专利名称：科里奥利式质流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及按科里奥利原理工作的质流传感器，它包括被测液体流经的作为振动体的一个直型计量管。
本申请人所有的美国专利4,793,191陈述了可通过法兰安装于给定直径的管道中的质流传感器，这种安装法是使得传感器与被计量的液体所流经的上述管道成一条线。
-具有一个输入管和一个输出管，-这些管用来连接该质流传感器与管道，-具有一个输入歧管(outletmanifold)和一个输出歧管，-具有一个外部支撑管，-其末端分别固定在输入管和输出管上，-具有两个环状膜片，-输入管和输出管通过这两膜片分别连接到输入歧管与输出歧管上，-具有两个平行的相同内径和相同壁厚的直型计量管，每一计量管其两端分别固定在输入歧管与输出歧管中，以及-具有激励计量管对抗共振的装置。
而且，本申请人所有的美国专利4,949,583陈述了具有单一直型计量管的质流传感器，该计量管被激励在其横截面作压需动振动。
具有两个直型计量管以弹簧方式作振动按上述原理工作的质流传感器在实践中证明是有效的。然而由于各种原因，例如由于该质流传感器对来自管道的振动的敏感性，或由于计量的结果与液压的相关性，而膜片不能做成任意柔软的，必须有一最小刚度，于是上述影响不能被完全抑制。
此外，由于液体中温度的变化造成质流传感器中不均匀的温度分布，而在振动的直型计量管中和膜片中引起应力。如果这种应力达到膜片屈服点以上的数值，则会引起不可逆的塑性变型，这会引发振动系统特性的改变，于是就要对质流传感器进行重新校准。
如进一步的先有技术所显示，长时间以来专家们为解决这些问题而努力。例如，EP-A437919，描述了按科里奥利工作并形成剂量机构一部分的质流传感器。
-该传感器可以法兰安装在给定直径的被测流体流经的管道之中，-具有弯曲的延伸在法兰之间的并由流体穿过的计量管，-具有与计量管平行延伸而流体不通过的弯曲的傀管，-计量管和傀管(dummy tube)夹持在一内部的支架上，-具有一外部支架，以及-其作用仅在于激励该计量管使之共振的装置。
在这一先有技术的质流传感器中，傀管的作用是作为反共振器，从而得到了由计量管，反共振器和内部支架构成的已调谐内部振动系统。其尺寸是事先通过有限元方法计算好的。可是，由于振动系统的共振特性基本上与流体的类型及流体当时的温度和密度有关，因而显然对于每种流体要分别作计算，于是得到不同的结果，从而得到不同的尺寸。对于要计量许多不同类型的流体的通用质流传感器，EP-A437919实际是不适用的。
DE-A4143361描述了一种按科里奥利原理工作的质流传感器-该传感器可由法兰装在给定直径的管道之中而使得与被计量的流体流经的上述管道轴向共线，-具有单一直型，或基本为直型的计量管延伸在法兰之间并由流体流过，-具有一支撑管，其端头分别固定在法兰上，-具有一补偿筒，其中计量管固定在支撑管内，并且补偿筒不与该支撑管接触，-具有安置在计量管与补偿筒之间的用于激励计量管共振的装置，以及-具有装在计量管上的质体以便影响其自然频率。
在这一先有技术的质流传感器中，计量管是这样安装在补偿筒之中的，使得在正常的流体温度之下是处于张力之中的。当温度上升时，该张力由于补偿筒与计量管的膨胀系数不同而降低，当温度进一步升高时，张力变为压力。因而温度上限与无预应张力的计量管比较是可增加的。
从上述对比文献的第一个即美国专利4,793,191出发，本发明的目的是要提供一种装有两个直型管的质流传感器，但其中歧管，从而膜片可不一同配置，并且其中在计量管上不必要补偿质体。但是尽可能没有振动从计量管传递到支架上。于是，其于应用膜片的美国专利4,793,191的质流传感器性质被保留，但这是以另一种方式实现的。
