專利名稱：斷開式直管科里奧利質(zhì)量流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
屬于一種測量流體質(zhì)量流量的流量計。
流量測量是工業(yè)生產(chǎn)和商品計量中的一個重要參數(shù)，通常人們比較容易測得一個容積流量，然而很多場合更需要連續(xù)地、高精度測量質(zhì)量流量，于是往往在測得容積流量的基礎(chǔ)上，進一步檢測出流體介質(zhì)的溫度、壓力或者密度，對容積流量值進行補償修正運算后，間接確定質(zhì)量流量，但精度較低。
為了能夠直接測出質(zhì)量流量，美國Micromotion公司率先在市場上推出了U形管科里奧利流量計(參見美國專利US4422338)，隨后日本東京計器株式會社于82年8月公開了一種單根直管式科里奧利流量計，該流量計將一根整直管固定在支架的兩端上，使其中間懸空，再用電磁振蕩驅(qū)動器驅(qū)動直管使其產(chǎn)生正弦振蕩。設(shè)一假想中心線把直管分為左管和右管兩段，左管內(nèi)流體是從定點流向動點，即可視為從旋轉(zhuǎn)或振動中心向外流出，在右管內(nèi)的流體則是流向另一個旋轉(zhuǎn)或振動中心，于是左右兩管上感受的科里奧利力方向正好相反。假定管子由上向下振動，那么其通過水平軸線時，左管尚在軸線上，右管就已過軸線，然后通過兩個由觸發(fā)器組成的時間差檢測器，測量它們之間的相位差，即可得知被測質(zhì)量流量。這種直管式科里奧利流量計，在振動過程中整個直管受到科里奧利力(以下簡稱科氏力)作用時，左、右兩段半管產(chǎn)生變形方向相反，必然是半段管子(如左管)，向某一方向變形時，不可避免地受到另半段管子與之相反方向變形的牽制，使其達不到最大變形點(指直管中心位置)便改變了變形方向。此外，直管變形時，會使管子長度延長△l，于是使管子沿軸向產(chǎn)生一個應(yīng)變ε＝ (Δl)/(l) ，由此產(chǎn)生的應(yīng)變力阻礙管子的繼續(xù)變形，顯然，管子感受的科氏力愈大，則ε＝ (Δl)/(l) 也愈大，阻礙管子變形力也就增加。其次，上述直管即要感受科氏力產(chǎn)生的變形，以便通過檢測變形確定流量，同時管子還承受著被測流體的壓力，保證流體不能外溢，這樣，管壁須保持一定厚度，而厚度愈大，同樣大小的科氏力產(chǎn)生的變形也愈小。
綜上所述，這種科里奧利流量計的直管在科氏力作用下，所產(chǎn)生的位移或變形很小，這就限制了流量計的靈敏度，特別是對于密度小的氣體，其質(zhì)量流量小，故科氏力小，變形不夠大，因此無法檢測，故限制了流量計的測量下限。
本設(shè)計的目的，就是要設(shè)計一種測量范圍寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單的測量流體質(zhì)量流量的流量計。
為此，本設(shè)計采用如下技術(shù)方案本設(shè)計包括了一根從中間斷開的測量管，將其安裝在中空的護管內(nèi)，本設(shè)計的驅(qū)動與檢測裝置分別是機械振蕩驅(qū)動裝置和時間差檢測電路，而傳感部件采用4片壓電傳感元件，固定裝置是兩個基座，最外部是1個殼體。上述機械振蕩驅(qū)動裝置包括4塊扇形永久磁鐵、電壓放大器、可控增益放大器、功率驅(qū)動器、AGC取樣放大器即自動增益控制取樣放大器、以及采用內(nèi)開放外封閉式磁路的電磁鐵，此電磁鐵中有兩個相互串聯(lián)的線圈L1、L2。上述4片壓電傳感元件中的1片，將機械振蕩信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斔偷诫妷悍糯笃鞯妮斎攵?