PL192483B1 - Przepływomierz Coriolisa z podłużną rurką przepływową - Google Patents

Abstract

1. Przeplywomierz Coriolisa z podluzna rurka przeply- wowa zawierajacy rurowy element wywazajacy usytuowane wzgledem siebie zasadniczo równolegle i rurowy element usztywniajacy, za posrednictwem którego koncowe czesci rurowego elementu wywazajacego sa polaczone z rurka przeplywowa przy czym rurka przeplywowa i rurowy ele- ment wywazajacy posiadaja wlasciwosci sprezyste i maja okreslona mase i sa umieszczone wraz z rurowym elemen- tem usztywniajacym w obudowie, a rurowy element usztywniajacy jest polaczony z obudowa za posrednictwem elementów laczacych, natomiast w polaczeniu z rurowym elementem wywazajacym i rurka przeplywowa jest umiesz- czony wzbudnik ich poprzecznych drgan wzajemnie prze- sunietych fazowo, z usytuowanym w jednym z rurowego elementu usztywniajacego, rurowego elementu wywazaja- cego i rurki przeplywowej punktem wezlowym, który oddzie- la dzialanie wlasciwosci sprezystych rurki przeplywowej od dzialania wlasciwosci masy rurki przeplywowej, znamienny tym, ze rurowy element wywazajacy (1101) ma podluzna czesc srodkowa (1002), która jest bardziej elastyczna niz jego pozostala czesc, a rurowy element wywazajacy (1101) ma wlasciwosci sprezyste skoncentrowane w poblizu punk- tu wezlowego (101, 102), przy czym wlasciwosci sprezyste rurowego elementu wywazajacego (1101) sa zmienne pod wplywem wystepowania w rurce przeplywowej (104) mate- rialów o róznych masach w róznym czasie ……………….. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przepływomierz Coriolisa. Wynalazek dotyczy zwłaszcza przepływomierza Coriolisa z pojedynczą rurką przepływową.

W przypadku przepływomierzy Coriolisa z pojedynczą rurką przepływową występuje problem dotyczący utrzymania dynamicznego wyważenia pomiędzy wibrującą rurką przepływową z przepływem materiału i związanym rurowym elementem wyważającym. Przepływomierze Coriolisa z pojedynczą rurką przepływową posiadają rurowe elementy wyważające, utrzymujące dynamiczne wyważenie przepływomierza w zmiennych warunkach roboczych. Rurowe elementy wyważające łączą się z rurką przepływową przepływomierza i oscylują z przesunięciem fazowym wraz z rurką przepływową, a połączenie rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej tworzy konstrukcję wyważoną dynamicznie.

Przepływomierze Coriolisa z pojedynczą rurką przepływową kalibruje się fabrycznie i dynamicznie wyważa dla materiału o znanej gęstości właściwej, lub materiałów posiadających znany wąski zakres gęstości właściwych, na przykład 0,8 do 1,0; 1,0 do 1,2 g/cm³ itd. Przedstawiono to w US 5,398,554 i EP 0759 542 A1. Przepływomierze te pracują zadowalająco i zachowują swe wyważenie dynamiczne dopóki ich zastosowanie ogranicza się do materiałów o gęstości właściwej przybliżonej do zakresu, dla którego zostały skalibrowane. Nie zawsze jest jednak możliwe ograniczenie przepływomierza Coriolisa do zastosowania z materiałami posiadającymi gęstość właściwą w skalibrowanym zakresie przepływomierza. Zastosowanie przepływomierza dla innych gęstości powoduje wytrącenie go z równowagi oraz wstrząsy prowadzące do pogorszenia dokładności.

Przepływomierz Coriolisa z pojedynczą rurką typowo składa się z rurki przepływowej, rurowego elementu wyważającego albo rurki wyważającej (dalej zwaną rurowym elementem wyważającym) oscylacyjnie sprzężonej z rurką przepływu, a także z otaczającej obudowy, w której umieszczono rurkę przepływową i rurowy element wyważający. Często z rurki przepływowej wystaje króciec przedłużający przechodzący poprzez końcówki obudowy, co umożliwia połączenie przepływomierza do rurociągu, w którym będzie mierzony przepływ materiału. Po uzyskaniu dynamicznego wyważenia przepływomierza punkty węzłowe w jednym końcu o zerowym przemieszczeniu typowo występują w miejscu przecięcia rurek przepływowych i końcówek obudowy. Z każdej końcówki obudowy wystaje wewnętrznie stosunkowo krótka część rurki przepływowej do rurowego elementu usztywniającego, prostopadłego do podłużnej osi rurki przepływowej i łączącego rurkę przepływową z końcami rurowego elementu wyważającego. Napełniona materiałem rurka przepływowa oscyluje wraz z rurowym elementem wyważającym z przesunięciem fazowym względem siebie w taki sposób, że para utworzona przez rurkę i rurowy element tworzy dynamicznie wyważoną konstrukcję o węzłach na przecięciu rurki i końcówek obudowy. Po uzyskaniu równowagi dynamicznej obudowa nie wykonuje drgań.

