PL191455B1

PL191455B1 - Przepływomierz wibracyjny typu coriolisa z kanałem przepływowym podłużnym

Info

Publication number: PL191455B1
Application number: PL345108A
Authority: PL
Inventors: Cleve Craig Brainerd Van; Charles Paul Stack; Gregory Treat Lanham
Original assignee: Micro Motion
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2006-05-31
Also published as: AU4317499A; AR019739A1; CA2334856C; BR9911535A; AU749939B2; CN1308722A; US5969265A; EP1095245B1; HK1038066A1; RU2231027C2; CA2334856A1; AR019738A1; US5987999A; BR9911535B1; KR100442461B1; MY124405A; KR20010071691A; EP1095245A1; JP3541010B2; WO2000002020A1

Abstract

1. Przeplywomierz wibracyjny typu Coriolisa z kanalem przeplywowym podluznym, zawierajacy rure przeplywowa, pret równowazacy ustawiony równolegle do rury przeply- wowej, prety usztywniajace do przylaczenia preta równo- wazacego do rury przeplywowej, elementy napedowe do wywolywania drgan rury przeplywowej i preta równowaza- cego w przeciwnych fazach przy czestotliwosci napedowej równej czestotliwosci rezonansowej rury przeplywowej przy przeplywie materialu przez rure przeplywowa i pret równo- wazacy, na rurze przeplywowej sa umieszczone czujniki do wykrywania szybkosci rury przeplywowej, na wyjsciach których wystepuja sygnaly reprezentujace okresowe odchy- lenia Coriolisa rury przeplywowej przy czestotliwosci rezo- nansowej i do czujników jest dolaczony miernik elektronicz- ny, na wyjsciu którego wystepuje informacja o przeplywaja- cym materiale, znamienny tym, ze pret równowazacy (2503, 2603) ma niejednorodny rozklad masy i sztywnosci wzdluz jego dlugosci, tak ze czestotliwosc rezonansowa preta równowazacego w stanie drgan, majacego taka sama liczbe wezlów, jak okresowe odchylenia Coriolisa rury przeplywowej, jest albo mniejsza albo nieznacznie wieksza niz czestotliwosc napedowa iczujniki (SL, SR) maja na wyjsciach sygnaly reprezentujace okresowe odchylenia Coriolisa rury przeplywowej wzgledem przesunietych w fazie lub bedacych w fazie odchylen typu Coriolisa preta równowazacego, przy czestotliwosci napedowej i odchyle- niach Coriolisa rury przeplywowej. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przepływomierz wibracyjny typu coriolisa z kanałem przepływowym podłużnym.

Znane pojedyncze przepływomierze wibracyjne typu coriolisa eliminują problemy związane z zatykaniem przewodów rurowych rozgałęzionych, rozdzielających przepływ przy zastosowaniu podwójnych przepływomierzy wibracyjnych typu coriolisa, jednak ich czułość przepływu jest mniejsza niż podwójnych przepływomierzy typu coriolisa. Czułość przepływu jest mniejsza z dwóch powodów, pierwszym jest to, że przy takiej samej szybkości przepływu, pojedynczy przepływomierz musi mieć rurę przepływową o większej średnicy, co czyni ją bardziej sztywną przy zginaniu i mniej czułą na siły Coriolisa, a drugi powód dotyczy szczegółów przy określaniu masowego natężenia przepływu.

W standardowych, podwójnych przepływomierzach typu coriolisa, rury przepływowe drgają z przesunięciem w fazie względem siebie. Podwójne rury przepływowe działają jako przeciwciężar względem siebie dla tworzenia konstrukcji zrównoważonej dynamicznie. Czujniki szybkości są umieszczone w dwóch położeniach wzdłuż rur przepływowych dla wyczuwania szybkości względnej pomiędzy rurami przepływowymi i są zwykle umieszczone w równych odległościach w obu kierunkach od punktów środkowych rur. Każdy czujnik szybkości składa się z magnesu zamocowanego do jednej rury przepływowej i cewki zamocowanej do drugiej rury przepływowej. Względny ruch cewki przez pole magnetyczne, powoduje wytwarzanie napięcia. Ruch sinusoidalny drgających rur przepływowych powoduje wytwarzanie napięcia sinusoidalnego w każdym czujniku. Gdy nie ma żadnego przepływu materiału, napięcia z dwóch czujników szybkości są w fazie względem siebie. Przy przepływie materiału drgania rur są zakłócane przez siłę Coriolisa poruszającego się materiału, powodując różnicę faz między dwoma napięciami czujników, a natężenie przepływu masy jest proporcjonalna do tej różnicy faz. Ruch obu rur przepływowych jest zakłócany jednakowo i każda rura ma takie samo przesunięcie fazy, jak druga w odpowiednich położeniach.

W pojedynczych przepływomierzach drgająca rura przepływowa jest zrównoważona przez pręt równoważący zamiast drugiej rury przepływowej. Magnesy lub cewki czujników szybkości są zamontowane do pręta równoważącego. Ponieważ materiał nie płynie przez pręt równoważący, nie podlega działaniu jakiejkolwiek siły Coriolisa lub znacznemu przesunięciu fazy przy przepływie. Czujniki szybkości wyczuwają względną szybkość pomiędzy rurą przepływową z przesuniętą fazą i prętem równoważącym bez przesuniętej fazy. Szybkości rury przepływowej i pręta równoważącego przy każdym czujniku szybkości są reprezentowane przez wektory szybkości mające daną amplitudę i kąt fazowy. Szybkość względna i napięcie przesunięte dla każdego czujnika szybkości mogą być określone przez dodanie dwóch wektorów szybkości. Wektor szybkości rury przepływowej ma przesunięcie fazy odpowiednie do przepływu materiału. Wektor szybkości pręta równoważącego ma przesunięcie fazy równe zero. Dodanie tych wektorów daje czyste przesunięcie fazy przy przepływie przez czujnik szybkości. Czyste przesunięcie fazy i napięcie wyjściowe każdego czujnika szybkości są zmniejszone przez pręt równoważący bez przesuniętej fazy. To zmniejszenie czystego przesunięcia fazy jest równe zmniejszeniu czułości przepływu przepływomierza. Zmniejszenie czułości przepływomierza odpowiednio do zerowego przesunięcia fazy pręta równoważącego, wraz ze zmniejszeniem czułości odpowiednio do większej średnicy pojedynczego przepływomierza powoduje czułość tak małą, że powoduje to pogorszenie dokładności.

Znany jest z opisu zgłoszenia europejskiego EP 831 306 standardowy przepływomierz typu coriolisa, mający pojedynczą rurę przepływową otoczoną przez koncentryczny pręt równoważący, który jest członem cylindrycznym, mającym jednorodny rozkład masy i sztywności, oprócz ciężaru w jego osiowym środku. Jedynym celem ciężaru jest zmniejszenie częstotliwości rezonansowej pręta równoważącego w stanie napędowym. Ciężar nie ma żadnego wpływu w drugim stanie zginania, jednak pręt równoważący jest wibracyjnie nieczynny przy częstotliwości drugiego stanu zginania, która jest znacznie większa niż częstotliwość napędowa pierwszego stanu zginania.

Przepływomierz wibracyjny typu coriolisa według wynalazku charakteryzuje się tym, że pręt równoważący ma niejednorodny rozkład masy i sztywności wzdłuż jego długości, tak że częstotliwość rezonansowa pręta równoważącego w stanie drgań, mającego taką samą liczbę węzłów, jak okresowe odchylenia Coriolisa rury przepływowej, jest albo mniejsza albo nieznacznie większa niż częstotliwość napędowa i czujniki mają na wyjściach sygnały reprezentujące okresowe odchylenia Coriolisa rury przepływowej względem przesuniętych w fazie lub będących w fazie odchyleń typu Coriolisa pręta równoważącego, przy częstotliwości napędowej i odchyleniach Coriolisa rury przepływowej.

