科里奥利质量流控制器的制作方法

专利名称：科里奥利质量流控制器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及质量流测量和控制，且具体地说，涉及一种基于科里奥利力效应并具有带相关传感、控制及通信电路的一体的流量控制阀的质量流测量及控制装置。
基于科里奥利力效应的质量流测量以下面方式实现。科里奥利力导致质量在已确立的方向上流动并然后被迫使改变方向并具有垂直于已确立的流动方向的矢量分量的效应。这可以通过以下公式解释。
FC=M×ω式中FC(科里奥利力矢量)是M(质量流矢量)和ω角速度矢量)的叉积。
在旋转系统中，角速度矢量沿旋转轴定向。利用“右手原则”，手指确定旋转方向，而展开的拇指确定角速度矢量方向。在典型科里奥利力流动传感器情况下，通过其建立流体流动的管被振动。管经常为一个或多个环形的形状。环形形状为使质量流矢量在环的不同部分指向相反的方向。例如该管环可以为U形、矩形、三角形或Δ形或螺旋形。在直管的特定实施例中，质量流矢量在一单个方向，同时存在两个重合在管的固定点的角速度矢量。
在振动系统中由于转动方向改变，角速度矢量变化。结果为在任何给定时刻，科里奥利力以相反方向作用在质量流矢量或角速度矢量指向相反方向的地方。由于角速度矢量由振动系统造成连续变化，科里奥利力也持续变化。结果为动态扭曲运动施加到管的振荡运动之上。扭曲的大小与对于给定角速度的质量流成比例。
质量流测量通过测量在传感器管内由流体移过传感器管产生的科里奥利力造成的扭曲而实现。典型的公知装置利用包括磁铁和线圈对的拾取传感器，该磁铁和线圈对位于流量管上科里奥利力导致的位移被认为最大的地方。线圈和磁铁装在相对的结构上，例如，磁铁安装在管上而线圈安装在静态封装壁上。磁铁将移入或移出线圈，在线圈内感应电流。该电流与磁铁相对线圈的运动成比例。由于这是速度测量，速度及由此的信号当流量管穿过其休止位置(过0(zero crossing))时最大。科里奥利力导致的扭曲在速度信号内产生相移，其通过测量两个速度传感器间过零次数的不同而测得。在应用中，这给次数测量回路带来很大的精度负担。这可能会限制由这种技术测得的质量流的最大灵敏度。
此外，基于科里奥利技术的公知装置的流速性能一般限制于高于很多应用所期望的流速。此外，现有的科里奥利质量流测量装置只保证了带有非一体流动控制能力的质量流传感。由用户提供用于控制流量的装置。
本发明旨在解决与现有技术相关联的这些缺点。
在本发明的一方面中，公开了用于质量流测量装置的电容拾取(pickoff)传感器。质量流测量装置包括流量传感器管和用于振动流量传感器管的驱动装置。电容拾取传感器包括至少一个可连接到第一电势并适于位于连接到第二电势的流量传感器管附近的导电板。导电板相对流量传感器管定位，以便在其间确定一间隙。导电板和流量传感器管之间的电容由于当流量传感器管振动时导电板和流量传感器管的相对运动而变化。
在本发明另一方面中，科里奥利质量流传感器包括流量传感器管，相对流量传感器管定位以产生流量传感器管振动的驱动装置，以及相对流量传感器管定位以测量流量传感器管内由科里奥利力造成的扭曲的电容位移计。在特定实施例中，使用电磁、静电、声音、及/或压电驱动器以振动流量传感器管。在另一实施例中，压电装置用于振动流量传感器管和探测流量传感器管内的扭曲。
在本发明又一方面中，科里奥利质量流控制器包括流量传感器管、相对流量传感器管定位以使流量传感器管振动的驱动装置，以及相对流量传感器管定位以测量在流量传感器内由科里奥利力造成的扭曲的位置传感装置。科里奥利质量流控制器还包括适于从流量传感器管接收流体的一体的流量控制装置。这种带有相关传感电路的一体的流量阀提供了更紧凑的封装，其容易使用并在动态性能上提供了显著的改进。
在本发明另一方面中，科里奥利质量流传感器包括流量传感器管、流量传感器管位于其内的壳体、定位在壳体外侧用于振动流量传感器管的驱动装置，以及至少一个相对流量传感器管定位以测量在流量传感器管内由科里奥利力造成的扭曲的拾取传感器。在示例性实施例中，拾取传感器位于壳体内。在另一实施例中，磁铁连接到流量传感器管，且驱动装置包括电磁线圈。磁铁可以是非稀土磁铁，且更具体地说，为镀镍钐锆磁铁。电磁线圈可以包括一能量感应器。
根据本发明的另一方面，质量流测量装置包括具有第一和第二端部的壳体，阀体(flowbody)、以及相对壳体第一端和阀体定位以便使阀体和第一端以密封方式连接的第一密封件，用户接口组件以及第二密封件相对壳体第二端定位以便使用户接口组件和第二端以密封形式连接。密封件允许多种类型的用户接口组件间互换，包括符合IP-65/NEMA 4X的用户接口组件，并提供了附加的流体密封。
本发明的其他目的和优点将在阅读以下的详细描述及参照附图时显而易见，其中

图1是概念性示出根据本发明各方面的科里奥利质量流传感器的方块图；图2A和2B示出采用根据本发明的实施例的电磁驱动器的科里奥利质量流传感器；图3A和3B示出采用根据本发明的实施例的静电驱动器的科里奥利质量流传感器；图4A和4B示出采用根据本发明的实施例的声音驱动器的科里奥利质量流传感器；图5A、5B和5C示出采用根据本发明的实施例的压电驱动器的科里奥利质量流传感器；图6是根据本发明的用于测量科里奥利力导致的相移的同步放大器的示意图；图7是根据本发明的用于测量科里奥利力导致的相移的双通道同步放大器的示意图；图8是示出了利用根据本发明的信号处理方法的来自各传感器管位置传感器的输入信号的振幅间关系曲线。
图9是根据本发明的用于测量科里奥利力导致的相移的双同步放大器的示意图；图10是根据本发明的包括用于测量科里奥利力导致的相移的基准频率调整装置双同步放大器的示意图；图11示出根据本发明的电容位移探针的第一实施例；图12示出根据本发明的电容位移探针的第二实施例；
图13示出根据本发明的电容位移探针的第三实施例；图14是根据本发明实施例的科里奥利质量流控制器的透视图；图15是图14所示的科里奥利质量流控制器的剖视图；图16是图15所示的科里奥利质量流控制器的分解视图；图17A和17B分别示出现有技术的螺纹阀连接和根据本发明的密封的螺纹阀连接的各方面；以及图18是根据本发明另外方面的科里奥利质量流控制器的实施例的透视图。