Drgania obudowy wystąpią przy pojawieniu się dynamicznego niewyważenia, gdy przepływomierz pracuje z materiałem o gęstości właściwej innej niż dla skalibrowania i wyważenia przepływomierza. W tych warunkach miejsca punktów węzłowych przemieszczają się poza koniec obudowy. Zależnie od gęstości właściwej nowego materiału węzły oscylacyjne przemieszczają się do wewnątrz (dla cięższego materiału) od końca obudowy w kierunku do środka przepływomierza, lub przesuwają się na zewnątrz (dla lżejszego materiału) na zewnątrz obudowy i do przewodu rurowego. W obu tych warunkach drga obudowa zgodnie z prawem zachowania pędu, przy czym następuje obniżenie dokładności przepływomierza.

Konstrukcja przepływomierza obejmuje umieszczenie czujników szybkości w korzystnych położeniach na rurce przepływowej względem końcowych punktów węzłowych tej rurki. Wiadomo, że umieszczenie czujników stosunkowo blisko końcowych punktów węzłowych zwiększa czułość przepływomierza, natomiast umieszczenie czujników dalej od końcowych punktów węzłowych zmniejsza czułość przepływomierza. Pożądana jest stała i znana czułość przepływomierza. Przemieszczenie końcowych punktów węzłowych przy pracy przepływomierza z materiałami o odmiennych gęstościach powoduje zmianę odległości pomiędzy czujnikami i węzłami. Zmienia to czułość miernika i obniża dokładność informacji na wyjściu. Choć zmiana czułości jest stosunkowo mała, będzie wystarczająco duża w zastosowaniach krytycznych, przez co degradacja informacji na wyjściu o będzie stwarzać problemy dla użytkownika.

Podsumowując, czułość przepływu dla przepływomierza Coriolisa jest funkcją odległości pomiędzy czujnikami szybkości i węzłami, które wyznaczają końce aktywnego przepływu na długości rurki. W przepływomierzach z pojedynczą rurką przepływową zmiany gęstości właściwej dla przepływu

PL 192 483 B1 materiału powodują zmianę położeń końcowych punktów węzłowych rurki przepływowej, co z kolei zmienia czułość przepływomierza.

Tradycyjnym sposobem rozwiązania problemu wyważenia w przepływomierzach z pojedynczą rurką przepływową jest zastosowanie możliwie dużej masy obudowy dla zmniejszenia jej amplitudy drgań, i tym samym zmniejszenia zmiany położenia punktów węzłowych. Oprócz tego, ponieważ niewyważenie (powodujące wibracje przepływomierza) jest funkcją gęstości materiału, i ponieważ gęstość materiału określa się według częstotliwości rurki przepływowej, w układzie elektronicznym przepływomierza stosuje się oprogramowanie zmieniające współczynnik kalibracji przepływu zgodnie z częstotliwością drgań rurki przepływowej. Przedstawiono to w opisie patentowym EP 0831 306 A1. W podejściu tym nie uwzględnia się wpływu sztywności zawieszenia przepływomierza na amplitudę jego drgań. Miękkie zawieszenie przepływomierza daje większą amplitudę drgań (i większe przesunięcie położenia węzła) w przepływomierzu niż zawieszenie twarde. Program korekcyjny zastosowany w oprzyrządowaniu wyjścia zakłada „przeciętną sztywność zawieszenia miernika, a zatem kompensuje z niedomiarem miękkie zawieszenie oraz z nadmiarem sztywne zawieszenie. Prowadzi to do obniżenia dokładności informacji wyjściowej przepływomierza Coriolisa i związanego oprzyrządowania. Opisy patentowe EP 0759 542 A1 i US 5 398 554 przedstawiają dotychczasowe sposoby utrzymania wyważenia miernika dla danego zakresu gęstości. Wykonuje się to za pomocą ręcznie ustawianych przeciwciężarów. Sposób nie daje dokładnego pomiaru płynów o ciągłej zmianie gęstości.

We wcześniejszych przepływomierzach Coriolisa (np. według EP0759542A1) rurka przepływowa i rurowy element wyważający zamocowane są w obu końcach, przez co maksymalna amplituda drgań występuje w środku. Masaw środku wywiera największy wpływ na częstotliwość wzbudzenia. Natomiast moment zginający ma trzy maksima. Momenty te są największe w środku i w końcach rurki przepływowej oraz rurowego elementu wyważającego. Tak więc w funkcji sprężystości uczestniczą trzy obszary w każdych drgających członach.

W wyważonym przepływomierzu rurka przepływowa z zawartym w niej materiałem i belka wyważająca będą mieć ten sam iloraz sztywności i masy ponieważ mają tę samą częstotliwość rezonansową. Gdy tradycyjny przepływomierz z pojedynczą rurką przepływu będzie niewyważony z powodu odmiennej gęstości materiału, węzły oddzielające masę rurki przepływowej od masy rurowego elementu wyważającego przemieszczą się w dostosowaniu do zasady zachowania pędu dla połączonej konstrukcji zawierającej rurkę przepływową rurowy element wyważający oraz obudowę. Dla materiału o większej gęstości węzły przemieszczają się do wewnątrz rurki przepływowej, przez co część masy rurki i obudowy będą oscylować wraz z belką wyważającą. W wyniku takiego przesunięcia masy częstotliwość drgań własnych rurki przepływowej maleje w mniejszym stopniu niż może wskazywać wzrost gęstości materiału, ponieważ rurka przepływowa dodaje część masy do rurowego elementu wyważającego. Również, ponieważ częstotliwość drgań własnych rurowego elementu wyważającego maleje z powodu dodanej masy zawierającej część rurki i obudowy, iloraz masy/sztywności oraz częstotliwości rezonansowe obu tych konstrukcji stają się równe. W przypadku materiałów o małej gęstości punkty węzłowe przemieszczają się w przeciwnym kierunku, przez co belka wyważająca oddaje masę rurce przepływowej dla utrzymania równych częstotliwości rezonansowych.