于是，本发明在于提供一种按科里奥利原理工作的质流传感器-该传感器可通过法兰装在给定直径的管道中，使得与被测液流所流经的上述管道同轴共线，-具有直型计量管延伸在法兰之间并由流体穿过，-具有平行于计量管而延伸的傀管，但流体不穿过，-在输入侧有一结点板，并且在输出侧有一结点板，-这些结点板之一将计量管的输入侧端部分固定在相对应的傀管末端，以及-其中另一结点板将计量管的输出侧末端部分固定到傀管对应的末端，于是计量管与傀管是并排配置的，-具有一个支撑管，其末端分别固定在法兰上，以及-具有仅对傀管起作用的装置，以及激励计量管的共振。
在本发明的一较佳实施例中，傀管是同轴地围绕计量管的。在本发明的另一实施例中，傀管的端头是固定在两个结点板上的从而是封闭的，最好是真空的。
在本发明的另一实施例中，傀管的共振频率可调节，使得傀管的振动与计量管的振动之间的相位关系可以是180°或尽可能接近这一数值。
在本发明的又一实施例中，用于激励共振的装置包括一个电磁装置和一个驱动电路，-具有的电磁系统包括-围绕傀管的软磁性材料的套管，-具有第一U形磁芯和第一线圈的第一电磁铁，以及-具有第二U形磁芯和第二线圈的第二电磁铁，-上述电磁铁的位置相对于该套管彼此径向相对，以及-具有产生迭加于直流电流上的交流电流的驱动器电路-通过向相位比较器的第一输入端施加表示计量管的信号，-通过向相位比较器的第二输入端施加由一可调移相器所产生自表示傀管振动的信号的信号，并且-通过对相位比较器输出的积分，-将可调移相器调至在支撑管处仅可探测到最小的振动，以及-通过锁相回路相应计量管的频率而调节交流电流。本发明的又一实施例中，用于激励共振的装置包括一电磁装置和一驱动电路，-该电磁装置包括-围绕傀管的软磁性材料的套管，-具有第一U形磁芯和第一线圈的第一电磁铁，以及-具有第二U形磁芯和第二线圈的第二电磁铁，-这些电磁铁相对于该套管彼此径向相对配置，以及-具有向第一电磁铁施加驱动信号正半波和向第二电磁铁施加该信号的负半波的驱动电路，-该驱动信号是移相器的输出信号-其信号输入是以表示计量管振动的信号提供的，以及-其控制输入是以相位比较器被积分的输出信号所提供的，-其输入之一是以计量管振动表示信号提供的，以及-其另一输入是以傀管的振动经由可调移相器的表示信号提供的，-移相器被调节至在支撑管处最小的振动亦可控测到。
本发明的又一实施例中，用于激励共振的装置包括一电磁装置和一驱动电路，-该电磁装置包括-围绕傀管的软磁性材料，-具有第一U形磁芯和第一线圈的第一电磁铁，以及-具有第二U形磁芯和第二线圈的第二电磁线，以及
-相对于该套管这两电磁铁径向彼此相对配置，并且-具有向第一电磁铁施加驱动信号正半波并向第二电磁铁施加该驱动信号负半波的驱动电路，-该驱动信号是压控振荡器的输出信号，-其控制输入是由相位比较器被积分了的输出信号所提供，-其一个输入是由表示计量管振动的信号所提供，以及-其另一输入是经由一可调移相器由表示傀管振动的信号所提供，-该移相器调节至使在支撑管处可探测仅最小振动。
在本发明的此三个电路实施例中，可调移相器可由用于计量支撑管的加速度的传感器所代替，而相位比较器可由乘法器代替。
在本发明的最后一个实施例中，液体的粘滞性可由计量管和傀管的振动幅度来确定。
以下将参照附图对本发明进行详细说明，这些图是机械部分与各驱动电路实施例的图示。