在本发明可以有各种修改和变动形式，其特定实施例在附图中示例性示出并在此加以详细描述。然而应理解，特定实施例在此的描述不用于将本发明限定为所公开的特定形式，而相反本发明要涵盖落于如所附权利要求限定的本发明的精髓和范围内的所用修改、等价物及变动。
以下将描述本发明说明性的实施例。为了清晰起见，在本说明书中未描述实际装置的所有特征。当然应明白，在任意的这种装置开发过程中，必须作出各种装置特征的决定以获得开发者的特定目的，例如符合与系统有关的及与商业有关的约束，后者将从一个装置到另一装置而有所变化。此外，将意识到这种开发努力将是复杂并耗时的，但尽管如此，对于利用本公开文本的本领域技术人员将是常规的任务。
图1是概念性地示出根据本发明各方面的科里奥利质量流传感器。科里奥利质量流传感器1包括一流量传感器管2，与其相对定位的驱动装置3以便振动该管2。位移计4相对管2定位以便测量在管2内由于科里奥利力产生的扭曲。
用于传感器管2的典型材料为316L不锈钢。使用316L不锈钢的原因包括其能抵抗来自很多物质的化学侵蚀，其抵抗由正常工艺压力带来的破裂，其一般为无污染的并可轻易地形成为流量传感器管2的理想形状。然而，316L不锈钢并不适于所有的应用中。因此，可用于实现316L不锈钢不适于的应用的其他管材料是必须的。公知的装置利用硅作为316L不锈钢的替代物。硅替代316L不锈钢的优点在于传感器管可以制成比由316L不锈钢形成的小的形状。
对于传感器管2的材料选择的另一考虑是对腐蚀导致或增大的应力的抵抗能力。应力在管安装处的弯曲臂的底部产生。在多晶体材料中，应力将在材料中产生晶格掺杂，以在各微晶颗粒区域之间的晶界处弥散并聚积。在很多情况下这将减弱微晶晶粒间的键合，使材料更易受到化学侵蚀。象硅或蓝宝石的单晶体材料不易于被这种方式影响。
象316L不锈钢一样的金属一般为多晶体的，并因此在不同程度上更易于受这种形式的化学侵蚀。象石英玻璃及多种塑料一样的非晶体材料也对化学侵蚀导致的应力抵抗性较好，是由于他们没有象多晶材料的晶格结构。易受化学侵蚀的管材料可以以某种方式使其表面改良或涂附以减小腐蚀或侵蚀，如果基体材料的使用在其他方面是适用的话。
表面改良可以通过离子注入、热扩散、以及化学或电化学反应来实现。在此目的是移去、重新分配或引入在表面留下一化学抵抗层的元素或分子种类。表面涂附可以通过从在高温下紧密接触表面的蒸汽、液体或粉末中热致沉淀而完成。如果化学反应物质也被等离子体或如来自激光的强光子通量激励或离子化，可以使用较低温度。抵抗化学侵蚀的其他材料可以通过不起反应的物理蒸汽蒸镀来沉积，如由热或电子束发射或离子溅射所完成的。如果利用高能量离子束实现溅射以便所溅射的物质被化学激励或离子化，那么也完成了与表面的化学反应，这对于某些沉积材料是适宜的。同样在表面的化学反应可以通过加速化学物质来完成，以便动能可以用于触发或增强化学反应。
用于在本发明特定实施例中的科里奥利流量传感器管2的管材为奥氏体及马氏体不锈钢、高镍合金、钛和锆及其他们的合金、尤其是钛-钒-铝合金以及锆锡合金(由于他们的较高的强度和低的杨氏模量)，硅、蓝宝石、金刚砂、石英玻璃以及塑料。根据本发明所采用的管涂附材料包括金刚砂、镍、铬、金刚石、耐火碳化物、耐火金属氮化物以及耐火金属氧化物。
图2A和2B示出根据本发明特定实施例的科里奥利质量流传感器1。科里奥利质量流传感器1采用包括由信号源(未示出)驱动的电磁铁12的电磁驱动器10，该信号源在所述的实施例中包括一正弦波信号源。电磁铁12位于安装在传感器管16上的小永久磁铁14附近。传感器管16连接到包括第一和第二开口19的基体18，以便形成从一个口19通过流量管16到另一口19的流动路径。在此处公开的实施例中示出的示例性传感器管16大致为U形，虽然如Δ形、矩形、螺旋或直的其他形状的管也可以使用。
图3A和3B示出与图2中示出的相似的实施例，其利用静电驱动。静电驱动器20包括定位于安装在传感器管16上的小介电板24附近的充电板22。如果管16由介电材料制成，那么充电板22定位在管16附近且可以除去介电板24。同样，充电板被诸如正弦信号源的信号源(未示出)驱动。施加到充电板22上的电压将在充电板22和介电板24之间产生电场。运将在介电板24上产生表面电荷。随着电压极性在充电板22上快速变化，在充电板22和介电板24之间的产生的电场将交替地吸引或排斥，导致流量管16振动。
图4A和4B示出采用新型声波驱动的科里奥利质量流传感器1的另一实施例。声波驱动器30包括放置在管16附近的小扬声器32。由扬声器32产生的压力波导致管16振动。
在图5A、5B和5C中，示出了科里奥利质量流传感器1的又一个实施例。图5A、5B和5C的科里奥利质量流传感器1采用压电驱动器40，其中两个压电块42定位在流量管16的每个腿部的相对侧，作用为在每个腿部16上产生双压电晶片，如图5所示。压电及反压电效应将用于驱动及/或探测管16的偏移。
质量流的测量通过测量在传感器管16内由流体移动过传感器管16产生的科里奥利力造成的扭曲。例如，包括磁铁和线圈对的拾取传感器一般位于流量管16上被认为科里奥利力导致的位移最大的地方。线圈和磁铁被安装在相对的结构上，例如，磁铁安装在管16上而线圈安装在静态封装壁上。磁铁将移入或移出线圈，在线圈内感应电流。这个电流与磁体相对线圈的速度成正比。由于这是一个速度测量，速度及由此的信号当流量管16穿过其休止点(过0)时最大。科里奥利力导致的扭曲在速度信号上产生相移，这是通过测量两个速度传感器之间过0次数的不同而探测出。在使用中，这给次数测量电路造成很大的精度负担。这将限制由该技术测量的质量流的最高灵敏度。