，電壓放大器輸出端接可控增益放大器的輸入端，而可控增益放大器輸出端又接功率?qū)動器的輸入端，功率驅(qū)動器輸出端分別和AGC取樣放大器的輸入端以及電磁鐵中串聯(lián)的兩個線圈L1、L2輸入端相聯(lián)，而串聯(lián)的L1、L2另一端接地。上述的時間差檢測電路包括信號放大器和邏輯運算器。壓電傳感元件還將電信號輸送到時間差檢測電路中的信號放大器進行放大。上述1根斷開的測量管分為左、右兩段，它們安放在1根中空的護管內(nèi)，然后安裝在上述的兩個基座中間，并使其兩端分別與兩個基座相互固結(jié)。此外，此測量管位于中間斷開的2個端部對稱地安裝4塊扇形永久磁鐵。而上述的電磁鐵則安裝在4塊永久磁鐵對應(yīng)的護管外。
上述電磁鐵設(shè)計成內(nèi)開放外封閉式磁路，是為減少漏磁對測量電路的影響。當(dāng)電磁鐵中線圈L1、L2通以正弦交流電時，其磁化方向隨之周期性地改變，交替地吸引和排斥4塊永久磁鐵，帶動測量管產(chǎn)生機械正弦振蕩。
科里奧利流量計的工作原理是基于科里奧利力原理當(dāng)一個物體在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中以速度V沿徑向運動時，將受到科里奧利力
其中m－受力物體質(zhì)量
－物體在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的速度矢量
－旋轉(zhuǎn)角速度矢量。
如圖9所示的圍繞X－X′軸旋轉(zhuǎn)的直管，如果里面有流體流動，則由于科氏力作用，管壁將受到流體的作用力。實際上，直管并非一定以角速度ω轉(zhuǎn)動，如果讓直管以XX′軸為固定端，圍線它做正弦振動，如

圖10所示，那么科氏力仍存在，只不過是隨著振動按正弦周期性變化。
設(shè)直管上一微小長度dx感受到的科氏力為dFc＝2·dm·V·ωp(2)其中dm－直管dx內(nèi)的流體質(zhì)量v－流體流動速度，也可寫成dx／dtωp－直管正弦振動的角速度如果令流體的質(zhì)量流量q＝dm／dt，則dFc＝2·q·ωp·dx(3)于是在測量管上感受的科氏力為Fc＝∫dFc＝2·q·ωp·L(4)L代表測量管長度。
如果在同一水平軸線OO′上使直管兩端分別固定在基座上，由電磁力驅(qū)動，使左右兩段直管分別以其基座為支點上下做正弦振動，讓流體從左流入由右流出，如圖11所示，那么以左邊直管為例，在Fc作用下，以懸臂形式固定的直管的自由端所產(chǎn)生的位移記作W，則W＝A (Fc)/(ks) (5)式中A－直管的結(jié)構(gòu)變形系數(shù)
Ks－直管的彈性模量由(4)(5)兩式得q＝ (w·ks)/(2·ωp·L·A) (6)右邊直管和左邊直管結(jié)構(gòu)完全一樣，且對稱，振動方向也一致，所不同的只是流體由自由端流向支點，與左管正好相反，因此，兩管子受科氏力Fc后，自由端產(chǎn)生的位移量大小相同，方向相反。
兩端頭通過水平中心軸線時間差△t＝ (2W)/(V0) (7)上式中V0＝ωp·L，是管端頭正弦振蕩通過OO′中心軸線時，垂直方向的運動速度。所以△t＝ (2W)/(ωp·L)位移量W＝ (ωp·L·Δt)/2 (8)將(8)式代入(6)式得q＝ (ks·Δt)/(4A) (9)
求解某一段時間內(nèi)的累積流量得到Q=∫t1t1qdt=k4sAΣt=t1t1Δt........(10)]]>顯而易見，只要求得△t，再乘上固定系數(shù) (k)/4 (s)/(A) ，便可確定流量q，從(9)式還可看出，測量結(jié)果q和Q不受角頻率ωp的影響，只與管子的特性參數(shù)Ks和A有關(guān)。
時間差△t的測量由上述時間差檢測電路完成。上述壓電傳感元件輸出的信號經(jīng)時間差檢測電路信號放大器中運算放大器放大后送入其邏輯運算器進行邏輯運算，最后輸出代表兩個信號時間差△t的脈沖n。