PL 191 455 B1

Korzystnie pręt równoważący zawiera dodaną masę w obszarach o dużej amplitudzie drgań odchyleń typu Coriolisa i giętkie części w miejscach o dużym momencie zginania odchyleń typu Coriolisa.

Korzystnie pręt równoważący zawiera sztywną część środkową i dodaną masę po każdej stronie sztywnej części środkowej.

Korzystnie pręt równoważący zawiera giętkie części w miejscach po każdej stronie sztywnej części środkowej.

Korzystnie pręt równoważący zawiera pustą przestrzeń w części środkowej.

Korzystnie giętkie części zawierają harmonijki.

Korzystnie pręt równoważący zawiera sztywne człony i giętkie człony na każdej części pręta równoważącego, nie zawierającego sztywnego członu.

Korzystnie rura przepływowa i pręt równoważący są proste.

Korzystnie rura przepływowa ma zakrzywioną część i pręt równoważący ma zakrzywioną część.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie układu pojedynczego przepływomierza wibracyjnego typu coriolisa z prętem równoważącym, zwiększającego i wzmacniającego czułość przepływomierza odnośnie przepływu materiału. Zwiększenie czułości jest osiągane przez zastosowanie pręta równoważącego, odpowiadającego na siły Coriolisa oddziałujące na rurę przepływową przez zginanie, powodujące odchylenia Coriolisa wywoływane przy częstotliwości dalekiej od częstotliwości rezonansowej rury przepływowej.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres wektorowy znanego pojedynczego przepływomierza, fig. 2 - obrotową rurę przepływową, fig. 3 - drgającą rurę przepływową, fig. 4 - siły Coriolisa przykładane do rury przepływowej z fig. 3, fig. 5 - reakcję Coriolisa rury przepływowej z fig. 3, fig.6 - prosty pojedynczy przepływomierz wibracyjny typu coriolisa, fig. 7 i 8 własności wibracyjne pojedynczego przepływomierza typu coriolisa według wynalazku, fig. 9i10 - charakterystyki odpowiedzi częstotliwościowej przepływomierza według wynalazku, fig. 11 i12 - wykresy wektorowe pojedynczego przepływomierza typu coriolisa według wynalazku, fig. 13 - kształt i momenty zginania dla pierwszego stanu zginania pręta równoważącego według wynalazku, fig. 14 - kształt i momenty zginania dla drugiego stanu zginania pręta równoważącego według wynalazku, fig. 15 - przykład wykonania przepływomierza typu coriolisa według wynalazku, fig. 16 i17 - własności odpowiedzi wibracyjnej przepływomierza typu coriolisa zfig. 15, fig. 18 inny przykład wykonania przepływomierza typu coriolisa według wynalazku, fig. 19, 20i21 - własności wibracyjne koncepcyjnie prostego przepływomierza typu coriolisa, fig. 22, 23i24 - własności wibracyjne prostego przepływomierza typu coriolisa według wynalazku, fig. 25 -inny przykład wykonania prostego przepływomierza typu coriolisa według wynalazku ifig. 26 - przepływomierz typu coriolisa według wynalazku, mający zakrzywioną rurę przepływową i otaczający ją pręt równoważący.

Figury wyjaśniają własności siły Coriolisa oddziałującej na rurę przepływową, zakłócenia wytwarzane w rurze przepływowej i jak zakłócenie powoduje przesunięcie fazy wzdłuż rury przepływowej.

Figura 1jest dalej opisana i jest wykresem wektorowym szybkości drgań przepływomierza z fig. 6.

Figura 2 pokazuje rurę 202, przez którą materiał przepływa, gdy obraca się ona przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara wokół końca 201. Siła Coriolisa na jednostkę długości rury 202 może być uzyskana z równania na przyspieszenie Coriolisa Ac i prawa Newtona.

Przyspieszenie Coriolisa może być wyrażone jako:

A_c = 2 (w x n) ω = szybkość płynu n= szybkość płynu

Siła Coriolisa Fc może być wyrażona jako:

F_c = MA_c = 2 M (w x ν) I

M = masa płynu r = gęstość płynu At = obszar przepływurury 1= długość rury jeżeli fluid M = rAt1

Fc = 2rAt1(wx n)

F_c /1 = 2 pA_t (w x ν)

PL 191 455 B1 lecz pA_t n = M M = szybkość przepływu masy

F_c /1 = 2 Mx w

Siła Coriolisa Fc jest jednorodna wzdłuż długości rury 202, ponieważ każda część rury 200 obraca sięztaką samą szybkościąi szybkość przepływu masy jest taka samawcałej rurze przepływowej.

Figura 3 pokazuje prostą rurę przepływową 300, która swobodnie obraca się wokół każdego końca 301 i 302, lecz jest zamocowana z możliwością ruchu postępowego na końcach 301 i 302. Rura przepływowa 300 drga w wyniku działania członu napędowego D w pierwszym stanie zginania przy częstotliwości rezonansowej, jak struna gitary, podczas gdy materiał przepływa przez nią. Gdy rura przepływowa przechodzi przez proste położenie 303 (zerowe przemieszczenie) do dołu, jej lewa połowa obraca się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, podczas gdy jej prawa połowa obraca się przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara. Obroty maleją, gdy następuje zbliżenie do środka rury. Środek nie obraca się, lecz po prostu przesuwa się. Specjalny rozkład sił Coriolisa na rurze przepływowej 300, gdy przechodzi ona przez przemieszczenie zerowe303, jest pokazany na fig. 4. Siła Coriolisa ma przeciwne kierunki w dwóch połowach, ponieważ kierunki obracania się rury są przeciwne. Siła Coriolisa zmniejsza się do zera wśrodku, ponieważ obroty rury zmniejszają się do zerawśrodku.

Inną główną różnicą pomiędzy drgającą rurą 300 z fig. 3i obracającą się rurą 202 z fig. 2 jest to, że drgająca rura 300 nie obraca się wsposób ciągły, lecz zatrzymuje się i zmienia kierunek na odwrotny. Przy odwróceniu kierunku drgań, obroty są zerowe i siła Coriolisa oddziałująca na całą rurę przepływową wynosi zero. Wynikiem jest, że wartość sił Coriolisa na fig. 4 zmienia się sinusoidalnie w czasie, przy czym maksimum występuje, gdy drgania rury przepływowej przechodzą przez amplitudę zerową i maksymalną szybkość, jak to pokazano na fig. 4. Zerowa siła Coriolisa występuje nacałej rurze przepływowej, rura przepływowa osiąga maksymalną amplitudę drgań i zerową szybkość wpierwszym stanie zginania (napędowym). Częstotliwość sinusoidalnej siły Coriolisa przykładanej do rury przepływowej jest taka sama, jak częstotliwość, przy której ona drga, mianowicie częstotliwość drgań pierwszego stanu zginania (napędowego) rury przepływowej.