本发明的各方面提供了一种为较低流量能力而设置的流量测量技术，其更直接并在电路中需要比典型的基于时间的信号调节技术更小的精度。参照图2-4所示的实施例，振动的传感器管的位移利用电容拾取传感器测得，两个电容位移计(capacitive pick off sensor)50定位在管16附近相对管16的形状对称的位置处，以便测量由流体流过传感器管16产生的科里奥利力所造成的传感器管16内的扭曲。在本发明特定实施例中，电容位移计50被小型化并表面安装在传感器封装壁上或安装在插入传感器管的环形内侧的传感器块上。由科里奥利力导致的传感器管16内的扭曲导致来自各电容位移计50的两个信号间相移。由于这是位移传感器，信号与位移成正比。管每一侧的相对位移被测量为相移。仪表驱动器和信号调节电路将相对管16的位移转化成高电平信号，其作为可用于测量通过管16的流量建立时的科里奥利效应的相移的函数。
第一信号处理技术利用带有被一个位移计50提供的基准信号的同步(lock in)放大器，以及由另一位移计50提供的输入信号。每个位移计50都可提供基准或输入信号。从同步放大器输出的相位与流量成比例。图6是同步放大器52的功能示意图，用他可以实现用于测量根据本发明的科里奥利力导致的扭曲的方法。信号从左向右移动，如图6所示。左输入100和右输入102的信号分别来自左和右位移计50。例如，左输入100可以用作基准信号。正弦输出103为相位同步于左输入100信号的驱动信号。这将驱动流量传感器管16共振。右输入102信号与左/基准输入100信号和其的90°相移信号104在两个相位灵敏探测系统(PSDs)106内混合。功能上，PSDs106将两个信号相乘，产生高频分量和DC分量。低通滤波器108滤去高频分量，在X和Y输出110、112上产生DC电压。X输出110被称为同相分量，而Y输出112被称为相对基准信号的矢量信号的90°(quadrature)分量。这些分量的每一个都是对相位变化灵敏的；然而，矢量模和相位分量可以通过以下关系分离方程1R=X2+Y2]]>模方程2θ=tan-1(Y/X)相位角从同步放大器52的输出和来自位移计50的输入之间的关系推导如下认为两个信号为具有任意振幅和任意相位差的正弦波。每个信号可以如以下表示Vleft＝Vref＝AsinωtVright＝Bsin(ωt+φ)在下部PSD106，发生以下操作X′＝Vref*(Vright)＝Asinωt*[Bsin(ωt＋φ)]X′=12AB[cosφ-cos(2ωt+φ)]]]>
该信号在二倍频率处具有DC电压分量和AC分量，低通滤波器(LPF)108滤去AC分量而留下X=12ABcosφ]]>在上部PSD106发生以下操作Y′＝Acosωt*[Bsin(ωt＋φ)]由于cosωt＝sin(ωt＋90°)，我们具有一余弦乘法器。Y′=-12ABsinφ+12ABsin(2ωt+φ)]]>我们得到带AC和DC分量的信号，其在通过LPF108后产生以下Y=-12ABsinφ]]>从方程1和2计算模R和相位角θ，我们得到R=12AB]]>和θ＝φ这些计算可以通过任何适宜的数字或模拟处理装置120执行。矢量相位与质量流成比例。
根据本发明实施例的另一方法需要具有基准信号和由一个位移计50提供的一输入信号及由另一位移计50提供的第二输入信号的双通道同步放大器。两个输入信号之间的差值然后相对基准信号测量。从同步放大器产生的相位输出与流量成比例。图7是双通道同步放大器54的功能示意图。信号以与图6相同的方式移动并与其相同地定义。左输入100也用作基准信号。如前面的，正弦输出103为相位与左输入100信号同步的驱动信号。在这种情况下，左输入信号100从右输入102信号中被减掉并与左/基准输入100信号以及其的90°相移信号104在两个相位灵敏探测系统(PSDs)106内混合。内部功能与图6的同步放大器52相同。
以下的推导可以用于确定从同步放大器54的输出与来自位移计52的输入之间关系。任意适当的数字或模拟处理装置120可以用于进行这些计算。
将两个信号认为是具有任意振幅和任意相位差的正弦波。每个信号可以表示如下Vleft＝Vref＝AsinωtVright＝Bsin(ωt＋φ)在这种情况下低噪微分放大器114的输出将为Vref－Vright在下部PSD106发生以下操作X′＝Vref(Vref－Vright)＝Asinωt[Asinωt－Bsin(ωt＋φ)]X′=12A2[1-cos2ωt]-12AB[cosφ+cos(2ωt+φ)]]]>在二倍频率处该信号具有DC电压分量和AC分量。低通滤波器(LPF)108滤去AC分量而留下X=12A2-12ABcosφ]]>在上部PSD106发生以下操作Y＇＝Acosωt[Asinωt－Bsin(ωt＋φ)]由于cosωt＝sin(ωt＋90°)，我们得到余弦乘法器。Y′=12A2sin2ωt-12ABsinφ-12ABsin(2ωt+φ)]]>同样，我们得到带AC和DC分量的信号，其在通过LPF后产生以下结果Y=-12ABsinφ]]>从方程1和2计算出模R和相位角θ，得到R=12AA2+B2-2ABcosφ]]>和θ=tan-1(BsinφBcosφ-A)]]>θ不再是相位角，而是反正切，相位角与左和右输入信号的振幅函数。分析这个方程得出θ是φ的强度函数(strong function)。实际上，输入信号的相对振幅可以控制这个方程的强度。这可以从图8所示的曲线中说明，其中A和B分别是左和右信号的振幅。由于振幅非常接近于匹配，对于同步放大器输出θ的灵敏度很高。即使对于在2％内匹配的振幅，θ对φ的灵敏度几乎为标准同步放大器结构的100倍。