图1是基于本发明的质流传感器机械部分乘直纵向剖面；图2是基于本发明的质流传感器机械部分的一个实施例的垂直纵向剖面；图3表示用于激励傀管的电磁装置简图；图4是图3电磁装置的第一驱动器电路部分的框图；图5是图3电磁装置的第二驱动器电路部分的框图6是图3的电磁装置第三驱动器电路部分的框图；图7是图3的电磁装置的驱动器电路进一步发展部分的框图；图8是用于计量液体粘滞性的电路的框图。
图1d中纵向剖面中以及沿图1a的A-A线所取的横向剖面中的图1b里所示的质流传感器10的机械部分可通过法兰11，12安装到被计量的液体所流经的给定直径的管道中，为简化说明未示出该液体。该机械部分具有直型计量管13，该计量管其端头分别固定在法兰11与12上。
还装有一直型傀管14，该傀管平行于计量管延伸，但无液体流过，该管可被封闭并宜抽为真空。代替傀管，也可装置一任意截面的，最好是柱形的，特别是圆柱形的实心杆。
傀管14通过输入侧的结盘15和输出侧的结盘16与计量管13相连接，结盘15将计量管13的输入端部分固定到傀管14对应的一端部分，将计量管13的输出端部分固定到傀管14的对应端部分，从而使得计量管与傀管14并排装置。
图1表示了这一固定方式的较佳变形，即傀管14的两端分别顶在结盘15，16中，其中它们被紧固在一起，特别是真空紧固，例如焊接或熔接。
法兰11，12固定在支撑管17之中，支撑管中装有两个传感元件18，19，通过这两个元件，计量管13的振动可被转换为电计量信号。这些传感元件例如可以是美国专利4,801,897中所述的光电传感器，或例如EP-A83144中所说明的电磁传感器。
在操作中，仅傀管14被以适当的器件激励到共振状态，该共振通过结盘15，16传送到计量管13，从而后者也被激励到共振态，该共振与傀管共振相对；因而彼此相对的计量管与傀管的部件彼此相向或相反地振动。
这些用于激励傀管共振的器件包括电磁驱动器装置20，该装置安装在两法兰之间中部傀管14上，驱动器的电子线路例如可以是美国专利4,801,897中所述的类型，它包括一个用于自动调节振动管的共振频率的锁相回路。
在运行中，计量管13的输入侧部分与该管输出侧部分的振动相位差通过传感元件18，19以及相关的评测电子电路来测定，这些电路从该相位差来判定流体的质流速率和/或从计量管13的振动频率来判定流体的粘滞性。用于上述光电子传感器的评测电子线路例如在刊物“Automatisierungstechnische Praxis atp”1988，NO.5页224-230上所述。
图2a中以纵剖面及图2b中以沿图2aB-B线 所取的横剖面所示的本发明之另一实施例的机械部分与图1实施例不同之点在于，计量管13’与傀管14’不是并排配置的而是彼此同轴的，计量13‘在内部，傀管必在外部。
其中结盘15’，16’也最好形成傀管14’的紧密的包封。特别适当的传感元件18’，19’如上述光学传感器，因为易于使得光信号穿过傀管14’的壁，例如在这个管壁中置入密封的透明材料窗口。
图2的配置中其他部件与图1相应的部件相同，因而可参见这些部件前面的说明。
结盘15，15’，16，16’除了如上述被固定到计量管和傀管之外，也可安装在支撑管17，17’上。
在图1a及2a的支撑管17上，最好在其中部装设传感元件59，用于计量各支撑管的加速度，这一传感器与以下参见图4至7所要说明的驱动电路相连接。
图3简略示出用于激励傀管14，14’的电磁装置30。该电磁装置30包括软磁材料(诸如软铁)套管31，该套管围绕在傀管周围。还装有带有第一U形铁芯33和第一线圈34的第一电磁铁32以及带有第二U形铁芯36和第二线圈37的第二电磁铁35。该两电磁铁32，35相对于套管31因而也就相对于傀管14，14’是彼此径向相对配置的。