Rura przepływowa 300 zgina się w reakcji na okresową siłę Coriolisa, jak to pokazano na fig. 5. Linia ciągła pokazuje kształt (znacznie powiększony), jaki rura przyjmuje w reakcji na siłę Coriolisa, gdy rura przechodzi do dołu przez przemieszczenie zerowe w stanie napędowym. Linia kreskowa pokazuje kształt, jaki rura przyjmuje, gdy przesuwa się ona do góry przez przemieszczenie zerowe w stanie napędowym. Zauważmy, że jedynym punktem na rurze przepływowej, który w rzeczywistości przechodzi przez zero wtej chwili, jest punkt środkowy na rurze. Kształt z fig. 5 jest podobny do kształtu drugiego stanu zginania. Jednak jest to po prostu zgodność. Częstotliwość drugiego stanu zginania rury przepływowej jest znacznie większa niż częstotliwość, przy której jest przykładana siła Coriolisa zfig. 4 (częstotliwość pierwszego stanu zginania). Jeżeli rura przepływowa jest wzbudzana przez siły Coriolisa znacznie poniżej jej częstotliwości rezonansowej drugiego stanu zginania, to odchylenie powodowane przez siły Coriolisa zfig. 5 i siła Coriolisa z fig. 4 występują wfazie względem siebie. Rura przepływowa 300 przyjmuje zatem kształt zfig. 5, gdy przecina oś zerowego przemieszczenia 303 w stanie drgań napędowych (pierwszego zginania). Przepływ materiału powoduje nakładanie się drgań wywoływanych przez siły Coriolisa na fig. 5 na drgania napędowe z fig. 3. To jest pokazane na fig. 6. Oba drgania występują przy częstotliwości napędowej pierwszego stanu zginania, lecz mają one przesuniętą fazę względem siebie o dziewięćdziesiąt stopni. Maksimum przemieszczenia wywoływanego przez siły Coriolisa (linie ciągłe) występuje, gdy pierwszy stan zginania jest przy przemieszczeniu zerowym wzdłuż osi 303. Przemieszczenie Coriolisa staje się zerowe, gdy pierwszy stan zginania ma maksymalne przemieszczenie (linie kreskowe). Figura 6 jest analogiczna do fig. 4 przez to, że reprezentuje stan rury przepływowej na tyle, na ile dotyczy to odchyleń Coriolisa w czasie, gdy rura przepływowa 300 przecina ośzerową 303.W tym czasie i jedynie wtym czasie siły Coriolisa i odchylenia wywoływane przez siły Coriolisa mają maksymalną amplitudę. Jak już wyjaśniono na fig. 4, siły Coriolisa zmniejszająsięi ostatecznie stają się równezero, gdy odchylenie rury przepływowej 300 osiąga maksimum albo w kierunku do góry albo do dołu. W tym czasie szybkość rury przepływowej jest zero i takie są przykładane siły Coriolisa i wynikowe odchylenie Coriolisa. Zatem sinusoidalna odpowiedź Coriolisa, pokazana na fig. 5, zmienia sinusoidalnie amplitudę przy częstotliwości napędowej, gdy rura przepływowa 300 drga sinusoidalnie w pierwszym stanie zginania pomiędzy maksymalPL 191 455 B1 nym odchyleniem dodatnim i ujemnym przez sygnał napędowy. Amplituda przemieszczenia Coriolisa, pokazana na fig. 5 i6, jest znacznie powiększona dla wyjaśnienia. Amplituda jest w rzeczywistości znacznie mniejsza niż amplituda pierwszego stanu zginania rury przepływowej 300, ponieważ pierwszy stan zginania występuje przy częstotliwości rezonansowej rury przepływowej, a stan Coriolisa nie. Zatem odkształcenia Coriolisa, pokazane na wszystkich figurach, są znacznie powiększone.

Opóźnienie fazowe, związane z przepływem materiału w znanych miernikach, jest wynikiem nakładania się pierwszego stanu zginania (napędowego) i odchylenia Coriolisa rury przepływowej. Na fig. 5 widać, że prawy czujnik szybkości SR przecina przemieszczenie zerowe przed lewym czujnikiem szybkości SL. Należy stwierdzić, że lewy czujnik ijego napięcie wyjściowe mają opóźnioną fazę względem prawego czujnika ijego napięcia wyjściowego. Przeciwnie, można również stwierdzić, że prawy czujnik SR wyprzedza fazą lewy czujnik SL. Różnica faz (czyli opóźnienie czasowe) jest proporcjonalna do amplitudy przemieszczenia wywoływanego przez siły Coriolisa, które z kolei jest proporcjonalne do szybkości przepływu masy.

Wynalazek powoduje przesunięcie rzędu częstotliwości dla kształtów różnych stanów pręta równoważącego. Stany wibracyjne są określane zgodnie zich kształtami, anie ich rzędem częstotliwości. Pierwszy stan zginania będzie następnie omawiany jako pokazany na fig. 3. W drugim stanie zginania będzie występował kształt pokazany na fig. 5. Użyteczną regułą jest to, że liczba stanów jest równa liczbie węzłów minus jeden. Pierwszy stan ma dwa węzły (na końcach). Drugi stan ma trzy węzły (na końcach i w środku). Trzeci stan zginania ma cztery węzły itd.

W konwencjonalnych, pojedynczych przepływomierzach Coriolisa, pręt równoważący drga tylko w pierwszym stanie zginania i nie ma żadnej reakcji na siły Coriolisa oddziałujące na rurę przepływową. Figura 6 pokazuje pojedynczy przepływomierz Coriolisa 600 mający rurę przepływową 601 ipręt równoważący 602 dołączony przez pręt usztywniający 603 i604 na końcach pręta równoważącego 602. Linie ciągłe zfig. 6 pokazują rurę przepływową 601 ipręt równoważący 602, gdy przecinają one oś przemieszczenia zerowego 303 w pierwszym stanie zginania (napędowym) przy przepływie materiału. Na fig. 6 nie występują żadne odchylenia Coriolisa pręta równoważącego 602. Linie kreskowe pokazują rurę przepływową i pręt równoważący przy przedłużeniu na zewnątrz ich drgań w pierwszym stanie zginania (napędowym).

Figura 1 jest wykresem wektorowym ujawniającym szybkości wibracyjne wytwarzane przez konwencjonalny, pojedynczy, prosty przepływomierz Coriolisa, jak przedstawiony na fig. 6. Reakcją rury przepływowej przy prawym czujniku szybkości SR jest wektor 103, który ma wyprzedzającą fazę, rury f, reprezentowaną przez kąt pomiędzy wektorem 103 iosią rzeczywistą 102. Przy szybkości wibracyjnej pręta równoważącego nie następuje przesunięcie fazy od osi 102, ponieważ na pręt równoważący nie oddziałują wytwarzane siły Coriolisa w rurze przepływowej. Wektor 106 pręta równoważącego jest pokazany wzdłuż osi rzeczywistej 102 ijest oznaczony Vpr rów. Suma wektorów szybkości rury przepływowej i pręta równoważącego jest 105. Wektor 105 ma kąt fazowy fnet reprezentujący złożone szybkości ifazy wektorów dla rury przepływowej i pręta równoważącego. Zauważmy, że czysty kąt fazowy przesunięty względem prawego czujnika SR jest mniejszy niż kąt fazowy dla samej rury. Zmniejszenie kąta fazowego (i czułości) jest związane z brakiem przesunięcia fazy pręta równoważącego w konwencjonalnych, pojedynczych miernikach.