图9是双同步放大器56的功能示意图，用他实现根据本发明的用于测量科里奥利力导致的相移的方法。信号以与上述相同的方式移动并且定义相同。左输入100也用作基准信号。如前面，正弦输出103也是与左输入100信号相位同步的驱动信号。在这种情况下，左输入100信号与本身和在两个相位灵敏探测系统(PSDs)106的90°相移信号在上部同步放大器58内混合。在下部同步放大器60内，右输入102信号与左输入100信号以及其的90°相移信号在两个相位灵敏探测系统(PSDs)106内混合。成对的来自非相移PSDs106和相移PSDs106的输出在两个低噪微分放大器114内被差分。信号的DC分量被低通滤波器108滤过以给出普通的同步放大器输出。可以由任何适宜的数字或模拟处理这种120执行的算法，与在上面联系图7的描述的方法中的相同，虽然操作发生的顺序不同。在图7的双通道同步技术中，两个带有非常小差别的高电平信号被去掉。低电平信号然后与高电平信号相乘，这可能在模拟电路中导致噪声或在数字电路中产生修整误差。在图9的双通道同步技术中，高电平信号首先被放大，而所产生的振幅接近的信号然后被去掉，而产生具有低噪声的输出。
同步放大器的使用对于测量掩埋在非常高振幅的噪声中的低电平信号非常显著。同步放大器通过作用为一极窄带通滤波器而实现这个作用。信号和噪声被基准正弦和余弦波倍增，并然后通过低通滤波器以去除基准频率。倍增/滤波操作的结果为表示一复向量(x＋iy)的DC信号。基准频率和所关注的信号之间的相位差可以由atan(y/x)确定。
在测量科里奥利力方面，关注的是相同频率的两个信号间的相位差。这可以利用每个由相同的基准频率驱动的双同步放大器来实现，如图10所示。在图10所示的功能图中，左和右输入信号100、102被由基准频率发生器144提供的基准正弦和余弦波倍增。输入信号100、102在PSDs106内与正弦和余弦信号混合，然后通过第五阶贝塞尔IIR低通滤波器148，如参照图6、图7和图9所述的。上述的倍增/滤波过程在带有相对基准频率的每个信号的合成相位差输出X、Y的左和右输入信号100、102上进行。两个输出信号X、Y之间的差值代表两个输入信号100、102的相位差。在科里奥利质量流情况下，这个相位差代表质量流152的指标。
当利用同步放大器测量与科里奥利质量流相关联的极小相位差时，必须调整基准频率以匹配关注的信号。如果基准信号不是非常接近于所关注的信号，很低频的AC信号将产生在低通滤波器148的输出处。科里奥利传感器的频率随质量流、温度、密度和压力变化，进一步使测量过程复杂。
基准频率可以通过处理来自输入信号100、102之一的输出矢量而精确调整。首先，计算输出矢量的导数。这可以通过计算两个连续的输出矢量的复数差来完成。然后，初始的输出矢量被旋转90°并且计算这个矢量与导数的点积，产生提供到基准频率发生器144上的误差信号150。如果基准频率需要向下、向上调整或不改变的话，误差信号150分别为正值、负值或零。
基准频率的调整量取决于相位测量的精度，但一般地，调整越精细，精度越好，如通过在多个输出样本上计算标准误差所确定的那样。然而，如果在信号频率上有阶跃变化的话，基准频率的微调(小步长变化)将是不利的，由于基准频率发生器144将耗费很长时间才能达到所要的频率。如果信号频率历经频率阶跃变化，PID或适应算法可以用于以更灵敏的方式调整基准频率。
在可替代的实施例中，电容位移探针50可以安装在将首先在三维上定位电容位移探针50的压电致动器上。此外，当与在此公开的双通道同步放大器或双同步放大器方法一同使用时，压电致动器可以动态调节流量传感器的灵敏度，从而提供了拓宽的工作范围。
这种动态定位提供了对于制造可变性的补偿，尤其是流量传感器管相对电容位移探针的定位。动态定位也提供了对于由各种元件的相对热膨胀导致的尺寸漂移的补偿。与双通道同步放大器或双同步放大器组合应用，动态定位使两个位移信号紧密匹配以提供对于流量的可调整的灵敏度。对于大流量情况将使用低灵敏度，而对于宽的低流量情况将使用高灵敏度，从而增大了流量测量的动态范围。
本发明的实施例另外提供了电容测量技术，尤其是，电容位移探针的新型几何外形。通常地，目标的位移作为垂直于电容位移探针的距离来测量，该位移也可以作为与电容位移探针相切的距离而测量。参照图11，这可以通过并排且两个板130间具有均匀的间隙132地放置两个板130，并在与运动(如箭头136所示)相切的平面内放置在传感器管134附近，如图11所示。在一实施例中，板130将处于相同的电势并且传感器管134处于地电势。传感器管134直接定位在两个板130间的间隙132上，预期的运动136垂直于间隙，以便传感器管134的循环运动将使管134对于一板130更靠近另一个板130。在每个板130与传感器管134之间的相对电容被测量。随着传感器管134移过一个板130或另一个，对电容产生影响的面积量将变化，并从而测得相对电容。
一可替代的结构具有对角穿过传感器管134延伸的间隙132，如图12所示。这允许传感器管134在板130平面上的较不精确的位移。与平行间隙相比，传感器管134未对准将引起信号内较小的不匹配。
另一实施例具有如图13所示的锯齿图形的间隙132。这是在对角间隙132在传感器管134相对间隙132角度未对准方面上的改进，不论平行的或对角的，将在两个板130间的电容变化率上产生偏差。这将在两个信号间的相位上导致不期望的变化。锯齿图形将使传感器管134的角度未对准中和，提供更好的对称信号。
图14、15和图16示出根据本发明实施例的示例性的低流量科里奥利质量流控制器200。科里奥利质量流控制器200包括流量传感器部分101和流量控制部分104。质量流控制器200的内部或外部的处理器接收设定点或理想质量流的指标。设定点的值与如流量传感器部分202所指示的实际质量流相比较以产生误差值。流量控制部分204包括被操纵以调节流速并使误差最小的值。对于掌握本公开文本优点的本领域技术人员，完成该特定控制系统将是日常任务，并由此，这种实现方式的细节将不在此详细描述。
被壳体205包围的流量传感器部分202包括弯成环形的传感器管、驱动装置208和定位在传感器管相对侧面、测量传感器管206的各侧面的位移的两个拾取传感器210。
在现存的科里奥利装置中，传感器一般封闭在一焊接的金属壳体内。在壳体内的传感器管也用通过馈入装置连接到壳体外侧的电路上的导线连接到其位移或速度传感器上。在这种装置内的传感器管相对大，并具有大约为100kHz的共振频率。对于较小的传感器管，如本发明实施例中的那样，共振频率较高，在200Hz或更高的数量级上。随着频率增加，由传感器壳体内侧的大气状况导致的粘性阻尼效应将增大。通过将壳体抽真空或在壳体内侧利用真空适应材料，可以减小或甚至消除粘性阻尼。从而，在所示的示例性实施例中，传感器管206位于真空传感器壳体207内。