图3中所示的X方向的力F(x)决定于流径线圈36，37线圈电流Is，以及空气间隙d，按以下方程计算F(x)＝0.5μ.Is2W2A〔1/(d-x)2-1/(d+x)2〕，其中μ.＝电介常数(＝1.256×10-8Vs/Acm)W＝线圈匝数A＝线圈电磁场所通过的截面，基本是U形两腿的端面积。
两线圈34，37交替地以来自驱动电路的交流电流i的半波供给，最好是正弦波电流。这一交流电流i与管子的振动之间的必须的90°相位领先程度是在该驱动电路中产生的。
为了保证计量管13，13’与傀管管14，14’彼此相对振动，即实际上的相位相反，以及保证没有振动传送到支撑管17，要有一直流电流I迭加到交流电流i上。于是线圈的电流Is为Ls＝irI通过迭加被调节的直流电流I，傀管4，14’的共振频率可被改变，因为直流电I会引起电磁装置30行为犹如一个张力可调的电弹簧。
为了简化计算，上述用于表达FPD的方程式可由如下的线性方程式所替代而不至引起显著的误差F’(x)＝0.5μ.Is2N2AKx，其中K为由具体的尺寸测量所得出的对尺“长度-3”不变的常数。
观察由直流电流I所引起的力的作用可以看到力的方向是与X偏移的方向重合的，而力的大小是与直流电流成正比的。对比之下，机械弹簧所产生的力是与其位移方向相反的。因而此处电弹簧的弹性常数Ge是负的。
为了确定必要的弹性常数Ce，应注意以下事实即电弹簧是与由可振动的傀管构成的具有弹性常数Gm的机械弹簧装置并连着的。
如果质量为m的傀管的共振频率要借助于电弹簧，即直流电流I改变频差sf，则Ce＝-〔Cm-4mπ2(fres-sf02〕为了提高电磁系统30的性能并改进其线性，各铁芯33，36至少部分地是永磁铁而产生一恒定磁通，于是对于各线圈34，37，该磁通可按电流Is与其方向而增减。
用于产生直流电流I的电路以框图形成示于图4之中。这一电路在此被视为产生交流电流i的上述驱动电路的一部分。
如图4所示，来自传感器18，18’或19，19’即表示计量管13，13’的振动的信号被施加于差动放大器41的非反相输入端。由电磁装置30的线圈34，37之所取得的电压，即表示傀管14，14’振动的信号施加于差动放大器42的非反相输入端。
两个差动放大器41，42的各反相输入端是接地的，最好是运算放大器的差动放大器41，42被加于它们的信号过驱动，于是其各输出提供了方波信号。
差动放大器41的输出连接到D触发器43’的D输入端，该触发器实现一个相位比较器43，差动放大器42的输出耦合到可调移相器48的输入，该移相器的输出供给到D触发器43’的时钟输出端。
D触发器43’的Q输出通过一高值电阻R连接到积分器44的输入端。积分器44由差动放大器44’和从输出端到该差动放大器的非反相输入端的反馈通路中的电容器C所构成，该非反相输入端也是积分器44的输入器。反向输入端是连接到DC参考电压U的。
积分器44的输出端耦合到第一功放级45的输入端并通过一模拟反相器46，例如一单位增益电压放大器，耦合到第二功放级47的输入端。该两个功放级45，47也是电压到电流的转换器，从而接有线圈34与37的它们的各输出端分别引起上述定义好的直流电流I流经各线圈而添加到交流电流i上。
替代取自电磁装置30表示傀管14，14’的振动的信号，可在傀管14，14’上安装一个振荡传感器(未示出)。
可调移相器48例如在质流传感器在车间中定刻度时被调节至实际上在支撑管17处检测不出振动为止，即直至这些振动已减至最小。