W jednym przykładzie wykonania wynalazku, jak pokazany na fig. 7, jest zapewniony pręt równoważący, którego częstotliwość rezonansowa drugiego stanu zginania jest nieznacznie mniejsza niż częstotliwość napędowa pierwszego stanu zginania. Odchylenie Coriolisa rury przepływowej 601 wzbudza drugi stan zginania w pręcie równoważącym 602 przy pomocy prętów usztywniających 603 i604. Amplituda drgań pręta równoważącego 602 w drugim stanie zginania jest proporcjonalna do amplitudy odchylenia Coriolisa rury przepływowej 601, awięc proporcjonalna do szybkości przepływu materiału. Amplituda drgań pręta równoważącego 602 w drugim stanie zginania na fig. 7 jest także funkcją rozdzielenia pomiędzy częstotliwością pierwszego stanu zginania (napędową) i częstotliwością rezonansową drugiego stanu zginania pręta równoważącego. Im bliższa jest częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego względem częstotliwości pierwszego stanu zginania (napędowej), tym większa będzie amplituda drgań pręta równoważącego w drugim stanie zginania. Ten związek jest pokazany szczegółowo na fig. 9, która jest wykresem amplitudy drgań pręta równoważącego w drugim stanie zginania względem stosunku pomiędzy częstotliwością pierwszego stanu zginania (napędową) i częstotliwością rezonansową drugiego stanu zginania pręta równoważącego 602. Oś x 902 wskazuje stosunek pomiędzy częstotliwością pierwszego stanu zginania (napędową) i częstotliwością rezonansową drugiego stanu zginania pręta równoważącego. Oś y 901 reprezentuje

PL 191 455 B1 współczynnik wzmocnienia odpowiedzi Coriolisa pręta równoważącego 602. Jak widać, odpowiedź Coriolisa wywoływana w pręcie równoważącym 602 jest maksymalna, gdy stosunek pomiędzy częstotliwością napędową i częstotliwością rezonansową drugiego stanu zginania pręta równoważącego jest 1,0. Odpowiedź Coriolisa 904 pręta równoważącego maleje w kierunku zera od maksimum, gdy stosunek dwóch częstotliwości na fig. 9 staje się większy od 1,0. Odpowiedź Coriolisa pręta równoważącego maleje także od maksimum, gdy stosunek tych dwóch częstotliwości staje się mniejszy niż jeden. Figura 9 pokazuje, że gdy te dwie częstotliwości są stosunkowo bliskie, amplituda Abb drgań pręta równoważącego w drugim stanie zginania może być znacznie większa niż amplituda wywoływana przez siły Coriolisa w rurze przepływowej 601. Jak jest opisane dalej, w korzystnym przykładzie wykonania wynalazku przepływomierz Coriolisa jest sterowany w warunkach, w których częstotliwość rezonansowa drugiego stanu zginania jest nieznacznie mniejsza niż częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędowa). W takich warunkach stosunek częstotliwości jest nieznacznie większy niż jeden. W innym przykładzie wykonania stosunek tych dwóch częstotliwości może być nieznacznie mniejszy niż jeden. Wówczas przepływomierz Coriolisa jest sterowany tak, że jego odpowiedź 904 na fig. 9 jest nieznacznie na lewo od odciętej 903, reprezentując stosunek 1,0.

Faza drgań drugiego stanu zginania pręta równoważącego względem fazy odchylenia Coriolisa rury przepływowej zależy od związku częstotliwości rezonansowej drugiego stanu zginania z częstotliwością pierwszego stanu zginania (napędową), jak pokazano na fig. 10. Pamiętajmy, że to nie jest stan napędowy, który powoduje wzbudzenie drugiego zginania w pręcie równoważącym, lecz raczej odchylenie rury przepływowej, które występuje przy częstotliwości napędowej. Jeżeli częstotliwość rezonansowa drugiego stanu zginania pręta równoważącego jest większa niż częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędowa) (stosunek mniejszy niż 1,0), wówczas pręt równoważący w drugim stanie drga w fazie z drganiami Coriolisa rury przepływowej, jak pokazano na fig. 8. Jeżeli częstotliwość drugiego stanu pręta równoważącego jest poniżej częstotliwości napędowej (stosunek większy niż 1,0), wówczas pręt równoważący w drugim stanie drga z przesunięciem fazy względem drgań Coriolisa rury przepływowej, jak pokazano na fig. 7.

Gdy w drugim stanie zginania pręta równoważącego jest przesunięta faza względem odchylenia Coriolisa rury przepływowej, jak na fig. 7, zarówno magnes jak i cewka lewego czujnika szybkości SL mają opóźniony punkt środkowy rury przepływowej, podczas gdy zarówno magnes jak i cewka prawego czujnika szybkości SR mają punkt środkowy rury przepływowej z wyprzedzeniem. Sygnał na wyjściu każdego czujnika nie ma dłużej fazy zmniejszonej o zerowe przesunięcie fazy pręta równoważącego (fig. 1), jak w znanych przepływomierzach. Ponadto amplituda drgań drugiego stanu zginania pręta równoważącego 602 (a wiec przesunięcie fazy czujnika szybkości) może być znacznie zwiększona przez zaprojektowanie jej tak, że częstotliwość rezonansowa jest bliska częstotliwości napędowej. To powoduje duży wzrost czułości przepływomierza.

Wykres wektorowy przepływomierza Coriolisa, mający częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego nieznacznie mniejszą niż częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędową), jest pokazany na fig. 11. Oś x 1102 reprezentuje składową szybkości rzeczywistej wektora. Oś y 1101 reprezentuje składową urojoną wektora. Wektor szybkości pręta równoważącego jest 1103. Wektor szybkości rury przepływowej jest 1104 i, jak widać, przesunięcie fazy f wektora 1104 rury przepływowej jest mniejsze niż przesunięcie fazy fpr rów wektora 1103 pręta równoważącego. Czysty sygnał przesunięty względem czujnika szybkości SR jest sumą wektorową (fazy i amplitudy) wektora 1103 pręta równoważącego i wektora 1104 rury przepływowej. Wektor 1105 reprezentuje czysty sygnał wyjściowy czujnika szybkości SR i wykazuje różnicę fazy fnet względem osi x. Ponieważ czysta faza czujnika SR jest większa niż faza rury przepływowej, ta geometria wydaje się mieć większą czułość niż znane mierniki z fig. 6, których wykres wektorowy jest pokazany na fig. 1.

Figura 8 pokazuje przykład wykonania, w którym częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego jest nieznacznie większa niż częstotliwość napędowa pierwszego stanu zginania. Rura przepływowa 601 i pręt równoważący 602 są napędzane z przesunięciem fazy względem siebie w pierwszym stanie zginania, powodując, że są w fazie w drugim stanie zginania Coriolisa. To powoduje, że dwie części każdego czujnika szybkości (magnes i cewka) kasują się wzajemnie w fazie. Na fig. 8 składowa prawego czujnika szybkości SR, oddziałująca na rurę przepływową, przekroczyła już zero (fazę wyprzedzającą), podczas gdy składowa SR oddziałująca na pręt równoważący nie przekroczyła jeszcze zera (faza opóźniająca się). Gdy te dwa wektory szybkości są dodawane, jak dla napięcia wyjściowego czujnika, wyprzedzenie i opóźnienie fazy dążą do kasowania się wzajemnie. To samo jest prawdziwe dla lewego czujnika SL. Wynikiem jest zmniejszenie czułości przepływomierza.