W dotychczasowych rozwiązaniach przemieszczenie położeń punktów węzłowych powoduje głównie przemieszczenie masy z jednego członu i obudowy do drugiego członu. Problem polega na uwzględnieniu masy obudowy oraz na tym, że amplituda drgań jest funkcją sztywności zawieszenia, która nie jest znana. Ponieważ amplituda drgań obudowy jest nieznana, nieznane będzie również przesunięcie czułości miernika. Przemieszczenie węzła przy niewyważeniu zmienia również sztywności ugięcia obu członów w wyniku wydłużenia jednej „sprężyny” i skrócenia drugiej. Ponieważ „funkcja sprężyny w jednym członie rozkłada się na całą konstrukcję, odległość przesunięcia węzła będzie bardzo mała w porównaniu do długości „sprężyny, i bardzo małe będą zmiany sztywności ugięcia.

Powyżej podano, że w dotychczasowych miernikach przesunięcie węzła spowodowane gęstością materiału wytwarzało niewielką (nieistotną) zmianę sztywności ugięcia wraz z dużą zmianą rozkładu masy. Wynika to z tego, że rurowe elementy wyważające w dotychczasowych miernikach są rurkami bez otworów (US 5,365,794) lub z bardzo małymi otworami (EP 0831306A1), poprzez które przechodzą czujniki i magnesy wzbudników. Rurowe elementy o takiej geometrii wykazują niemal stałą sztywność na całej swej długości. Ponadto, moment zginający w trybie wzbudzenia posiada trzy maksima; po jednym w każdym końcu i jednym w środku. Połączenie jednorodnej sztywności i maksimum momentu zginającego w środku rurowego elementu wyważającego oznacza magazynowanie w tym obszarze dużej ilości energii sprężystości. Środek rurowego elementu wyważającego jest wy4

PL 192 483 B1 starczająco odległy od końcowych punktów węzłowych, przez co przemieszczenie węzła wobec zmiany gęstości płynu nie wpływa na energię sprężystości w środku rurowego elementu wyważającego. Przemieszczenie węzła nie wpływa na funkcje sprężyny w otoczeniu rurowego elementu usztywniającego i czyni jeden z członów nieco bardziej elastycznym, a drugi nieco sztywniejszym, lecz zmiana ta nie wystarcza dla wywołania znacznego wpływu na sztywność ugięcia rurowego elementu wyważającego. Bez znacznej zmiany sztywności ugięcia we wcześniejszych miernikach występowało wystarczające przemieszczenie punktów węzłowych dla opuszczenia rurowego elementu usztywniającego i przejścia do rurowego elementu wyważającego (przy małej gęstości płynu) lub do rurki przepływowej (przy dużej gęstości płynu). W każdym przypadku dla zachowania zasady pędu obudowa drga w fazie wraz z rurką przepływową lub rurowym elementem wyważającym.

Z opisu patentowego EP 0 759 542 A1 znany jest przepływomierz Coriolisa zawierający zawiera rurkę przepływową i rurowy element wyważający usytuowane względem siebie zasadniczo równolegle i rurowy element usztywniający, za pośrednictwem którego końcowe części rurowego elementu wyważającego są połączone z rurką przepływową przy czym rurka przepływowa i rurowy element wyważający posiadają właściwości sprężyste i mają określoną masę i są umieszczone wraz z rurowym elementem usztywniającym w obudowie, a rurowy element usztywniający jest połączony z obudową za pośrednictwem elementów łączących, natomiast w połączeniu z rurowym elementem wyważającym i rurką przepływową jest umieszczony wzbudnik ich poprzecznych drgań wzajemnie przesuniętych fazowo, z usytuowanym w jednym z rurowego elementu usztywniającego, rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej punktem węzłowym, który oddziela działanie właściwości sprężystych rurki przepływowej od działania właściwości masy rurki przepływowej.

Według wynalazku przepływomierz Coriolisa o właściwościach wskazanych powyżej charakteryzuje się tym, że rurowy element wyważający ma podłużną część środkową, która jest bardziej elastyczna niż jego pozostała część, a rurowy element wyważający ma właściwości sprężyste skoncentrowane w pobliżu punktu węzłowego, przy czym właściwości sprężyste rurowego elementu wyważającego są zmienne pod wpływem występowania w rurce przepływowej materiałów o różnych masach w różnym czasie utrzymując lepsze wyważenie dynamiczne przepływomierza Coriolisa przy przepływie materiału o różnych gęstościach w różnych czasach przez rurkę przepływową.

Korzystnie, środkowa część rurowego elementu wyważającego zawiera wycięcie w rurowym elemencie wyważającym.

Rurka przepływowa ma podłużną część środkową o większej elastyczności niż w pozostałej części rurki przepływowej, a rurka przepływowa ma właściwości sprężyste skoncentrowane w pobliżu punktu węzłowego, przy czym właściwości sprężyste rurki przepływowej są zmienne pod wpływem występowania w rurce przepływowej materiałów o różnych masach w różnym czasie utrzymując lepsze wyważenie dynamiczne przepływomierza Coriolisa przy przepływie materiału o różnych gęstościach w różnych czasach przez rurkę przepływową.