传感器管206被设计以允许与连接管的各环形腿部的线相正交的弹性弯曲。环形足够宽以允许绕环形的中心线弹性扭曲。为了测量低流量的科里奥利力，需要使传感器管206的质量最小。由于管需要为较小，而仍要能够将流体保持在持续的压力下，管的尺寸是关键的。也优选地是，拾取传感器210是非接触的，是由于任何与管的接触或加载在管上的质量将抑制科里奥利力。
拾取传感器技术可以包括电容的、磁性的、压阻的以及光学的。压阻应力计位移传感器确实接触管，但是在环形底部位移最小且应力最大的地方。这对管的振动具有最小的影响。光学技术包括各种激光和白光干涉测量位移技术、三角测量技术、多重内反射及光束遮掩技术。磁位移技术包括霍尔效应、涡流电流、可变阻抗及磁阻技术。
电容拾取传感器技术因为它具有测量管位移所需的灵敏度而用于本实施例中，其为非接触的，并不会被磁性驱动装置影响。每个电容拾取传感器210包括至少一个连接到给定电势并位于流量传感器管206附近以便在其间形成间隙的导电板300。流量传感器管206连接到不同于导电板300的电势上。导电板300和流量传感器管206之间的电容由于当流量传感器管206振动时导电板300和流量传感器管206之间的相对运动而变化。
在所示的实施例中，导电板如上面参照图11-13所述的包括第一和第二板。在所示的特定实施例中，采用如图13所示的锯齿形板。电容拾取传感器208组装成大小能配装在传感器壳体207内的一体的传感器块301，尺寸上通过压销302定位于壳体207的后壁。电容拾取传感器210的导电板300制造在多层印刷电路板上，以便提供一保护层以减小派生电容，并提供一用于焊接到传感器块301上的背面接触层。由于电容拾取传感器210需要在真空中工作，低漏气的材料用于所示实施例中。标准玻璃纤维材料不是真空相适应的。理想的材料特性包括其为真空相适应的、可焊接、用低漏气的粘结可粘结到多层上，并且其具有用于简单保护层结构的低介电常数。在特定实施例中，使用了商业上通用的DRUOID。
包含电容拾取传感器208的传感器块301可以被调整以优化相对传感器管206的空间。这是利用电子放电加工的铰接板实现的。锥形安放的螺栓实现电容拾取传感器的线性和角位移。此外，电容拾取传感器的导电板300包括使导线能焊接或粘结到使电容拾取传感器210与气密封电接头互连的传感器块前面的印刷电路板303上的焊盘，该接头与传感器壳体207外侧的电容位移电路接合。
驱动装置208驱动管206成为弯曲模式振动，使其振动。在所示的实施例中，驱动装置208由焊接到传感器管206上的小磁铁和交替地推或拉磁铁304的小的电磁线圈306构成。在图16所示的实施例中，非稀土磁铁，且更具体地说，使用镀镍的钐钴磁铁。钐钴磁铁具有良好的磁性强度对重量比。在这个实施例中，磁铁重量大约为20mg。磁铁304定位在传感器管206的顶部、中部，以便磁极平行于管的优选位移方向指向。
线圈306位于传感器壳体207的外侧，与电路板209相连。传感器壳体207为非磁性的并从而对于磁场透明。线圈306为一与环形线圈相对的开口线圈型式。在这个实施例中线圈306为商业上通用的额定至少为1mH的能量感应器。线圈306的中心轴被定向于垂直磁体304的表面。传感器管206利用通过锁相回路功能反馈到线圈驱动电路的来自一个电容拾取传感器的信号而驱动共振。该功能可以由电路或在软件中实现。
传感器管206安装到形成流入口214和流出口216的底部212，以便提供一从入口、经过流量传感器管、经过流量控制部分、并经过传感器流出口216的流动通道。流量控制部分202包括具有位于其内的阀门线圈228和线圈盖230的仪表主体222。阀杆232和活塞234位于阀门线圈228之内，而阀门体236与仪表主体222相连，他们之间有密封件238。阀门座240、弹簧242以及孔口244位于阀门体236之内。端部块224、225位于流量控制部分204的每端，密封件226设置在在仪表主体222和端部块224之间以及阀门体236和端部块225之间。在一实施例中，密封件226包括电铸的镍密封件。
在示例性的实施例中，科里奥利质量流控制器200按以下方式组装。仪表主体222和传感器壳体207以及底板310、中央支柱312及传感器管206通过空间上将传感器管206定位到传感器壳体207的壁上的定位器组装并固定到位。所剩零件由压销(press pin)330定位。这些零件然后钎焊成一个单元。磁铁304焊接到传感器管206上。这些传感器块301利用压销302组装并安装到传感器壳体207之内。该压销302穿过传感器壳体207的背面约0.5mm。一气密接头320压在传感器壳体207的背面开口322内。传感器块压销302和气密密封的接头320被激光焊接以提供防漏气的密封。盖324真空环境中放置在传感器壳体207的前侧上并电子束焊接到位，提供真空密封环境。
所剩阀门元件及端部块224、225然后与仪表主体222组装。可以使用电铸镍密封件226，或为标定目的使用弹性O形圈，然后用镍密封替代。电路组装并安装在完成的组件中。O形圈332安装在底板310上，且壳体205压在O形圈密封件332上。在底板310上的凸轮锁旋转以锁住壳体205。O形圈334安装在电路遮盖盖板336上。电路盖板336定位在用户接口连接器338上。电路盖板336在壳体205上压入位以作用在O形圈密封件上。然后测试并标定被组装的质量流控制器200。
示例性的科里奥利质量流控制器200具有模块化结构，这提供了诸多益处。如上所述，电路封装被设计成作用在流量控制器主体上的O形密封圈(在壳体205的下端和底板310之间)并在顶部作用用户接口盖板(在壳体205的上端和电路盖板336之间)。电路盖板336连接到科里奥利质量流控制器200内部的用户接口板340，其也连接到传感和控制电路。电路盖板336和用户接口板340一同形成了用户电路接口。这为根据用户需求构造接口提供了灵活性，而无需对于每个用户结构设计不同的传感和控制电路和壳体。