PL 191 455 B1

Figura 12 przedstawia dodawanie wektorów dla pręta równoważącego mającego częstotliwość drugiego stanu zginania nieznacznie większą niż częstotliwość napędowa pierwszego stanu zginania. Wektor szybkości 1204 składowej prawego czujnika na rurze przepływowej jest przesunięty od osi x 1202 okąt frury. Wektor szybkości 1203 składowej prawego czujnika na pręcie równoważącym jest pokazany w czwartym kwadrancie ijest przesunięty od osi x okąt fpr rów. Suma wektorowa wektora 1204 rury przepływowej i wektora 1203 pręta równoważącego jest wektorem 1205 i widać jego przesunięcie od osi x 1202 o kąt fnet. Jak widać, czysta faza wektora 1205 jest teraz w ujemnym czwartym kwadrancie. Ujemna faza pręta równoważącego dodana do dodatniej fazy rury przepływowej była wystarczająca do zmniejszenia fazy (i czułości) w obszarze ujemnym. Oznacza to rzeczywiście, że dodatni przepływ materiału powoduje wskazany przepływ w ujemnym kierunku. To może być zrealizowane przez zmianę znaku wskazanej szybkości przepływu, lecz istnieje inna przyczyna, dlaczego częstotliwość drugiego zginania pręta równoważącego, nieznacznie większa niż częstotliwość napędowa, jest mniejsza niż zalecana.

Konfiguracja z fig. 7, w której częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego jest mniejsza niż częstotliwość stanu napędowego, jest także zalecana do poprawy równowagi przepływomierza. W tej konfiguracji siła Coriolisa oddziałująca na rurę przepływową 601 może być zrównoważona przez reakcję drugiego stanu zginania pręta równoważącego. W konwencjonalnych, pojedynczych przepływomierzach Coriolisa, pręt równoważący dynamicznie równoważy siły bezwładnościowe oddziałujące na rurę przepływową tylko w pierwszym stanie zginania (napędowym). W drugim stanie zginania pręta równoważącego jest znacznie większa częstotliwość niż przy odkształceniu Coriolisa rury przepływowej (które występuje przy częstotliwości napędowej). Zatem drugi stan zginania nie jest wywoływany w pręcie równoważącym znanych, pojedynczych przepływomierzy Coriolisa. To powoduje, że siły Coriolisa są niezrównoważone, jak na fig. 6, i następują drgania przepływomierza. Amplituda drgań, która jest funkcją zarówno szybkości przepływu jak i sztywności montażu, może spowodować zmianę czułości przepływomierza, spowodowaną przez zmianę odległości pomiędzy czujnikami szybkości i końcowymi węzłami drgań. Ponieważ sztywność montażu zwykle nie jest znana, zmiany czułości nie można przewidzieć lub skompensować.

W przepływomierzu Coriolisa według wynalazku drugi stan zginania pręta równoważącego jest wzbudzany przez odchylenia Coriolisa rury przepływowej. Gdy częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego jest mniejsza niż częstotliwość napędowa pierwszego stanu zginania, następują drgania w tych dwóch stanach z przesunięciem fazy względem siebie i bezwładnościowe siły wibracyjne drugiego stanu zginania pręta równoważącego znacznie kasują zjawisko drgań wywoływane przez siłę Coriolisa oddziałującą na rurę przepływową, jak to pokazano na fig. 7. Ponieważ źródłem wzbudzenia pręta równoważącego dla drugiego stanu zginania jest odchylenie Coriolisa rury przepływowej, amplituda drgań w drugim stanie zginania pręta równoważącego wzrasta, gdy siła Coriolisa oddziałująca na rurę przepływową wzrasta. To zapewnia taki sam stopień równowagi dynamicznej przy wszystkich szybkościach przepływu.

Dotychczas zostały omówione dwa przykłady wykonania: mający częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego większą niż częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędową) i korzystny przykład wykonania, który ma częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego mniejszą niż częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędową). Trzecią możliwością jest stosowanie dwóch częstotliwości równych. To jest możliwe i jest najbardziej czułym i najlepiej zrównoważonym przykładem wykonania. Jednak występuje jeden główny problem. Rura przepływowa i pręt równoważący są oba napędzane wich pierwszym stanie zginania (który odpowiada teraz częstotliwości drugiego stanu zginania pręta równoważącego). Częstotliwość drgań dla pierwszego stanu zginania zmienia się wraz z gęstością przepływającego materiału, ponieważ masa związana z rurą przepływową zmienia się wraz z gęstością przepływającego materiału. Jednak częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego nie zmienia się znacznie wraz z gęstością płynu, ponieważ nie zawiera on żadnego płynu. To stwarza sytuację, w której dwie częstotliwości (napędowa i drugiego zginania) dopasowują się tylko dla jednej gęstości materiału. W przypadku lżejszych materiałów częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego jest mniejsza niż częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędowa) i w przypadku cięższych materiałów jest ona większa od częstotliwości pierwszego stanu zginania (napędowej). W przypadku lekkiego materiału rura przepływowa i pręt równoważący następnie drgają z przesunięciem fazy w stanie drugiego zginania Coriolisa, a w przypadku ciężkiego materiału drgają one w fazie w stanie drugiego zginania Coriolisa. Ponadto wzmocnienie czułości przepływomierza zmienia się znacznie wraz z gęstością materiału, gdy częstotliwość drugiego

PL 191 455 B1 stanu zginania pręta równoważącego jest w bezpośredniej bliskości częstotliwości napędowej (fig. 9). Ta zmiana czułości przepływomierza może być skompensowana elektronicznie w oparciu o częstotliwość. Jednak dla dużej stabilności przepływomierza, najlepsza konstrukcja ma częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego dość daleko poniżej częstotliwości napędowej pierwszego stanu zginania, żeby gęstość nieoczekiwanie zawartego płynu nie mogła spowodować dopasowania częstotliwości. Najlepszy projekt ma także częstotliwości wystarczająco bliskie dla wzbudzenia pręta równoważącego w drugim stanie zginania.

Poprzedni opis dotyczył wymaganego związku częstotliwości drugiego stanu zginania pręta równoważącego z częstotliwością napędową pierwszego stanu zginania. Korzystny przykład wykonania ma częstotliwość drugiego stanu zginania wystarczająco poniżej częstotliwości napędowej pierwszego stanu zginania, tak że materiały o dużej gęstości nie powodują przecięcia dwóch częstotliwości. Występowanie częstotliwości drugiego stanu zginania poniżej częstotliwości napędowej pierwszego stanu zginania jest unikalną sytuacją, którą niektórzy mogliby nazwać niemożliwą. Dalej są podane szczegóły projektowe, za pomocą których jest to osiągane.

Dwoma czynnikami, które określają częstotliwość rezonansową drgającej konstrukcji są masa i sztywność sprężystości. Równanie na częstotliwość rezonansową jest:

w= gdzie k = sztywność sprężystości, M = masa.

W celu uzyskania częstotliwości drugiego stanu zginania poniżej częstotliwości pierwszego stanu zginania (napędowej), należy dokonać zmiany w konwencjonalnym pręcie równoważącym, które zarówno zwiększają częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędowego), jakizmniejszają częstotliwość drugiego stanu zginania. Zarówno zwiększenie masy jakizmniejszenie sztywności sprężystości (sztywności) służą do zmniejszenia częstotliwości. Dla zmniejszenia częstotliwości rezonansowej drugiego stanu zginania, tak że jest ona mniejsza niż częstotliwość napędowa pierwszego stanu zginania, jest wymagane, żeby masa i sztywność pręta równoważącego były zmodyfikowane w obszarach, w których mają większe znaczenie w jednym stanie niż w drugim. Zmiana masy w obszarach o małej amplitudzie drgań ma mały wpływ. Podobnie zmiana sztywności k w obszarach o małym momencie zginania ma mały wpływ.