本設(shè)計具有如下優(yōu)點1、由于采用斷開式結(jié)構(gòu)在振蕩變形過程中完全避免了軸向應(yīng)變的影響。加之護管的存在，使測量管壁可設(shè)計得很薄，從而使斷開式測量管比非斷開的位移量大約高出1～2個數(shù)量級，因而能夠測量低密度介質(zhì)的質(zhì)量流量，如氣體、比重小的液體等。
2、由于采用壓電傳感器作為檢測元件，其靈敏度高，輸出信號大，不受電磁干擾影響。
3、作為檢測元件的壓電陶瓷或壓電晶體的居里溫度分別高達400℃或800℃以上，故工作溫度很容易提高到200℃和350℃以上。加之?dāng)嚅_式測量管無需考慮軸向應(yīng)變隨溫度變化對整個裝置影響，故本設(shè)計溫度適應(yīng)范圍寬。
4、壓電傳感元件與光電法相比，不存在初始位置差的影響。
圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1、1′、基座；2、2′、3、3′、壓電傳感元件；4、4′波紋膜片；5、5′、接線端子；6、6′、測量管；7、7′、8、8′、扇形永久磁鐵；L1、L2、線圈；10、護管；11、機械振蕩驅(qū)動裝置；12、時間差檢測電路；17、電磁鐵；18、排氣孔；19、排污孔。
4片壓電傳感元件(2、2′、3、3′)固結(jié)在靠近基座的測量管(6、6′)上，在基座(1、1)上對稱地設(shè)有兩個埋設(shè)壓電傳感元件(2、2′、3、3′)的腔室，此腔室端部邊緣均為波紋膜片(4、4′)，腔室內(nèi)裝有填充物或填充液，兩個腔室外，對稱地各設(shè)有1個接線端子(5、5′)，每個接線端子(5、5′)設(shè)有4～10個接線腳。排氣孔(18)位于腔室最高處，排污孔(19)位于腔室最低處。測量管(6、6′)壁厚與管徑比為150～1150。
圖2、圖3分別為圖1所示位置的A－A、B－B剖視圖。
圖4為機械振蕩驅(qū)動裝置(11)的方塊結(jié)構(gòu)示意圖。
其中13、電壓放大器；14、可控增益放大器；15、功率驅(qū)動器；16、AGC取樣放大器；L1、L2為電磁鐵中的串聯(lián)的線圈。
4片壓電傳感元件中的1片，如其中的(3)將電信號輸入到電壓放大器(13)中。
圖5為圖4所示方塊結(jié)構(gòu)示意圖的詳細(xì)電路原理圖。
其中的電壓放大器(13)由1個運算放大器K1、5個電阻R1、R2、R3、R4、R5、1個電容C1組成。可控增益放大器(14)包括1個運算放大器K2、1個場效應(yīng)三極管BG5、3個電阻R6、R7、R8。功率驅(qū)動器(15)由4個三極管BG1、BG2、BG3、BG4、1個電位器W1、4個電阻R9、R10、R11、R12組成。自動增益控制取樣放大器即AGC取樣放大器(16)包括1個運算放大器K3、2個二極管D1、D2、1個穩(wěn)壓二極管D3、1個電位器W2、6個電阻R13、R14、R15、R16、R17、R18和1個電容C2。其聯(lián)接情況如下所述壓電傳感元件(2、2′、3、3′)中的1片，如壓電傳感元件(3)，通過R1與電壓放大器(13)中K1反向輸入端(一)相聯(lián)，K1正向輸入端(＋)經(jīng)并聯(lián)的R3與C1接地，K1輸出端通過R6與可控增益放大器(14)中K2反向輸入端(一)聯(lián)接，R4兩端分別和K1反向輸入端(－)和K1輸出端相聯(lián)，K2正向輸入端(＋)經(jīng)R7接地，K2輸出端經(jīng)R9一方面通過W1和BG1基極相聯(lián)，另一方面通過R10和BG2基極聯(lián)接，R5兩端分別和K1正向輸入端(＋)和K2輸出端相聯(lián)。功率驅(qū)動器(15)4個三極管BG1、BG2、BG3、BG4分為兩組BG1與BG3、BG2與BG4，使其組成推挽電路，其中的BG1、BG3、BG4均為NPN三極管，BG2為PNP三極管。