器105、105’与流动导管103A、103B连接。
法兰101、101’固定到歧管102、102’上。歧管102、102’固定到间隔器106的相反端上。间隔器106保持歧管102和102’之间的空间，以便防止在流动导管103A、103B中的不希望的振动。当流量计组件10插入到携带被测量的物料的管道系统(未示出)中时，物料经法兰101进入流量计组件10，流经入口歧管102，在该处物料的总量被引导进入流动导管103A、103B，流经流动导管103A、103B并返回到出口歧管102’，在该处物料经法兰101’离开流量计组件10。
流动导管103A、103B被选择且适当安装到入口歧管102和出口歧管102’上，以便分别围绕弯曲轴W-W和W’-W’获得大致相同的质量分布、转动惯量、弹性模量。流动导管从歧管以大致平行的方式向外延伸。
流动导管103A、103B由驱动器104沿围绕其相应的弯曲轴W和W’来驱动，并且其被称为流量计的第一弯曲模式。驱动器104可包括多个公知结构中的一种，例如磁体安装到流动导管103A上，相对的线圈安装到流动导管103B上。交流电流经该相对的线圈以便使得两个导管振荡。适当的驱动信号由计量电子装置20经由驱动器104的导线110来施加。图1的描述仅仅是科里奥利力流量计的操作的示例，并不旨在限制本发明的范围。
计量电子装置20分别传输在导线111、111’上的传感器信号。计量电子装置20在导线110上产生驱动器信号，这使得驱动器104导致流动导管103A、103B振荡。计量电子装置20处理来自拾取传感器105、105’的左和右速率信号，以便计算质量流率。路径26提供输入和输出装置，以便计量电子装置20与操作者界面连接。
图2示出了用于科里奥利力流量计5的优选实施例的驱动器系统104。在优选实施例中，驱动器104是线圈和磁体组件。本领域的普通技术人员可注意到，可使用其它类型的驱动器系统。
驱动器104具有磁体组件210和线圈组件220。支架211沿相反方向从磁体组件210和线圈组件220向外延伸。支架211是从平基部向外延伸的翼片，并且在底边上具有大致弯曲的边缘290，其形成用于接纳流动导管103A、103B。支架211的弯曲边缘290随后焊接或以其它方式固定到流动导管103A、103B上，以便使得驱动器104与科里奥利力流量计5装接在一起。
磁体组件210具有作为基部的磁体保持器202。支架211从磁体保持器202的第一侧延伸。壁213、214从磁体保持器202的第二侧的外边缘向外延伸。壁213、214控制磁体203的垂直于线圈204的绕组的磁场的方向。
磁体203是大致柱形的磁体，其具有第一和第二端。磁体203装配到(未示出的)磁体套筒中。磁体套筒和磁体203固定到磁体保持器202的第二表面上，以便将磁体203固定到磁体组件210中。磁体203通常具有固定到其第二侧上的棒(未示出)。(未示出的)磁体棒是装配到磁体203的第二端的盖，以便将磁场引导到线圈204中。
线圈组件220包括线圈204和线圈绕线筒205。线圈绕线筒205固定到支架211上。线圈绕线筒205具有从第一表面突伸的线筒，线圈204围绕其进行盘绕。线圈204安装到线圈绕线筒205上以便面对磁体203。线圈204与导线110连接，其向线圈204施加交流电。交流电使得线圈204和磁体203彼此吸引和排斥，这又导致流动导管103A、103B沿彼此相反的方向振荡。
图3示出了流动导管103的X轴截面图。流动导管103安装在其驱动器104上。驱动器104偏离流动导管103以离开Φ。流动导管103沿Z方向以幅度ΔZ移动。当流动导管103沿Z方向平移时，其固定位置使得其围绕其旋转中心CR旋转，这导致角度幅度Δθ。驱动器104及其重心CM以与流动导管103相同的角度幅度Δθ旋转。然而，由于偏离角度Φ，驱动器部件重心CM在线L附近上下振荡。这导致驱动器部件重心CM的垂直运动ΔYm。
图4示出了本发明的第一示例的平衡系统400。平衡系统400包括与流动导管103A、103B连接的平衡配重401、402。平衡配重401、402的连接可借助使用不同的方法来实现，其中包括机械连接、焊接、或胶粘。平衡配重401具有重心CMb1。平衡配重401的尺寸和位置如此确定，即，其重心CMb1与线圈组件重心CMc组合从而导致形成一组合重心CCM1，其位于导管103A的X-Y平面上。另外，平衡配重402具有重心CMb2。平衡配重402的尺寸和位置如此确定，即，其重心CMb2与磁体组件重心CMm组合从而导致形成一组合重心CCM2，其位于导管103B的X-Y平面上。平衡配重的特定作用在于，质量乘以平衡配重的速度等于质量乘以沿Y方向的驱动器组件的速度，且与之相反，对于每一流动导管如下所示(M*VY)BW+(M*VY)DA＝0 (3)换言之，平衡配重的动量抵消了装接到特定导管上的驱动器组件的动量，如下所示(MBW)Y+(MDA)Y＝0 (4)图5示出了本发明的另一示例中的平衡系统500。平衡系统500包括使用片簧504、505从而与流动导管103A、103B连接的平衡配重501、502。片簧504定向成与X-Y平面成大致45度并连接到流动导管的与线圈组件220相反的侧面上。片簧504的刚度和平衡配重501的质量如此选择，即，在其第一振动模式(跳板模式)中有效的y配重的固有频率低于流量计的驱动频率。由于该固有频率低于激励(驱动)频率，平衡配重501趋向于与流动导管103A不同相地移动。因此，当流动导管103A向左(-Z方向)移动时，有效的y平衡配重501相对于导管向右(+Z方向)移动。但是，由于片簧504相对于X-Y平面的角度，配重501由片簧504限制成向右且向下(+Z且-Y)移动。这是有利的，这是因为当流动导管103A向左移动时，偏离的线圈组件220向左且向上移动(+Z且+Y)。通过设计质量和弹性比率，使得有效的y配重的Y方向动量等于偏离的驱动器部件的Y方向动量，且与其相反，从而可基本上消除整个流量计的外部Y方向振动。对于导管103B可使用相同的设计原理。