例如，用户接口盖板的变型将具有密封件和电导管，以提供符合IP-65/NEMA4X的装置。这种装置的示例示于图18中。相比较，图14-16所示的装置包括连接到用户接口板340上的接头342。如图18所示，电路盖板337被延伸以提供用于特定应用所需的附加元件的空间。
O形密封壳体205的另一其特征在于其提供了三级流体密封，传感器管206为初级流体密封而传感器壳体207为次级密封。
在被控制的流体中存在气泡的情况下，围绕在传统阀内的活塞的环形开口限制了气泡通过而到达阀的出口。气泡将收集在环形开口的进口处以致液体流动受到限制且流量控制失效的程度。如果环形开口被扩大，活塞距阀线圈增大的空间将减小磁路内的场强，并从而减小了为了开启或关闭阀而抵抗由流体产生的液力所要达到的力。从而，在所示的科里奥利质量流控制器200中，通过活塞234设置一环形孔246。环形孔246与气泡的形状和大小相适应，允许气泡更自由地穿过阀。这就减小了由气泡造成的阻碍流动的可能性。穿过活塞234中心的孔246减小了对磁路的影响，因此保持了抵抗液力开启和关闭阀的力。
对于普通的现存阀，阀活塞具有一由可变形材料制成的捕捉座(captiveseat)，当压抵孔的接触面时，该捕捉座将形成一密封件阻止水流。电磁型阀门在正常关闭情况下，可以由弹簧产生抵抗该座的力并被平衡以便电磁作用从孔的接触面提升该座。电磁型阀门在正常开启的情况下，抵抗该座的力由电磁作用产生，并且被平衡以便当移去磁场时弹簧从孔提升该座。该座的材料可以是弹性体的、塑料的或一可延展金属。
一般优选地是由弹性变形取代塑性变形，以便密封件是可恢复的。另外，硬材料可以用于该座和接触面，但他们要被制造成包括座和接触面间高度配合表面的非常紧的公差。这是高成本的方法。座和接触面之间的空间对阀的工作非常关键，是因为在活塞上的磁力与位移不是线性的。在正常开启阀门情况下，活塞的正常位置以及座相对于接触面的位置需要被优化，以便当座抵靠接触面运动时提供最大的力，并同时在开启位置允许水流最大。在正常关闭阀情况下，座抵靠接触面的力由弹簧产生。弹簧力需要足够大以抵抗液力而关闭，此外还要最小化以允许磁力从接触面提升座足够的距离以使水流最大。
现有设备可以利用多种装置调整座和接触面之间的空间，包括在接触面或座之下放置垫片，或在孔口元件内具有一螺纹调整螺栓。然而，如图17A所示，在孔口内的典型的螺纹调整件在孔口体250和阀体252之间未密封，在各螺纹件256之间留下一泄漏路径254。这种螺纹调节件需要密封住流体泄漏的螺纹件256。诸如O形圈或垫圈的单独的密封件提供了这种密封。
根据本发明的各方面，孔口244和/或接触面由塑料材料制成，如VESPEL，其可以加工成具有精确孔口的螺纹元件。如图17B说明的示例性实施例中所示，螺纹256过尺寸加工以便在孔口体250和阀体252之间存在一干涉配合258，从而密封，并消除了单独密封件(O形圈或垫圈)的需要。现在孔口接触面为可变形元件，简化了阀座240和活塞234的设计和加工。
然而，本发明不必局限于任何特定的阀门活塞结构。在可替代的实施例中，一泵用在阀的位置，例如一计量泵可用于流体控制的目的。尤其是，可以采用包括多个压电管部分的压电泵。压电管部分以使不同压电管部分收缩或膨胀的方式加以控制，从而使水流按需要的被控制。
上述特定实施例只为说明目的，是由于对于掌握了本发明的益处的本领域技术人员，可以对本发明进行修改并应用于不同型式。此外，除了权利要求所述的之外，不对在此所示的结构或设计加以限制。因此，上述公开的特定实施例可以进行修改，且所有这种变动被认为是处于本发明的精髓和范围内。于是，在此要求的保护如权利要求中所述。
权利要求
1.一种电容拾取传感器，其用于包括流量传感器管和用于振动流量传感器管的驱动装置的质量流测量装置，所述电容拾取传感器包括至少一个可连接到第一电势上并适于定位在连接到第二电势的流量传感器管附近的导电板，以便在流量传感器管和导电板之间确定间隙；以便在导电板和流量传感器管之间的电容在流量传感器管振动时由于导电板和流量传感器管的相对运动而变化。
2.如权利要求1所述的电容拾取传感器，其特征在于，流量传感器管连接到地电势上。
3.如权利要求1所述的电容拾取传感器，其特征在于，所述至少一个导电板包括第一和第二板，且第一和第二板处于与振动的流量传感器管的运动相切的位置。
4.如权利要求3所述的电容拾取传感器，其特征在于，第一和第二板并排定位以便其间确定均匀的间隙。
5.如权利要求4所述的电容拾取传感器，其特征在于，第一和第二板位于相同电势，且流量传感器管处于地电势。
6.如权利要求5所述的电容拾取传感器，其特征在于，第一和第二板大致是矩形的并且间隙大致平行于流量传感器管延伸。
7.如权利要求5所述的电容拾取传感器，其特征在于，第一和第二板大致是三角形的，并且间隙相对流量传感器管对角延伸。
8.如权利要求5所述的电容拾取传感器，其特征在于，第一和第二板大致是锯齿形的，并且间隙确定了大致锯齿形状。
9.如权利要求1所述的电容拾取传感器，其特征在于，至少一个导电板嵌于印刷电路板上。
10.如权利要求9所述的电容拾取传感器，其特征在于，印刷电路板为包括保护层和可焊接到传感器块上的背层的多层印刷电路板。
11.一种科里奥利质量流传感器，包括流量传感器管；流量传感器管位于其内的壳体；定位在壳体外侧用于振动流体的驱动装置；以及至少一个相对流量传感器管定位的拾取传感器，以便测量在流量传感器管内由科里奥利力造成的扭曲。
12.如权利要求11所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，至少一个拾取传感器放置在壳体内。
13.如权利要求11所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，还包括连接到流量传感器管上的磁铁，其中，驱动装置包括电磁线圈。