在AGC取樣放大器(16)中，R13一端接功率驅(qū)動器(15)中BG3集電極，其另一端經(jīng)R15接運算放大器K3反向輸入端(一)，此外，R13與二極管D2、穩(wěn)壓二極管D3串聯(lián)后接地，功率驅(qū)動器(15)輸出點P接二極管D1正極，D1負(fù)極經(jīng)W2、R16接K3正向輸入端(＋)，P點還與電磁鐵(17)中串聯(lián)的L1、L2的一端聯(lián)接，串聯(lián)的L1、L2另一端接地，K3輸出端經(jīng)R18與可控增益放大器(14)的場效應(yīng)三極管BG5柵極聯(lián)接，BG5漏極經(jīng)R8接K2反向輸入端(一)，BG5源極接K2輸出端。
壓電傳感元件(3)將電信號輸入到電壓放大器(13)中的K1反向輸入端(－)，由K1進行電壓放大，再經(jīng)可控增益放大器(14)放大后，經(jīng)功率驅(qū)動器(15)輸出到電磁鐵(17)中串聯(lián)的線圈L1、L2，以補充振蕩所需能量。在本設(shè)計中，上述電路當(dāng)滿足環(huán)路振蕩的相位和增益條件下，電路和機械系統(tǒng)便會產(chǎn)生連續(xù)、等幅的自激振蕩，其振蕩頻率就是機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由諧振頻率，它主要取決于測量管的動態(tài)特性和流體介質(zhì)的密度、粘度等特性。
AGC取樣放大器(16)的作用，是把代表振幅大小的L1、L2兩端的驅(qū)動信號進行峰值檢波后與標(biāo)準(zhǔn)直流電壓進行比較，其差值經(jīng)放大后反饋給可控增益放大器(14)的場效應(yīng)三極管BG5，作為對其的控制信號，以調(diào)整可控增益放大器(14)的電壓增益，達到穩(wěn)定交流振蕩幅度的目的。
BG1采用3DG27B；BG23CG；BG3、BG43DD6；BG5、3DJ6。
D1、D22CP12；D32DW7。
K1、K2、K3均采用μA741。
R1、R41MΩ；R2、R3、R5100KΩ；R6、R7、R8、R11、R12、R16、R1710KΩ；R9、R15390 Ω；R13、R141KΩ；R153KΩ；R18330KΩ。
W1680Ω；W21.2KΩ。
C1、C2100μf／25V。
圖6為本實用新型采用的一種時間差檢測電路(12)的結(jié)構(gòu)示意圖。
它由2個預(yù)運算放大器K4、K5、2個運算放大器K6、K7、及1個與非門yF1、1個三輸入端與門y1組成。K4、K5、K6、K7組成信號放大器，yF1和y1組成邏輯運算器。
yF1的輸出端接y1的一個輸入端，K4、K6串接后，K6輸出端和與門y1的第二個輸入端聯(lián)接，K5、K7串接后，和與非門yF1的輸入端相聯(lián)，與門y1的第三個輸入端接時鐘脈沖CP，最后由y1輸出脈沖n。
K4、K5、K6、K7均采用μA741；yF1型號為 74LS76；y1為TO69。
圖7為壓電傳感元件(2)、(3)與時間差檢測電路(12)中預(yù)運算放大器K4相聯(lián)時電路圖。
壓電傳感元件(2)、(3)各自輸出端經(jīng)相應(yīng)電阻R19、R20分別和K4反向、正向輸入端(－)(＋)相聯(lián)，其另兩端接地。K4反向、正向輸入端(－)(＋)分別經(jīng)相應(yīng)電阻R21、R22接地，電阻R23兩端分別接K4反向輸入端(－)和輸出端。
K4輸出端輸出電壓為Vi＝V3－V2圖8為壓電傳感元件(2′)(3′)與時間差檢測電路(12)中預(yù)運算放大器K5相聯(lián)的電路圖。
(2′)、(3′)各自輸出端，經(jīng)相應(yīng)電阻R19′、R20′分別和K5反向、正向輸入端(－)、(＋)聯(lián)接，其另兩端接地，K5反向、正向輸入端(－)(＋)分別經(jīng)R21′、R22′后接地。R23′兩端分別接K5反向輸入端(－)和輸出端。