因为将支撑管的振动调至最小，计量管13，13’与傀管14，14’也以设定在可调移相器48的相位差Φ而振动。这一相位差归于结构参数并表示着装置的常数。
由于利用上述其作用犹如一个相位比较器的D触发器43’进行信号组合，于是在傀管14，14’与计量管13，13’之间可获得所希望的(180°-Φ)相位关系，于是显然地在D触发器43’的输出端的脉冲的持续时间决定了直流电流I的数值。
用于向线圈34，37供电的另一电路以框图形式示于图5之中。具有与图4中相同功能的部件的同样的标号标出，并不再加以说明。
替代图4中直流电流和交流电流i的迭加。这里所用的是驱动信号T的正半波和负半波；正半波施加于第一电磁铁32，而负半波加于第二电磁铁35。
驱动信号T是移相器49的输出信号，该移相器的输入信号连接到差功放大器41，从而是接收了表示计量管13，13’振动的信号。移相器49的控制输入由来自相位比较器43被积分了的输出信号所提供，即由来自D触发43’由积分器44所积分的输出信号提供。
二极管57，58反向平行连于移相器49与功放级45，47各输入端之间。于是功放级45只由移位器49的输出的正半波供电，而功放级47由负半波供电。
图5的驱动电路连同傀管是自激励的，即为产生交流电流i图4中所需锁相回路在图5中不是必须的。这一点除其他方面之外预示着在成本上也有优越性。
用于向线圈34，37供电的另一电路在图6中以框图形式表示出；这是图5的驱动电路的变形。与图5中具有相同功能的部件以相同的标号标出并不再作说明。
图6中，替代图4中直流电汉I与交流电流i的迭加也是使用了驱动器信号T’的正半波和负半波。驱动器信号不象是在图5中由移相器提供，而是由一个压控振荡器50提供，该振荡器的控制输入接收相位比较器43的被积分的输出信号，即被积分器44所积分的D触发43’的输出信号。
用于向线圈34，37供电的另一电路以框图的形式示于图7之中。图7是图5和图6驱动电路的发展。相应于图6中的部件在图7中以相同的部件标出，并不再作说明。
图4，图5与图6中的可调移相器48在图7中已由用于计量支撑管17加速度的传感元件59所代替，并且相位比较器43，包括D触发器43’已被乘法器60所代替。这就免去了必须人工调节支撑管的振荡极小值；这一极小值是自动进行自我调节的。这样的替换在图4的电路中也是可行的。
在图5到7的实施例中，包括永磁体和移动线圈的电动装置可用于代替电磁装置30。
基于本发明的装置亦可用于确定流体的粘滞性。这可由图8的电路来进行。来自传感元件18，18’或19，19’之一的信号和由驱动电路提供并表示傀管14，14’振幅的信号，例如上述来自电磁装置30的信号，由二极管51与52结合电容器53与54分别进行峰值整流。二极管51的输出信号通过模拟除法器55被二极管52的输出信号所除。除法器55的信号通过微控制器56转换为粘滞信号V。在此末端，微处理控制器56可包括一个速查表，该表包含了事先存储好的除法器55的输出信号值与粘滞度V之间的指定值。
权利要求
1.按科里奥利原理工作的质流传感器-该传感器可通过法兰装于待测流体所流经的给定直径的管道，从而可与该管道轴向共线。-具有延伸于法兰之间并由流体穿过的直形计量管，-具有与该计量管平行延伸但不由液体穿过的直形傀管，-在输入侧具有结盘，在输出侧具有结盘，-这些结盘之一将计量管的输入侧端部分固定在相应的傀管端头部分上，以及-这些法盘的另一个将计量管的输出侧端部分固定在相应的傀管端头部分上，从而使得计量管与傀管并排地安装。-具有支撑管，其端头分别固定在法兰上，以及-具有仅对傀管有作用的装置以便激励计量管的共振。