14.如权利要求13所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，电磁线圈包括能量感应器。
15.如权利要求13所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，磁铁包括非稀土磁铁。
16.如权利要求15所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，磁铁包括镀镍钐锆磁铁。
17.一种质量流测量装置，包括具有第一端和第二端的壳体；阀体；相对壳体第一端和阀体定位的第一密封件，以便阀体和第一端以密封形式连接；用户接口组件；以及相对壳体第二端和用户接口组件定位的第二密封件，以便用户接口组件和第二端以密封形式连接。
18.如权利要求17所述的质量流测量装置，其特征在于，用户接口组件包括第一或第二用户接口组件之一。
19.如权利要求17所述的质量流测量装置，其特征在于，用户接口组件符合IP-65/NEMA 4X。
20.如权利要求17所述的质量流测量装置，其特征在于，还包括位于壳体内的传感器壳体；位于传感器壳体内的流量传感器管；其中，流量传感器管提供了第一流体密封，传感器壳体提供了第二流体密封而阀体和第一端以及用户接口组件和第二端提供了第三流体密封。
21.一种科里奥利质量流传感器，包括流量传感器管；相对流量传感器管定位以便使流量传感器管振动的驱动装置；以及至少一个相对流量传感器管定位的电容位移计，以便测量在流量传感器管内由科里奥利力造成的扭曲。
22.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，驱动装置包括电磁驱动器。
23.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，驱动装置包括静电驱动器。
24.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，驱动装置包括声音驱动器。
25.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，驱动装置包括压电驱动器。
26.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，所述至少一个电容位移计包括两个电容位移计。
27.如权利要求26所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，电容位移计位于与传感器管对称的位置。
28.如权利要求26所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，电容位移计被小型化并且表面安装在传感器封装壁上。
29.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，还包括适于测量由科里奥利力产生的相移的电路。
30.如权利要求29所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，所述电路包括同步放大器。
31.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，所述至少一个电容位移计安装在致动器上，致动器可操纵以相对流量传感器管动态定位电容位移计。
32.如权利要求31所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，致动器包括压电致动器。
33.如权利要求31所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，致动器响应流动状况定位所述至少一个电容位移计。
34.如权利要求31所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，致动器在三维上定位所述至少一个电容位移计。
35.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于所述至少一个电容位移计包括第一和第二板；所述第一和第二板位于流量传感器管附近，与流量传感器管振动时流量传感器管运动相切的平面内；以及第一和第二板并排定位以便其间确定一均匀的间隙。
36.如权利要求35所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，所述第一和第二板为相同的电势，而流量传感器管处于地电势。
37.如权利要求35所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，所述第一和第二板大致为矩形，且所述间隙平行于流量传感器管延伸。
38.如权利要求35所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，所述第一和第二板大致为三角形，并且所述间隙对角地延伸过流量传感器管。
39.如权利要求35所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，所述第一和第二板大致为锯齿形，且所述间隙形成锯齿形状。
40.如权利要求21所述的科里奥利质量流传感器，其特征在于，还包括抽真空的壳体，流量传感器管定位于抽真空的壳体内。
41.一种科里奥利质量流传感器，包括具有第一端和第二端的流量传感器管；以及定位在流量传感器管的相应的第一和第二端上的第一和第二压电块；其中，压电和反压电效应引起流量传感器管振动，并检测在流量传感器管内由科里奥利力造成的扭曲。
42.一种科里奥利质量流控制器，包括流量传感器管；相对流量传感器管定位的驱动装置，以便引起流量传感器管振动；相对流量传感器管定位的位置传感装置，以便测量在流量传感器管内由科里奥利力造成的扭曲；以及适于接收来自流量传感器管的流体的流量控制装置。