K5輸出端輸出電壓為Vi′＝V3′－V2′測量管(6、6′)的機械振蕩信號，經(jīng)壓電傳感元件(2、2′、3、3′)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲綍r間差檢測電路(13)中預(yù)運算放大器K4、K5后，由其分別輸出兩組電壓信號Vi、Vi′，Vi、Vi′分別經(jīng)運算放大器K6、K7進行放大整形為上升沿很陡的，與輸入信號相位相同的方波Vi和Vi′，然后送入邏輯運算器中，并和輸入的時鐘脈沖CP進行邏輯運算Vi、Vi′、CP，最后由邏輯運算器與門y1在單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)n就代表了兩組信號Vi、Vi′的時間差，也就代表了被測質(zhì)量流量的大小。
至此q＝ (k)/4 (s)/(A) ·n求解某一段時間的累積質(zhì)量流量Q=∫t1t1qdt=k4sAΣt=t1t1nt]]>R19、R20、R19′、R20′均為330KΩ R21、R22、R21′、R22′均為250KΩ；R23、R23′均為0.5MΩ。
本實用新型的機械振蕩驅(qū)動裝置(11)中電磁鐵(17)、亦可采用沒有鐵芯的僅由兩個線圈L1、L2組成的電磁裝置。
圖9為直管做旅轉(zhuǎn)運動時的科氏流量計原理圖。
圖10為1根整直管做正弦振蕩時的科氏流量計原理圖。
圖11為中間斷開的直管型科氏流量計原理圖。
權(quán)利要求1.一種用于測量流體質(zhì)量流量的斷開式直管科里奧利流量計，其特征在于，是由一根斷開的薄壁測量管(6、6′)、護管(10)、機械振蕩驅(qū)動裝置(11)、時間差檢測電路(12)、4片壓電傳感元件(2、2′、3、3′)、2個基座(1、1′)組成，所述機械振蕩驅(qū)動裝置(11)包括4塊扇形永久磁鐵(7、7′、8、8′)、電壓放大器(13)、可控增益放大器(14)功率驅(qū)動器(15)、AGC取樣放大器(16)和電磁鐵(17)，所述4片電傳感元件(2、2′、3、3′)中1片與電壓放大器(13)輸入端聯(lián)接，(13)輸出端和可控增益放大器(14)輸入端聯(lián)接，(14)輸出端接功率驅(qū)動器(15)輸入端，采用內(nèi)開放外封閉式磁路的電磁鐵(17)中有2個串聯(lián)線圈L1、L2，其一端分別和功率驅(qū)動器(15)輸出端和AGC取樣放大器(16)相聯(lián)，另一端接地，所述時間差檢測電路(12)包括信號放大器和邏輯運算器，壓電傳感元件(2、2′、3、3′)將電信號輸送到時間差檢測電路(12)中信號放大器，斷開的測量管(6、6′)位于護管(10)內(nèi)，其兩端分別固結(jié)在2個基座(1、1)上，4塊扇形永久磁鐵(7、7′、8、8′)對稱地固結(jié)在測量管(6、6′)斷開端部兩側(cè)，電磁鐵(17)則安裝在4塊永久磁鐵(7、7′、8、8′)對應(yīng)的護管(10)外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量流體質(zhì)量流量的斷開式直管科里奧利流量計，其特征在于，所述機械振蕩驅(qū)動裝置(11)中的電壓放大器(13)包括運算放大器K1、5個電阻R1、R2、R3、R4、R5和電容C1，可控增益放大器(14)由運算放大器K2、場效應(yīng)三極管BG5、3個電阻R6、R7、R8組成，功率驅(qū)動器(15)包括4個三極管BG1、BG2、BG3、BG4、電位器W1、4個電阻R9、R10、R11、R12、AGC取樣放大器(16)由運算放大器K3、2個二極管D1、D2、穩(wěn)壓二極管D3、電位器W2、6個電阻R13、R14、R15、R16、R17、R18和電容