Środkowa część rurki przepływowej zawiera mieszek. Rurowy element wyważający, rurka przepływowa oraz rurowy element usztywniający są równoległe do osi wzdłużnej obudowy a pomiędzy obudową i rurowym elementem usztywniającym są usytuowane elementy łączące mocujące rurowy element usztywniający do obudowy i ustalające jego równoległe położenie względem obudowy.

Elementy łączące stanowią elementy łączące pierwszy i drugi z których każdy ma zasadniczo płaską powierzchnię ustawioną prostopadle do wzdłużnej osi rurowego elementu wyważającego i o kształcie, przy którym rurowy element usztywniający jest zamontowany obrotowo względem obudowy, a jego położenie wzdłużne względem obudowy jest ustalone, przy czym rurowy element usztywniający jest zamontowany obrotowo wokół osi prostopadłej do osi wzdłużnej rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej rozciągającej się od rurowego elementu usztywniającego do obudowy.

Płaska powierzchnia pierwszego i drugiego elementu łączącego ma kształt motylkowy i posiada pierwszy koniec, wąską część środkową drugi koniec.

Pierwszy koniec każdego pierwszego i drugiego elementu łączącego jest połączony z rurowym elementem usztywniającym, a drugi koniec jest połączony z częścią wewnętrznej ścianki obudowy, zaś część środkowa elementu łączącego ma sztywność skrętnego ugięcia, przy której rurowy element usztywniający jest obrotowy względem obudowy i ma wytrzymałość, przy której rurowy element usztywniający jest nieruchomy względem obudowy w kierunku równoległego przesunięcia.

Każdy z pierwszego i drugiego elementu łączącego zawiera płytę węzłową tworzącą płaską powierzchnię połączoną pomiędzy rurowym elementem wyważającym i elementami łączącymi obuPL 192 483 B1 dowy, przy czym pierwszy bok płyty węzłowej jest połączony z zewnętrzną powierzchnią rurowego elementu wyważającego, równolegle do jego wzdłużnej osi, a drugi bok płyty węzłowej, prostopadły do pierwszego boku jest połączony z płaską powierzchnią elementów łączących, przy czym częstotliwość drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego jest zwiększona bez wpływu na wzbudzaną częstotliwość drgań wywieranych na rurowy element wyważający w kierunku prostopadłym do częstotliwości drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego.

Pomiędzy rurowym elementem usztywniającym i końcówkami obudowy są umieszczone i połączone z nimi króćce rurowe rurki przepływowej.

Króćce rurowe rurki przepływowej posiadają mieszki w pobliżu rurowego elementu usztywniającego, przy czym mieszki stanowią dynamiczną izolację rurowego elementu usztywniającego względem końcówek obudowy zmniejszając sprężystość króćców rurowych rurki przepływowej.

W korzystnym wariancie wynalazku, rurowy element wyważający, rurka przepływowa i rurowy element usztywniający są otoczone obudową, której oś jest równoległa do rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej, a rurowy element usztywniający jest połączony z częścią wewnętrznej ściany obudowy za pomocą elementów łączących ustalających równoległe położenie rurowego elementu usztywniającego w kierunku przesunięcia względem obudowy podczas wibrowania z wzajemnym przesunięciem fazowym rurowego elementu usztywniającego i rurki przepływowej, przy czym element łączący ma kształt motylowy, przy którym rurowy element usztywniający jest zamontowany obrotowo względem obudowy wokół osi prostopadłej do wzdłużnej osi rurowego elementu wyważającego i obudowy, a położenie rurowego elementu usztywniającego w kierunku przesunięcia równoległego względem obudowy jest ustalone, natomiast część środkowa rurowego elementu wyważającego zawiera wycięcie do koncentrowania właściwości sprężystych rurowego elementu wyważającego w otoczeniu punktu węzłowego, a w części środkowej rurki przepływowej jest ukształtowany mieszek do koncentrowania właściwości sprężystych rurki przepływowej w pobliżu punktów węzłowych oscylacji, zaś pomiędzy końcówkami obudowy i rurowym elementem usztywniającym są umieszczone połączone z nimi króćce rurkowe rurki przepływowej, które to króćce rurkowe zawierają mieszek w pobliżu rurowego elementu usztywniającego zmniejszający sztywność ugięcia króćca rurkowego rurki przepływowej stanowiący dynamiczną izolację rurowego elementu usztywniającego względem końcówek obudowy, przy czym rurowe elementy usztywniające wykazują zasadniczo całe właściwości sprężyste przepływomierza Coriolisa dla utrzymania dynamicznego wyważenia przepływomierza Coriolisa poprzez zmianę stopnia sztywności ugięcia segmentów rurowego elementu usztywniającego, przy występowaniu w rurce przepływowej materiałów o różnych gęstościach.