43.如权利要求42所述的科里奥利质量流控制器，其特征在于，流量控制装置包括阀，所述阀包括阀座；适于密封住所述阀座的活塞，所述活塞确定了至少一个穿过其延伸的孔，以便在活塞未落座于阀座上时，建立通过活塞的流体流动路径。
44.如权利要求42所述的科里奥利质量流控制器，其特征在于，流量控制装置包括泵。
45.如权利要求44所述的科里奥利质量流控制器，其特征在于，所述泵包括计量泵。
46.一种装置，用于从被第一和第二位移计探测到的第一和第二输入信号间的科里奥利力导致的相移来决定质量流，其包括第一相位灵敏探测器，被连接以接收第一和第二输入信号，第一相位敏感探测器可操纵以混合第一和第二输入信号，并提供表示被混合的第一和第二输入信号的输出；第一移相器，连接以接收第一输入信号，并可操纵以输出表示第一输入信号相移90°的输出信号；第二相位敏感探测器，被连接以接收第一移相器输出及第二输入信号，所述第二相位敏感探测器可操纵以混合相移第一输入信号和第二输入信号，并提供表示被混合的信号的输出；以及连接到第一和第二相位敏感探测器的处理器，以接收混合的信号，并可操纵以计算混合信号相对彼此的矢量模和相位，其中，矢量相位与质量流成比例。
47.如权利要求46所述的装置，其特征在于，还包括连接到第一和第二相位敏感探测器上的第一和第二低通滤波器，所述第一和第二低通滤波器可操纵以从混合的信号中除去高频信号，并输出DC电压。
48.如权利要求46所述的装置，其特征在于，还包括相位与第一输入终端同步的第三输出终端，用于提供正弦输出信号以驱动流量管共振。
49.如权利要求46所述的装置，其特征在于，所述装置包括同步放大器。
50.如权利要求46所述的装置，其特征在于，还包括第三相位敏感探测器，被连接以在两个输入端的每一个上接收第一输入信号，第三相位敏感探测器可操纵以将第一输入信号与其本身混合，并提供表示混合的第一输入信号的输出；第四相位敏感探测器，被连接以接收第一相移输出和第一输入信号，第四相位敏感探测器可操纵以将相移的第一输入信号和第一输入信号混合，并提供表示混合后的信号的输出；第一微分放大器，被连接以接收第一和第三相位敏感探测器的输出，并提供微分信号给处理器；以及第二微分放大器，被连接以接收第二和第四相位敏感探测器的输出，并提供微分信号给处理器。
51.如权利要求50所述的装置，其特征在于，还包括连接到第一和第二微分放大器上的第一和第二低通滤波器，所述第一和第二低通滤波器可操纵以从混合后的信号中滤去高频分量并输出DC电压。
52.如权利要求50所述的装置，其特征在于，还包括第二移相器，其被连接以接收第一输入信号，并可操纵以将表示第一输入信号相移90°的信号输出给第四相位敏感探测器。
53.一种方法，其从被第一和第二位移计探测到的第一和第二输入信号间的科里奥利力导致的相移确定质量流，所述方法包括将第一输入信号与第二输入信号混合以产生第一输出信号；相移第一输入信号90°；将第二输入信号与相移的第一输入信号混合以产生第二输出信号；以及计算第一和第二输出信号相对彼此的矢量模和相位，其中，矢量相位与质量流成比例。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，还包括过滤第一和第二输出信号。
55.如权利要求53所述的方法，其特征在于，还包括将驱动终端的相位同步于第一输入信号以驱动流量管共振。
56.如权利要求53所述的方法，其特征在于，混合第一和第二输入信号包括输入第一和第二信号到相位敏感探测器内。
57.如权利要求53所述的方法，其特征在于，混合第一和第二输入信号包括将第一和第二输入信号间的差值与第一输入信号混合。
58.一种装置，用于从被第一和第二位移计探测到的第一和第二输入信号间的科里奥利力导致的相移来决定质量流，其包括微分放大器，其被连接以接收第一和第二输入信号，所述微分放大器可操纵以输出表示第一和第二输入信号之间差值的信号；第一相位灵敏探测器，被连接以接收微分放大器的输出和第一输入信号，并提供表示被混合的微分放大器输出和第一输入信号的输出；移相器，连接以接收第一输入信号，并可操纵以输出表示第一输入信号相移90°的输出信号；第二相位敏感探测器，被连接以接收移相器输出及微分放大器信号，并提供表示被混合的移相的第一输入信号和微分放大器信号的输出，并提供表示被混合的信号的输出；以及连接到第一和第二相位敏感探测器的处理器，以接收混合的信号，并可操纵以计算混合信号相对彼此的矢量模和相位，其中，矢量相位与质量流成比例。
59.如权利要求58所述的装置，其特征在于，还包括连接到第一和第二相位敏感探测器上的第一和第二低通滤波器，所述第一和第二低通滤波器可操纵以从混合后的信号中滤去高频分量并输出DC电压。
60.如权利要求58所述的装置，其特征在于，还包括相位同步于第一输入终端的第三输出终端，用于提供正弦输出信号以驱动流量管共振。
61.如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述装置包括同步放大器。
全文摘要
一种科里奥利质量流控制器包括流量传感器管、相对流量传感器管定位以使流量传感器管振动的驱动装置,以及相对流量传感器管定位以测量在流量传感器内由科里奥利力造成的扭曲的位置拾取装置。公开了一种电容拾取传感器,其包括至少一个可连接到第一电势并适于位于连接到第二电势的流量传感器管附近的导电板。导电板相对流量传感器管定位,以便在其间确定一间隙。导电板和流量传感器管之间的电容由于当流量传感器管振动时导电板和流量传感器管的相对运动而变化。电磁、静电、声音和/或压电驱动器可以用来振动流量传感器管。科里奥利质量流控制器还可以包括适于接收来自流量传感器管的流体并提供流量控制的整体流量控制装置。
文档编号G01F1/84GK1329714SQ99814120
公开日2002年1月2日 申请日期1999年12月7日 优先权日1998年12月8日
发明者迈克尔·J·巴杰, 约瑟夫·C·迪尔, 杰弗里·L·怀特利, 蒂莫西·W·斯科特 申请人:麦克罗莫申公司