C2組成，壓電傳感元件(2、2′、3、3′)中的1片通過R1和電壓放大器(13)中運算放大器K1反向輸入端(一)相聯(lián)，K1正向輸入端(＋)經(jīng)并聯(lián)的R3與C1接地，K1輸出端通過R6與可控增益放大器(14)中運算放大器K2反向輸入端(一)聯(lián)接，K2正向輸入端(＋)經(jīng)R7接地，K2輸出端經(jīng)R9一方面通過電位器W1和BG1基極相聯(lián)，另一方面通過R10和BG2基極聯(lián)接，功率驅(qū)動器(15)4個三極管分為兩組BG1與BG3、BG2與BG4，使其組成推挽電路，在AGC取樣放大器(16)中，R13一端接功率驅(qū)動器(15)中BG3集電極，其另一端經(jīng)R15接運算放大器K3反向輸入端(一)，此外，R13與二極管D2、穩(wěn)壓二極管D3串聯(lián)后接地，功率驅(qū)動器(15)輸出點P接二極管D1正極，D1負(fù)極經(jīng)電位器W2、R16接運算放大器K3正向輸入端(＋)，功率驅(qū)動器(15)輸出點P還與電磁鐵(17)中串聯(lián)的L1、L2的一端聯(lián)接，而串聯(lián)的L1、L2另一端接地，K3輸出端經(jīng)R18與可控增益放大器(14)的場效應(yīng)三極管BG5柵極聯(lián)接，BG5漏極經(jīng)R8接運算放大器K2反向輸出端(一)，BG5源極接K2輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量流體質(zhì)量流量的斷開式直管科里奧利流量計，其特征在于，4片壓電傳感元件(2、2′、3、3′)固結(jié)在靠近基座(1、1′)的測量管(6、6′)上，兩個基座(1、1′)上對稱地設(shè)有兩個埋設(shè)壓電元件(2、2′、3、3′)的腔室，此腔室端緣是波紋膜片(4、4′)，腔室內(nèi)裝有填充物或填充液，腔室外設(shè)有接線端子(5、5′)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量流體質(zhì)量流量的斷開式直管科里奧利流量計，其特征在于，所述的接線端子(5、5′)中每個端子有4～10個接線腳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量流體質(zhì)量流量的斷開式直管科里奧利流量計，其特征在于，所述的機械振蕩驅(qū)動裝置(11)中亦可采用僅由2個線圈L1、L2組成的電磁裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量流體質(zhì)量流量的斷開式直管科里奧利流量計，其特征在于，在所述測量管(6、6′)腔室最高處設(shè)有排氣孔(18)，最低處設(shè)有排污孔(19)。
專利摘要屬于一種測量流體質(zhì)量流量的科里奧利流量計。1根斷開的平行測量管位于護管內(nèi)，并裝在兩個基座間，由電磁力驅(qū)動，使左、右直管以各自基座為支點上、下做正弦振動，同時流體在管內(nèi)從左向右流動。測量管在科氏力作用下，產(chǎn)生位移，壓電傳感元件將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査腿霑r間差檢測電路，得到代表所測質(zhì)量流量的時間差信號Δt。本實用新型采用斷開式結(jié)構(gòu)，可消除振蕩變形中軸向應(yīng)力影響，適宜低密度流體測量，且靈敏度高。
文檔編號G01F1/76GK2049764SQ89208640
公開日1989年12月20日 申請日期1989年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月16日
發(fā)明者李硯清 申請人:天津市自動化儀表十廠