Figury 13 i14 pokazują wykresy kształtów stanu i momentów zginania w pierwszym i drugim stanie zginania pręta równoważącego 1301. W celu zmiękczenia (zmniejszenia) k w drugim stanie zginania bez zmiękczenia k w pierwszym stanie zginania sztywność pręta równoważącego 1301 może być zmniejszona wtych obszarach, w których moment zginania jest bliski zeru w pierwszym stanie zginania i duży w drugim stanie zginania. Linie kreskowe ioraz ii zfig. 13i14 pokazują te dwa położenia 1306 i 1308. Zmniejszenie sztywności k pręta równoważącego 1301 w położeniach 1306 i 1308 ma mały wpływ na częstotliwość w pierwszym stanie zginania zfig. 13, ponieważ rura przepływowa jest stosunkowo prosta imamały moment zginania wtych położeniach w pierwszym stanie zginania. Zatem zmniejszenie sztywności w położeniach 1306 i1308 nie wpływa na częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędową). Jednak, jak pokazano na fig. 14, w położeniach 1306 i1308 jest duży moment zginania dla drugiego stanu zginania. Zatem zmniejszenie sztywności czyli sztywności sprężystości pręta równoważącego w położeniach 1306 i1308 powoduje zmniejszenie częstotliwości drugiego stanu zginania.

Częstotliwość pierwszego stanu zginania pręta równoważącego 1301 może być zwiększona przez wzrost sztywności wtych obszarach, w których ma on duży moment zginania w pierwszym stanie zginania i w których drugi stan zginania ma moment zginania bliski zeru. Linia iii z fig. 14 pokazuje to położenie jako 1307. Zbadanie fig. 13i14 wykazuje, że w położeniu 1307 pręt równoważący 1301 ma duży moment zginania w pierwszym stanie zginania zfig. 13 imały moment zginania w drugim stanie zginania z fig. 14. Zatem pręt równoważący, który ma zwiększoną sztywność w obszarze 1307, będzie miał większą częstotliwość napędową, pozostawiając częstotliwość drugiego stanu zginania zfig. 14 bez zmian.

W celu dalszego zmniejszenia częstotliwości drugiego stanu zginania względem częstotliwości pierwszego stanu zginania, masa pręta równoważącego 1301 może być zwiększona wtych obszarach, które mają dużą amplitudę w drugim stanie zginania i małą amplitudę w pierwszym stanie zginania. To są położenia ioraz ii na fig. 13-17. Również zmniejszenie masy w części linii iii pręta równoważącego 1301 zfig. 13-17 powoduje zwiększenie częstotliwości napędowej bez wpływu na częstoPL 191 455 B1 tliwość drugiego stanu zginania, ponieważ, jak widać na fig. 13 i 14, amplituda drgań dla pierwszego stanu zginania jest duża w położeniu 1307, natomiast amplituda drgań dla drugiego stanu zginania jest mała, jak pokazano na fig. 14. Zatem usunięcie pewnej masy z położenia 1307 pręta równoważącego powoduje wzrost częstotliwości napędowej, lecz nie wpływa na częstotliwość drugiego stanu zginania.

Figura 15 pokazuje przykład wykonania tej konstrukcji. Sztywność pręta równoważącego 1503 jest zmniejszona przez usunięcie materiału z części 1508 i 1509 po każdej stronie elementu środkowego obszaru 1506. To powoduje zwiększenie częstotliwości napędowej tylko nieznacznie, natomiast zmniejszenie drugiej częstotliwości zginania znacznie. Masa 1504 i 1505 jest także dodawana do pręta równoważącego 1503 na zewnątrz obszaru 1508 i 1509 o zmniejszonej sztywności. To powoduje zmniejszenie dalej częstotliwości drugiego stanu zginania. Masa jest usuwana ze środkowej części 1506 pręta równoważącego 1503, pozostawiając pustą przestrzeń 1507. Figura 16 pokazuje uzyskiwany kształt dla stanu napędowego i fig. 17 pokazuje uzyskiwany kształt drugiego stanu zginania Coriolisa dla przepływomierza z fig. 15.

Figura 18 pokazuje inny przykład wykonania wynalazku, wykorzystujący harmonijki 1808i 1809 do zmniejszenia sztywności pręta równoważącego. Przykład wykonania z fig. 18 jest podobny do pokazanego na fig. 15, 16 i 17 przez to, że ma element środkowy 1806 porównywalny z elementem 1506 z fig. 15. Przykład wykonania zfig. 18 ma dalej zmniejszony obszar 1807 masy porównywalny z elementem 1507 zfig. 15. Ma on także dodane masy 1504 i 1505 porównywalne z dodanymi masami zfig. 15. Giętkie harmonijki 1808 i 1809 na fig. 18 mają zmniejszoną sztywność porównywalną z elementami 1508i 1509 na fig. 15. Te własności przykładu wykonania z fig. 18 służą do zwiększenia częstotliwości napędowej i zmniejszenia częstotliwości drugiego stanu zginania wtaki sam sposób, jak w przypadku przykładu wykonania z fig. 15.

Te cechy konstrukcji opisanej w oparciu o fig. 15-18 mogą najlepiej doprowadzić częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego 1503 do dołu do częstotliwości pierwszego stanu zginania (napędowej). To może być przedstawione przez założenie, że część środkowa pręta równoważącego 1503 nie ma żadnej masyi obszary o zmniejszonej sztywności pręta równoważącego nie mają żadnej sztywności. W tym najbardziej skrajnym przypadku, sekcja środkowa pręta równoważącego może być całkowicie pominięta i pręt równoważący 1503 zachowuje się tak, jak dwie niezależne belki wspornikowe 1511 (fig. 19). Kształt w pierwszym stanie zginania (napędowym) wygląda wówczas, jak na fig. 20, a kształt w drugim stanie zginania Coriolisa wygląda jak na fig. 21. Nie ma żadnej różnicy w kształtach pręta równoważącego pomiędzy stanem napędowym i drugim stanem zginania, oprócz tego, że w stanie napędowym zfig. 20 dwa końce 1511 belki pręta równoważącego są w fazie i w drugim stanie zginania zfig. 21 mają one przesuniętą fazę względem siebie. Ponieważ końce pręta nie są połączone, ich związek fazowy względem siebie nie wprowadza różnicy do ich częstotliwości rezonansowych. Zatem w drugim stanie zginania (z przesuniętą fazą) z fig. 21 występuje częstotliwość równa odpowiadającej pierwszemu stanowi zginania (w fazie) z fig. 20.

Cecha końcowej konstrukcji, potrzebna do zmniejszenia częstotliwości drugiego stanu zginania poniżej częstotliwości napędowej, może być osiągnięta przez zmianę sztywności sprężystości pręta równoważącego, tak że ma ona mniejszą sztywność w drugim stanie zginania niż w pierwszym stanie zginania. Istotą tej cechy konstrukcyjnej jest to, że pręt równoważący jest wykonany jako skrajnie sztywny (oprócz dwóch obszarów 1508 i 1509 o zmniejszonej sztywności z fig. 22), tak że większość zgięcia występuje w pręcie usztywniającym 1502. Czysta sztywność pręta równoważącego 1503 staje się wówczas funkcją stosunku amplitud drgań pomiędzy prętem równoważącym 1503 i rurą przepływową 1501. Pręt równoważący jest wykonany jako sztywny w elementach 1511. To powoduje usuwanie skutecznej sprężystości z pręta równoważącego 1503 i koncentrację sprężystości w pręcie usztywniającym 1502, tak że sprężystość jest w pobliżu węzłów końcowych. Przesunięcie położenia węzłowego może wówczas mieć znaczny wpływ na skuteczną sztywność sprężystości pręta równoważącego.