2.权利要求1中所述的质流传感器，其傀管同轴地围绕在计量管周围。
3.权利要求1或2中所述的质流传感器，其傀管的端头分别装于结盘之上，于是傀管是封闭的，最好抽为真空。
4.权利要求1中所述质流传感器，其中傀管的共振频率可被调节，使得傀管与计量管之间的相位关系为180°或尽可能接近这个数值。
5.如权利要求1或4中所述之质流传感器，其中用于激励共振的装置包括一电磁装置及一个驱动电路。-该电磁装置包括-围绕在傀管周围的软磁材料的套管，-具有第一U形磁芯和第一线圈的第一电磁体，以及-具有第二U形磁芯和第二线圈的第二电磁体-电磁体相对于该套管彼此径向相对配置，以及-具有生成迭加于直流电流的交流电流的驱动电路-通过所表示计量管振动的信号施加于相位比较器的第一输入端，-通过由可调移相器产生自代表傀管振动的信号的信号施加到相位比较器的第二输入端，以及-通过将相位比较器的输出积分，-具可调移相器，调至支撑管处可探测到的最小振动，以及-交流电通过锁相回路被调至计量管的共振频率(图4)。
6.权利要求1或4中所述之质流传感器，其中用于激励共振的装置包括一电磁体装置和一驱动电路-该电磁体装置包括-围绕傀管的软磁材料套管，-具有第一U形磁芯和第一线圈的第一电磁体，以及-具有第二U形磁芯和第二线圈的第二电磁体，-电磁体相对于该套管彼此相对地径向配置-该驱动电路向第一电磁体施加驱动信号的正半波，并向第二电磁体施加该信号的负半波，-该驱动信号是移相器的输出信号-其输入信号是由代表计量管振动的信号所提供，以及其控制输入由被积分的相位比较器的输出信号所供给，-该比较器的输入之一内表示计量管振动的信号所提供，以及-比较器的另一输入由表示傀管振动的信号通过一可调移相器提供，-该移相器调至在支撑管处只能探测到最小的振动为止(图5)。
7.权利要求1或4中所述之质流传感器，其中用于激励共振的装置包括一电磁装置和一驱动电路-该电磁装置包括-围绕傀管的软磁性材料的套管，-具有第一U形磁芯和第一线圈的第一电磁体，以及-具有第二U形磁芯和第二线圈的第二电磁体，-电磁体关于套管彼此径向相对配置，以及-该驱动电路向第一电磁体施加驱动信号的正半波，并向第二电磁体施加该信号的负半波，-该驱动信号是一压控振荡器的输出信号，-该振荡器的控制输入由一相位比较器信号的积分输出所提供，-比较器的一个输入由表示计量管振动的信号所提供，以及-比较器的另一个输入是由表示傀管振动的信号通过一可调移相器提供。-该移相器被调至在支撑管处仅可探测到最小振动为止(图6)。
8.权利要求5至7中所述任一质流传感器，其中可调移相器以检测支撑管加速度的一传感器所替代，并且移相器由一乘法器所替代(图7)。
9.权利要求1所述的质流传感器，其中流体的粘滞性由来自计量管和傀管的振幅所判定。
全文摘要
这种质流传感器装有两个直形管，但以往需配有歧管。该传感器可通过法兰装于待测液体流过给定直径的管道中，并与管道轴向重合。该传感器具有延伸在法兰之间并由流体流过的计量管，以及与该计量管平行的直形傀管，傀管无流体流过。在输入侧和输出侧装有结点板，其中之一是把计量管的输入端固定在傀管相应的端头，另一个则把计量管的输出端固定在傀管相应的端头，从而使得计量管与傀管并排装设。支撑管的两端固定在法兰上。用于激励计量管共振的装仅对傀管有作用。计量管与傀管也可彼此同轴。
文档编号G01N9/00GK1112373SQ94190503
公开日1995年11月22日 申请日期1994年7月15日 优先权日1993年7月21日
发明者沃尔夫冈·德拉海姆 申请人:安德雷斯和霍瑟·弗罗泰克有限公司