Elementy łączące mają zasadniczo płaską powierzchnię ustawioną prostopadle do wzdłużnej osi rurowego elementu wyważającego i o kształcie, przy którym rurowy element usztywniający jest zamontowany obrotowo względem obudowy, a jego położenie wzdłużne względem obudowy jest ustalone, przy czym rurowy element usztywniający jest zamontowany obrotowo wokół osi prostopadłej do osi wzdłużnej rurki przepływowej rozciągającej się od rurowego elementu usztywniającego do obudowy, a pierwszy koniec elementu łączącego jest połączony z rurowym elementem usztywniającym, zaś drugi koniec jest połączony z częścią wewnętrznej ścianki obudowy, natomiast część środkowa elementu łączącego ma sztywność skrętnego ugięcia, przy której rurowy element usztywniający jest obrotowy względem obudowy i ma wytrzymałość, przy której rurowy element usztywniający jest nieruchomy względem obudowy w kierunku równoległego przesunięcia, a z każdym elementem łączącym jest połączona płyta węzłowa tworząca płaską powierzchnię połączoną pomiędzy rurowym elementem wyważającym i elementami łączącymi obudowy, przy czym pierwszy bok płyty węzłowej jest połączony z zewnętrzną powierzchnią rurowego elementu wyważającego, równolegle do jego wzdłużnej osi, a drugi bok płyty węzłowej, prostopadły do pierwszego boku jest połączony z płaską powierzchnią elementów łączących, przy czym częstotliwość drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego jest zwiększona bez wpływu na wzbudzaną częstotliwość drgań wywieranych na rurowy element wyważający w kierunku prostopadłym do częstotliwości drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego.

Wynalazek zapewnia przepływomierz posiadający pojedynczą rurkę przepływową rurowy element wyważający i konstrukcję łączącą która utrzymuje dynamiczne wyważenie przepływomierza w szerokim zakresie gęstości materiału. Wyważenie dynamiczne utrzymuje się pomiędzy rurką przepływową i rurowym elementem wyważającym poprzez kontrolowanie charakterystyki sprężystej konstrukcji rurowego elementu wyważającego, rurki przepływowej i konstrukcji łączącej, zwłaszcza rurowego elementu usztywniającego. Rurowy element usztywniający łączy końce rurowego elementu

PL 192 483 B1 wyważającego z rurką przepływową i utrzymuje wyważenie poprzez dynamiczną zmianę częstotliwości rezonansowej rurowego elementu wyważającego w dostosowaniu do częstotliwości rezonansowej rurki napełnionej materiałem o innych gęstościach. Spełniając tę funkcję rurowy element wyważający zachowuje się podobnie jak dynamiczny element wyważający i automatycznie utrzymuje amplitudę drgań potrzebną dla zrównoważenia rurki przepływowej napełnionej materiałem.

Obecny wynalazek podlega dwóm podstawowym prawom dotyczącym układów drgających. Pierwszym jest zasada zachowania pędu (przy braku sił zewnętrznych). Oznacza to, że iloczyn masy i szybkości w jednym kierunku będzie równy iloczynowi masy i szybkości w kierunku przeciwnym. W wyważonym przepływomierzu iloczyn masy rurki przepływowej z zawartym w niej materiałem i szybkości w jednym kierunku będzie równy iloczynowi masy rurowego elementu wyważającego i jego szybkości w kierunku przeciwnym. (W ruchu sinusoidalnym szybkość jest proporcjonalna do amplitudy drgań. Ponieważ różne punkty na długości rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego mają zmienne amplitudy, występuje tu problem obliczeniowy). W niewyważonym przepływomierzu zasada ta wciąż obowiązuje, lecz uczestniczy tu masa obudowy przepływomierza i masa dołączonego rurociągu, ponieważ oscylują one wraz z rurką przepływową lub z rurowym elementem wyważającym. Niezależnie od wielkości obiektu drgającego wraz z przepływomierzem wibrujące masy można podzielić na dwie grupy: wibrujące z rurką przepływową i wibrujące z rurowym elementem wyważającym. Według zasady zachowania pędu wynika, aby całkowite pędy obu tych grup były równe i przeciwnie skierowane.

Z drugiego prawa dotyczącego obecnego wynalazku wynika, że obie połowy w układzie dwóch drgających ciał muszą mieć tę samą częstotliwość rezonansową. W przeciwnym przypadku mogą dawać różne rodzaje drgań. Częstotliwość rezonansowa równa się pierwiastkowi kwadratowemu ilorazu sztywności/masy. Tak więc, dwie grupy mas posiadające tę samą częstotliwość rezonansową muszą mieć ten sam iloraz sztywności i masy.

W przepływomierzu Coriolisa sztywność i masa są przestrzennie rozmieszczone w mierniku. W tak złożonej konstrukcji niektóre obszary oddziaływują głównie jako masy, a inne jako sprężyny. Taką koncepcję przedstawia prosta belka wspornikowa drgająca w pierwszym trybie zginania. Posiada jednorodny rozkład masy oraz jednorodną sztywność na swej długości. Masa w pobliżu drgającego końca tej belki wywiera większy wpływ na jej częstotliwość rezonansową niż masa w pobliżu zamocowanego końca. W ten sposób funkcja masy, która jest iloczynem mas lokalnych i lokalnej amplitudy drgań, koncentruje się w pobliżu wibrującego końca. Podobnie, sztywność drgającego końca wywiera niewielki wpływ na częstotliwość rezonansową, natomiast sztywność w zamocowanym końcu wywiera wpływ duży. Tak więc funkcja sprężystości, będąca iloczynem lokalnej sztywności ugięcia k i lokalnego momentu zginającego, koncentruje się w pobliżu zamocowanego końca.