Na figurze 22 rura przepływowa 1501 i pręt równoważący 1503 mają równe amplitudy drgań stanu napędowego. Figura 23 pokazuje tę samą amplitudę drgań stanu napędowego pręta równoważącego w połączeniu z amplitudą drgań rury przepływowej bliską zera. Na obu figurach pręt usztywniający 1502 ma nieruchomą płaszczyznę węzłową 2201 pomiędzy rurą przepływową 1501 i prętem równoważącym 1503. Nieruchoma płaszczyzna węzłowa 2201 jest płaszczyzną drgań zerowych i nie drga ani z rurą przepływową ani prętem równoważącym. Na fig. 22, z powodu równych amplitud drgań, nieruchoma płaszczyzna węzłowa 2201 jest umieszczona w przybliżeniu w połowie pomiędzy

PL 191 455 B1 rurą przepływową 1501i prętem równoważącym 1503. Na fig. 23 rura przepływowa 1501 ma znacznie mniejszą amplitudę drgań (i większą masę) i dlatego nieruchoma płaszczyzna węzłowa 2201 w pręcie usztywniającym 1502 jest umieszczona bardzo blisko rury przepływowej 1501. O ile dotyczy to dynamiki układu, nieruchoma płaszczyzna węzłowa 2201 oznacza koniec obszaru sprężystego pręta równoważącego 1503 w każdym pręcie usztywniającym 1502. Krótsza sprężystość skuteczna pręta równoważącego 1503 z fig. 22 daje większą skuteczną sztywność niż dłuższa sprężystość skuteczna pręta równoważącego 1503 z fig. 23. Gdy większość funkcji sprężystości pręta równoważącego 1503 występuje w prętach usztywniających 1502, większy stosunek amplitudy rury przepływowej/pręta równoważącego daje krótszy i sztywniejszy skuteczny obszar sprężystości pręta równoważącego niż mniejszy stosunek amplitud. Tak więc konstruując miernik tak, że ma on większy stosunek amplitud rury przepływowej/pręta równoważącego w pierwszym stanie zginania (napędowym) niż w drugim stanie zginania Coriolisa, można uzyskać drugi stan zginania Coriolisa mający mniejszą częstotliwość rezonansową niż pierwszy stan zginania (napędowy). To jest wyjaśnione poniżej.

Stosunek amplitud drgań w stanie napędowym jest określony przez masę i sztywność dwóch drgających członów. Rura przepływowa 1501 i pręt równoważący 1503 mają równe częstotliwości rezonansowe (i muszą mieć dla dynamicznie zrównoważonego przepływomierza), wówczas następujący związek jest prawdziwy:

(KZ = (Kbb7

V^Kt \^Mbb

Również utrzymane jest prawo zachowania pędu:

^Mt^Vt^{= M}bb^Vbb

Widać z tych dwóch praw, że stosunek amplitud drgań jest odwrotnością stosunku mas, a także że stosunek masi stosunek sztywności muszą być równe:

At = ^Mbb = ^Kbb Abb ^Mt ^Kt

Zatem pręt równoważący 1503 ma mniejszą amplitudę drgań niż rura przepływowa 1501, a pręt równoważący musi mieć większą masęi sztywność niż rura przepływowa.

Częstotliwość napędowa jest zwiększana powyżej częstotliwości drugiego stanu zginania Coriolisa w następujący sposób. Stosunek amplitud drgań w pierwszym stanie zginania pomiędzy rurą przepływową 1501 i prętem równoważącym 1503 jest stosowany duży. To jest realizowane przez zastosowanie pręta równoważącego 1503 i jego elementów 1511 jako ciężkich i sztywnych w porównaniu z rurą przepływową 1501. Wynikiem jest to, że nieruchoma płaszczyzna węzłowa 2201 w pręcie usztywniającym 1502 jest bliska prętowi równoważącemu 1503. To powoduje, że sztywność sprężysta pręta równoważącego 1503 (w stanie napędowym) jest duża. Jednak w drugim stanie zginania Coriolisa stosunek amplitud jest odwrotny. Amplituda odchylenia Coriolisa rury przepływowej jest mała, ponieważ nie jest napędzana przy częstotliwości rezonansowej przez siłę Coriolisa. Amplituda pręta równoważącego w drugim stanie zginania jest duża, ponieważ jest ona wywoływana przez odchylenie Coriolisa rury przepływowej 1501 przy lub blisko częstotliwości rezonansowej drugiego stanu zginania. Stosunek amplitud drgań rury przepływowej/pręta równoważącego w drugim stanie zginania Coriolisa jest więc mały i powoduje, że nieruchome płaszczyzny węzłowe są bliskie rurze przepływowej 1501. To powoduje, że sprężystość prętów równoważących są stosunkowo długie i sztywność sprężysta pręta równoważącego mała w drugim stanie zginania Coriolisa. To powoduje zmniejszenie częstotliwości drugiego stanu zginania. Drugi stan zginania Coriolisa z małym stosunkiem amplitud jest pokazany na fig. 24. Ponieważ stosunek amplitud drgań jest duży w stanie napędowym i jest mały wdrugim stanie zginania Coriolisa, sprężystości prętów równoważących (które występują w pręcie usztywniającym 1502) są sztywniejsze w stanie napędowym niż w drugim stanie zginania Coriolisa. To umożliwia, że w drugim stanie zginania jest rzeczywiście mniejsza częstotliwość niż w pierwszym stanie zginania napędowym.

W skrócie, występują cztery cechy konstrukcyjne, które charakteryzują wynalazek. Po pierwsze, sztywność pręta równoważącego 1503 jest zmniejszona po obu stronach obszaru środkowego 1506. To powoduje zmniejszenie częstotliwości rezonansowej drugiego stanu zginania pręta równoważącego. Realizowane jest to przez elementy 1508 i 1509, które są giętkie i mają małą sztywność sprężyPL 191 455 B1 stości. Po drugie, masa pręta równoważącego 1503 jest zmniejszona w obszarze środkowym 1506 izwiększona bezpośrednio na zewnątrz obszarów 1508 i1509 ozmniejszonej sztywności. To powoduje zwiększenie częstotliwości napędowej i zmniejszenie częstotliwości drugiego stanu zginania pręta równoważącego. Po trzecie, pręt równoważący 1503 jest wykonany jako sztywny welementach belkowych 1511, tak że większość sprężystości konstrukcji drgającej występuje w pręcie usztywniającym 1502. To powoduje, że sztywność sprężystości pręta równoważącego staje się funkcją stosunku amplitud drgań pomiędzy rurą przepływową i prętem równoważącym. Po czwarte, względna masa isztywność rury przepływowej 1501 i pręta równoważącego 1503 jest taka, że stosunek amplitud drgań (rura przepływowa/pręt równoważący) jest większy wstanie napędowym niż wdrugim stanie zginania Coriolisa. To umożliwia, że drugi stan zginania pręta równoważącego ma częstotliwość rezonansową nieznacznie mniejszą niż pierwszy stan zginania (napędowy). Może nie być potrzebne wykorzystanie wszystkich cech konstrukcyjnych dla oddziaływania na zwiększenie czułości przepływomierza Coriolisa według wynalazku. Jest tylko potrzebne wykorzystanie wystarczających tych cech dla zmniejszenia częstotliwości drugiego stanu zginania pręta równoważącego 1503 poniżej częstotliwości napędowej.