该第二示例具有附加优点。由于配重501和502从流动导管103A、103B借助片簧504、505悬伸，因此它们与流动导管103A、103B不同相地振动，这导致其与流动导管103A、103B耦合的质量非常非常的小。
以上的示例不限于补偿驱动器质量偏离。例如，由于导管力导致的歧管铸造件的变形可导致流量计法兰沿Y方向振动。如果该法兰振动与驱动器质量偏离引起的振动是同相的，则可增加平衡质量以便补偿由于歧管变形引起的额外振动。相同的，如果由于歧管变形引起的法兰振动与驱动器质量偏离引起的振动是不同相的，可减小平衡质量。
权利要求
1.一种科里奥利力流量计，其包括至少一个流动导管；与该至少一个流动导管连接的驱动器系统；与该至少一个流动导管连接的平衡系统；其中，该平衡系统的尺寸和位置如此确定，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的动量相等且相反。
2.如权利要求1所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该平衡系统包括平衡质量。
3.如权利要求1所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该平衡系统的尺寸和位置如此确定，即，使得驱动器系统和平衡系统的组合重心靠近该至少一个流动导管的中心线的平面。
4.如权利要求1所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该平衡系统包括借助片簧与该至少一个流动导管连接的平衡质量。
5.如权利要求4所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该片簧的刚度和该平衡质量使得该平衡系统的固有频率低于该流量计的驱动频率。
6.如权利要求1所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该平衡系统的振动与该至少一个流动导管不同相。
7.如权利要求1所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该平衡系统位于该至少一个流动导管与该驱动器部件相反的侧面上，并且定向成与该流动导管的平面成大致45度。
8.如权利要求1所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该平衡系统位于该至少一个流动导管与该驱动器部件相反的侧面上。
9.如权利要求1所述的科里奥利力流量计，其特征在于，该平衡系统的尺寸和位置如此确定，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的沿垂直于驱动运动的方向的动量相等且相反。
10.一种使得具有至少一个流动导管的科里奥利力流量计力平衡的方法，该方法包括以下步骤使得驱动系统与该至少一个流动导管连接；使得平衡系统与该至少一个流动导管连接；和如此确定该平衡系统的尺寸和位置，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的动量相等且相反。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括使用平衡质量来形成该平衡系统的步骤。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括如此确定该平衡系统的尺寸和位置的步骤，即，使得驱动器系统和平衡系统的组合重心靠近该至少一个流动导管的中心线的平面。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使得平衡系统与该至少一个流动导管连接的步骤包括使用片簧将平衡质量与该至少一个流动导管连接的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括如此选择该片簧的刚度和该平衡质量的步骤，即，使得该平衡系统的固有频率低于该流量计的驱动频率。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括使得该平衡系统与该至少一个流动导管不同相地振动的步骤。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该平衡系统的定位步骤包括以下步骤将该平衡系统定位在该至少一个流动导管与该驱动器系统相反的侧面上；并且将该平衡系统定向成与该流动导管的平面成大致45度。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括将该平衡系统定位在该至少一个流动导管与该驱动器系统相反的侧面上的步骤。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该平衡系统的尺寸和位置的确定步骤包括，如此确定该平衡系统的尺寸和位置，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的沿垂直于驱动运动的方向的动量相等且相反。
全文摘要
一种科里奥利力流量计，其包括至少一个流动导管；与该至少一个流动导管连接的驱动器系统；与该至少一个流动导管连接的平衡系统；其中，该平衡系统的尺寸和位置如此确定，即，使得该平衡系统的动量与该驱动系统的动量相等且相反。
文档编号G01F1/84GK1764827SQ03826327
公开日2006年4月26日 申请日期2003年4月17日 优先权日2003年4月17日
发明者C·B·范克莱维 申请人:微动公司