W przepływomierzu według wynalazku maksymalny moment zginający każdego członu koncentruje się w otoczeniu końcowych punktów węzłowych, zamiast rozkładu w całej konstrukcji. Taka koncentracja nadaje bardzo dużą rangę lokalnej sztywności, w zakresie wyznaczenia częstotliwości rezonansowej. Przesunięcie miejsca punktu węzłowego zmienia zatem znacznie efektywne długości sprężyn skracając i w konsekwencji usztywniając jedną oraz wydłużając i zmiękczając drugą (sztywność sprężyny jest odwrotnie proporcjonalna do długości sprężyny). W obecnym wynalazku przesunięcie punktu węzłowego wraz ze zmianą gęstości materiału zmienia sztywność ugięcia w taki sposób, aby zachować równość częstotliwości rezonansowych rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego. Przy równych częstotliwościach rezonansowych amplitudy drgań rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego dostosowują się automatycznie do zachowania pędu. W ten sposób zostaje zachowane wyważenie miernika bez przeniesienia znacznej masy lub włączenia obudowy miernika.

W przepływomierzu według wynalazku funkcja sprężyny koncentruje się w rurowym elemencie usztywniającym i jest zasadniczo usunięta z rurki przepływowej oraz rurowego elementu wyważającego. Znaczenie konstrukcji jako sprężyny może być określone ilością magazynowanej energii sprężystości w stanie ugięcia. Jeśli obszar magazynuje bardzo małą energię sprężystości, wywiera niewielki wpływ na częstotliwość układu. Na podstawie wyrażenia określającego energię sprężyny:

¹2

E kx² wynika, że przy bardzo małej sztywności k energia sprężyny staje się nieistotna. W takim przypadku konstrukcja zachowuje się podobnie do zawiasu lub szczeliny w miejscu występowania bardzo miękkiej sprężyny. Energia sprężyny może być również nieistotna przy bardzo małym ugięciu x. MożPL 192 483 B1 na to uzyskać albo poprzez lokalne zmniejszenie obciążenia, albo poprzez wprowadzenie na tyle dużej sztywności k, aby obciążenie nie powodowało ugięcia tego członu. W takim przypadku konstrukcja zachowuje się tak, jakby w miejscu tak dużej sztywności występował sztywny łącznik. Oba te sposoby stosuje się do usunięcia funkcji sprężyny przepływomierza z rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego. Rurowy element wyważający i rurka przepływowa w dalszym ciągu odgrywają istotną rolę w dynamice tego układu, lecz tylko jako elementy masy.

Zgodnie z jednym możliwym przykładem wykonania obecnego wynalazku funkcję sprężyny dla rurki przepływowej wyeliminowano poprzez usunięcie jej środkowej części i zastąpieniem elastycznym mieszkiem. Pomimo dużego ugięcia sztywność mieszka magazynuje bardzo małą energię. Miękka sekcja środkowa rurki przepływowej umożliwia jej odkształcenie podobne do dwóch sztywnych belek wspornikowych luźno połączonych końcami przez mieszek. Moment gnący w dynamicznej części rurki przepływowej został na tyle skutecznie wyeliminowany przez mieszek, że połówki rurki przepływowej po każdej stronie mieszka ulegają bardzo małemu odkształceniu (pozostają stosunkowo proste). W ten sposób wyeliminowano z dynamicznej części rurki przepływowej większość sprężystego odkształcenia oraz zmagazynowania energii sprężystości. Ponieważ rurka przepływowa musi być ciągła i nie może kończyć się na rurowych elementach usztywniających, końce rurki (zewnętrzny względem rurowych elementów usztywniających i wewnętrzny względem końcówek obudowy) gną się tak jak sekcje sztywnej belki wspornikowej przy ugięciu rurki. W tych sekcjach rurki (dalej zwanych króćcami rurowymi) występuje magazynowanie energii sprężystości przy zginaniu. W optymalnym przykładzie wykonania obecnego wynalazku zasadniczo cała energia sprężystości zawiera się w rurowych elementach usztywniających. Energię sprężystości usunięto z króćców poprzez wprowadzenie mieszków w króćcach, analogicznie jak w środkowym mieszku rurki przepływowej. Całkowita funkcja sprężyny dla rurki przepływowej w obecnym wynalazku dzięki trzem mieszkom występuje w rurowym elemencie usztywniającym.

Rurowy element wyważający w obecnym wynalazku również został pozbawiony funkcji sprężyny, ponieważ także posiada bardzo elastyczny element w swym środku. Podobnie jak w rurce przepływowej, pozostała część rurowego elementu wyważającego jest sztywna. Rurowy element wyważający nie wystaje poza rurowy element usztywniający i w związku z tym jego końce nie potrzebują końcowych mieszków. Połączenie miękkiego środka i sztywnej części pozostałej skutecznie eliminuje właściwości sprężyste rurowego elementu wyważającego. W wyniku usunięcia funkcji sprężyny z rurki przepływowej i z rurowego elementu wyważającego funkcja koncentruje się niemal wyłącznie w rurowym elemencie usztywniającym.