Poprzednio opisane przykłady wykonania wynalazku mają postać pojedynczej, prostej rury z równoległym prętem równoważącym poza rurą przepływową. To zostało dokonane tylko dla wyjaśnienia idei wynalazku. Zasady i cechy konstrukcyjne wynalazku odnoszą się zarówno do pojedynczego, prostego przepływomierza Coriolisa z koncentrycznym prętem równoważącym (fig. 25), jak również pojedynczych, zakrzywionych przepływomierzy (fig. 26) z koncentrycznymi prętami równoważącymi. Korzystnym przykładem wykonania jest pojedyncza, prosta rura zkoncentrycznym prętem równoważącym zfig. 25. Figury 25 i26 mają dla uproszczenia usuniętą przednią połowę pręta równoważącego, tak że można zobaczyć rurę przepływową. Figura5 jest najprostszym i najbardziej zwartym przykładem wykonania. Pręt równoważący 2503 zwiększający czułość zwiększa tę czułość do punktu,wktórym może się ona równać z zakrzywionymi przepływomierzami Coriolisa.

Przykład wykonania zfig. 25 jest podobny do fig. 22-24, oprócz tego, że pręt równoważący

2503 jest koncentryczny i otacza rurę przepływową 2501. Pręt równoważący 2503 jest dołączony końcami poprzez pręty usztywniające 2502 do rury przepływowej 2501. Część środkowa pręta równoważącego 2503 ma mały ciężar wzwiązku zpustą przestrzenią 2507. Sekcje 2508 i2509 mają zmniejszoną sztywność. Pręt równoważący 2503 ma także dodane elementy 2504 i 2505 masy, odpowiadająceelementom 1504 i 1505 na fig. 22-24. Ta konstrukcja przykładu wykonaniazfig. 25 umożliwia, że częstotliwość drugiego stanu zginania pręta równoważącego 2503 jest nieznacznie mniejsza niż częstotliwość pierwszego stanu zginania (napędowa) i zapewnia takie same zalety, jak opisane poprzednio dla przykładów wykonania z fig. 22-24.

Figura 26 ujawnia przykład wykonania, który jest podobny z większości względów do przedstawionego na fig. 25, oprócz tego, że rura przepływowa 2601 i otaczający ją koncentryczny pręt równoważący 2603 nie są proste, lecz zamiast tego są zakrzywione do góry od poziomu przy częściach 2615 i 2516, od których odchodzą do góry, aż dokonają przejścia zpionowego na poziomy wobszarach 2617 i 2618. Część środkowa 2606 pręta usztywniającego 2603 ma obszar 2607 o małej masie, zawierający pustą przestrzeń iwydłużone elementy 2608 i 2609, które dodatkowo mają małą sztywność sprężystą. Elementy 2604 i 2605 zapewniają dodatkową masę wtaki sam sposób, jak elementy

2504 i2505 przykładu wykonania zfig. 25 i wtaki sam sposób, jak elementy 1504 i1505 w przykładzie wykonania z fig. 22-24.

Na fig. 25 miernik elektroniczny 2420 dostarcza sygnały sterujące przez tor 2423 do sterownika D, który współpracuje z sąsiednim magnesem M dla wprowadzania w drgania rury przepływowej 2501 i pręta równoważącego 2503 z przesuniętą fazą względem siebie przy częstotliwości rezonansowej napędowej. Przy przepływie materiału w drgającej rurze przepływowej, siły Coriolisa są przykładane do rury przepływowej dla odchylania lewej części z przesuniętą fazą względem prawej części, jak jest to dobrze znane wstanie techniki. Te odchylenia Coriolisa są wywoływane przez lewy czujnik SL iprawy czujnik SR. Sygnały reprezentujące odchylenia Coriolisa są doprowadzane przez tory 2421 i2422 do miernika elektronicznego 2420, który przetwarza sygnały w konwencjonalny sposób dla wytwarzania informacji wyjściowej dotyczącej przepływającego materiału. Ta informacja jest doprowadzana do toru 2424imoże dotyczyć gęstości materiału, szybkości przepływu materiału itd. Na fig. 25 sterownik D, lewy czujnik SL i prawy czujnik SR zawierają każdy parę cewka-magnes, amagnesy są oznaczone M i zamocowane do rury przepływowej wpobliżu cewki SL, D iSR każdej pary cewkamagnes.

PL 191 455 B1

Przykład wykonania zfig. 26 jest podobnie związany zmiernikiem elektronicznym. Przykład wykonania zfig. 26 ma podobnie sterownik, lewy czujnik i prawy czujnik wwidoku zfig. 26, ponieważ rura przepływowa drga w płaszczyźnie poprzecznej do przedstawienia zfig. 26. W tym widoku widać na fig. 26 tylko lewy magnes M związany z czujnikiem i środkowy magnes M związany ze sterownikiem orazprawy magnesM związany z czujnikiem.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przepływomierz wibracyjny typu Coriolisa z kanałem przepływowym podłużnym, zawierający rurę przepływową, pręt równoważący ustawiony równolegle do rury przepływowej, pręty usztywniające do przyłączenia pręta równoważącego do rury przepływowej, elementy napędowe do wywoływania drgań rury przepływowej i pręta równoważącego w przeciwnych fazach przy częstotliwości napędowej równej częstotliwości rezonansowej rury przepływowej przy przepływie materiału przez rurę przepływową i pręt równoważący, na rurze przepływowej są umieszczone czujniki do wykrywania szybkości rury przepływowej, na wyjściach których występują sygnały reprezentujące okresowe odchylenia Coriolisa rury przepływowej przy częstotliwości rezonansowej i do czujników jest dołączony miernik elektroniczny, na wyjściu którego występuje informacja o przepływającym materiale, znamienny tym, że pręt równoważący (2503, 2603) ma niejednorodny rozkład masy i sztywności wzdłuż jego długości, tak że częstotliwość rezonansowa pręta równoważącego w stanie drgań, mającego taką samą liczbę węzłów, jak okresowe odchylenia Coriolisa rury przepływowej, jest albo mniejsza albo nieznacznie większa niż częstotliwość napędowa i czujniki (SL, SR) mają na wyjściach sygnały reprezentujące okresowe odchylenia Coriolisa rury przepływowej względem przesuniętych wfazie lub będących wfazie odchyleń typu Coriolisa pręta równoważącego, przy częstotliwości napędowej i odchyleniach Coriolisa rury przepływowej.
2. Przepływomierzwedługzastrz.1, znamienny tym, że pręt równoważący (2503, 2603) zawiera dodaną masę (2504, 2505), (2604, 2605) wobszarach o dużej amplitudzie drgań odchyleń typu Coriolisa i giętkie części (2506, 2508), (2605, 2606) w miejscach o dużym momencie zginania odchyleń typu Coriolisa.
3. Przepływomierzwedługzastrz.1, znamienny tym, że pręt równoważący (2503, 2603) zawiera sztywną część środkową (2506, 2606) i dodaną masę (2504, 2505), (2604, 2605) po każdej stronie sztywnej części środkowej.
4. Przepływomierzwedługzastrz.3, znamienny tym, że pręt równoważący (2503, 2603) zawiera giętkie części (2508, 2509), (2608, 2609) w miejscach po każdej stronie sztywnej części środkowej.
5. Przepływomierzwedługzastrz.3, znamienny tym, że pręt równoważący (2503, 2603) zawiera pustą przestrzeń (2507, 2607) w części środkowej.
6. Przepływomierz według zastrz. 4, znamienny tym, że giętkie części zawierają harmonijki (1808, 1809).
7. Przepływomierzwedługzastrz.1, znamienny tym, że pręt równoważący (2503, 2603) zawiera sztywne człony (2511, 2506), (2611, 2606) i giętkie człony (2508, 2509), (2608, 2609) na każdej części pręta równoważącego, nie zawierającego sztywnego członu.
8. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że rura przepływowa (2501) i pręt równoważący (2503) są proste.
9. Przepływomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że rura przepływowa (2601) ma zakrzywioną część (2615) i pręt równoważący (2603) ma zakrzywioną część (2611).