Koncentracja funkcji sprężyny przepływomierza w rurowych elementach usztywniających jest korzystna, ponieważ rurowe elementy te są stosunkowo krótkie i tworzą krótkie sprężyny. Przepływomierz według obecnego wynalazku jest tak wyważony, że końcowe punkty węzłowe, które dynamicznie oddzielają właściwości sprężyste rurki przepływowej od właściwości sprężystych rurowego elementu wyważającego występują w rurowym elemencie usztywniającym. Każdy końcowy punkt węzłowy oddziela w ten sposób krótką część o efektywnej sprężystości oddziaływującej na rurkę przepływową od krótkiej części o efektywnej sprężystości, która oddziaływuje na rurowy element wyważający. Zmiany gęstości materiału powodują małe zmiany położeń punktów węzłowych, które (z powodu krótkich części sprężystych) powodują znaczne skrócenie i usztywnienie jednej sprężyny oraz wydłużenie i zmiękczenie drugiej sprężyny. Zasada zachowania pędu dyktuje przesunięcie punktu węzłowego w kierunku członu o zwiększonej masie. Dla bardziej gęstego materiału węzły przemieszczają się w kierunku rurki przepływowej, natomiast dla materiału o mniejszej gęstości węzły przemieszczają się w kierunku rurowego elementu wyważającego. W rezultacie przepływ przez rurkę materiału o większej gęstości powoduje usztywnienie sprężyny rurki (występującej w rurowym elemencie usztywniającym) oraz zmiękczenie sprężystości rurowego elementu wyważającego (także występującej w rurowym elemencie usztywniającym). Zmiana ta pomaga w utrzymaniu równej częstotliwości rezonansowej obu członów. Odwrotnie, dla materiału o mniejszej gęstości węzły przemieszczają się w kierunku rurowego elementu wyważającego, części sprężyste rurki przepływowej stają się bardziej miękkie, a części sprężyste rurowego elementu wyważającego usztywniają się i zachowane będą równe częstotliwości rezonansowe.

Przy równych częstotliwościach rezonansowych dla rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego oddziaływują one jako wzajemnie dostrojone dynamiczne elementy wyważające. Ustalają amplitudy wzajemnych wibracji zgodnie z zasadą zachowania pędu, bez angażowania w znacznym stopniu drgań obudowy lub rurociągu. Wyważenie utrzymuje się poprzez zmianę sztywności

PL 192 483 B1 ugięcia drgających członów, zamiast angażowania masy. Ma to ogromną przewagę ponad dotychczasowym stanem, gdzie zmniejszenie drgań obudowy i rurki przepływowej zmniejszało zmianę czułości miernika dzięki sztywności zawieszenia.

W przepływomierzu według wynalazku wytwarza się małą zmianę rozkładu masy przy znacznej zmianie sztywności ugięcia. Dla minimalnego zaangażowania masy przepływomierza niezbędne będą dwie właściwości konstrukcyjne. Pierwszą jest koncentracja sprężystości miernika w otoczeniu końcowych punktów węzłowych. Drugą jest połączenie dynamicznego systemu rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego z obudową (lub otoczeniem, jeśli nie ma obudowy), które musi być wykonane w punktach braku amplitudy drgań. Jedynymi obszarami w tym dynamicznym systemie bez amplitudy drgań są oczywiście końcowe punkty węzłowe. Końcowe punkty węzłowe występują wewnątrz rurowego elementu usztywniającego i zmieniają położenie wraz z gęstością materiału. Tak więc, zaprojektowanie konstrukcji łączącej dynamiczny układ z obudową (dalej zwanej łącznikiem obudowy) będzie istotne dla utrzymania amplitudy drgań obudowy w pobliżu zera.

Specyficzna konstrukcja łączników obudowy według obecnego wynalazku zależy od konstrukcji rurowego elementu wyważającego. W jednym korzystnym przykładzie wykonania rurowy element wyważający jest współosiowy z rurką przepływową, która przechodzi poprzez wydrążony środek rurowego elementu wyważającego. Rurowe elementy usztywniające przyjmują postać kołowych pierścieni przechodzących od zewnętrznej średnicy rurki przepływowej do wewnętrznej średnicy rurowego elementu wyważającego. Rurowe elementy usztywniające (pierścienie) mają ograniczoną długość poosiową dla uzyskania stosownej sztywności dla przekazania żądanej częstotliwości rezonansowej do dynamicznej konstrukcji przepływomierza. Rurowe elementy usztywniające występują w końcach rurowego elementu wyważającego.

Dla danego optimum geometrii następuje określenie charakteru odkształcenia każdego rurowego elementu usztywniającego. Miernik jest tak wyważony, aby miejsce punktu węzłowego w każdym końcu miernika znajdowało się wewnątrz rurowego elementu usztywniającego. Wewnętrzna powierzchnia rurowego elementu usztywniającego (pierścień) przemieszcza się z rurką przepływową a zewnętrzna powierzchnia przemieszcza się z rurowym elementem wyważającym. Każdy węzeł zawiera, zatem cylindryczną powierzchnię pomiędzy zewnętrzną powierzchnią rurowego elementu usztywniającego i powierzchnią wewnętrzną. Na zewnątrz powierzchni węzła materiał rurowego elementu usztywniającego oscyluje w fazie z rurowym elementem wyważającym i zwiększa amplitudę swych drgań wraz z odległością od powierzchni węzła. Wewnątrz powierzchni węzła materiał rurowego elementu usztywniającego oscyluje w fazie z rurką przepływową i również wykazuje wzrost amplitudy wraz z odległością od powierzchni węzła. Materiał rurowego elementu usztywniającego ulega zatem ugięciom ścinającym analogicznie do sprężyny skrętnej. Powierzchnia węzła oddziela efektywną sprężynę rurowego elementu wyważającego od efektywnej sprężyny rurki przepływowej. Przy zmianie proporcji amplitud pomiędzy rurką przepływową i rurowym elementem wyważającym wynikającej ze zmiany gęstości materiału cylindryczna powierzchnia węzła przesuwa się do wewnątrz lub na zewnątrz, zmieniając swą średnicę. Zmienia to względne długości „sprężyn” utrzymuje równość częstotliwości własnych obu tych aktywnych członów pomimo zmian masy rurki przepływowej. Przeniesienie masy pomiędzy rurką przepływową i rurowym elementem wyważającym następujące ze zmianą węzła nie jest istotne i nie ma potrzeby angażowania masy obudowy.

Łączniki obudowy muszą podtrzymywać dynamiczną konstrukcję miernika w obudowie nie powodując drgań obudowy. Końce rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej zachowują sztywność dla większości ugięcia występującego w rurowych elementach usztywniających. Obracają się w każdym końcu wokół wspólnych osi przegubu. Na osiach przegubu nie występuje równoległe przesunięcie zewnętrznej części rurowego elementu wyważającego, lecz obrotowe oscylacje. W korzystnym wykonaniu łączniki obudowy mocuje siędo zewnętrznej części końców rurowych elementów wyważających w osiach przegubu. Poprzez ich usztywnienie dla równoległego przesunięcia w kierunku drgań mogą one podpierać dynamiczną konstrukcję bez przenoszenia drgań na obudowę. Dzięki miękkości skręcenia łączników uniknięto energii sprężystości na zewnątrz rurowego elementu usztywniającego. W korzystnym przykładzie wykonania łączniki obudowy mają płaski kształt motylkowy wzdłuż osi obrotu pomiędzy zewnętrzną częścią rurowego elementu wyważającego i wewnętrzną częścią obudowy. Występują tu cztery łączniki, po jednym z każdego boku w każdym końcu rurowego elementu wyważającego. Płaskie powierzchnie łączników są prostopadłe do osi rurki. Dzięki takiej geometrii połączenie pomiędzy dynamiczną konstrukcją i obudową wykazuje sztywność w kierunku drgań rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego. Przewężenie motylkowego kształtu

PL 192 483 B1 występujące w połowie odległości pomiędzy rurowym elementem i obudową tworzy miękkie skrętne połączenie pomiędzy rurowym elementem wyważającym oraz obudową i obniża energię sprężyny skrętnej w łącznikach.

W konkluzji, obecny wynalazek utrzymuje wyważenie dynamiczne pomimo zmian gęstości materiału, poprzez wzajemne sztywności ugięcia zamiast rozkładu masy. Następuje to poprzez koncentrację sprężystości konstrukcyjnej w otoczeniu końcowych punktów węzłowych. Dynamiczną konstrukcję podparto w obudowie na łącznikach wzdłuż osi przegubu rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego. Łączniki są sztywne dla równoległego przesuwu w kierunku drgań, lecz elastyczne dla skręcenia.

Reasumując, przepływomierz według wynalazku i sposób jego wyważania zapewniają zachowanie dynamicznego wyważenia pomiędzy rurką przepływową i rurowym elementem wyważającym przy zmianach gęstości przepływającego materiału.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1, 2 i 3 przedstawiają charakterystykę oscylacyjną przepływomierza Coriolisa z prostą rurką; fig. 4, 5, 6, 7 i 8 - charakterystykę oscylacyjną konstrukcji przepływomierza o skupionej masie; fig. 9 - schemat przepływomierza Coriolisa; fig. 10 - sprężystą konstrukcję rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej według obecnego wynalazku; fig. 11, 12, 13, 14, 15 i 16 - dalsze szczegóły konstrukcji rurowego elementu usztywniającego, rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej według obecnego wynalazku; fig. 17, 18, 19, 20 i 21 - dalsze szczegóły łączników rurowego elementu usztywniającego według obecnego wynalazku; fig. 22 - przedłużający króciec rurowy rurki przepływowej według obecnego wynalazku; fig. 23, 24, 25, 26, 27 i 28 - szczegóły pierwszego i drugiego przykładu wykonania obecnego wynalazku; fig. 29 i 30 - alternatywny przykład łączników rurowego elementu usztywniającego według fig. 18-21.

Na figurach 1 i 2 przedstawiono rurkę przepływową 104 przepływomierza Coriolisa wibrowaną przez wzbudnik D, umieszczony w środku 101 rurka przepływowa 104 i pracujący w warunkach bezprzepływowych dla wytworzenia punktów węzłowych 102 i 103. Na rurce przepływowej 104 umieszczono lewy czujnik SL i prawy czujnik SR. Linią punktową przedstawiono oś zerowego przemieszczenia 106 rurki przepływowej 104. Linią przerywaną ukazano przeciwległą linię maksymalnego ugięcia 107 rurki przepływowej 104. Na fig. 2 przedstawiono ten przepływomierz pracujący w warunkach przepływu.

W przepływomierzach Coriolisa z drgającą rurką siła Coriolisa w przepływającym materiale deformuje kształt drgającej rurki przepływowej 104. Deformacja, przedstawiono z dużą przesadą jako linia deformacji 108 na fig. 2, powoduje zróżnicowanie fazy drgań poszczególnych miejsc na długości rurki przepływowej 104. Każdy punkt na długości drgającej rurki przepływowej 104 ulega ruchowi sinusoidalnemu, ale podczas przepływu materiału punkty te nie osiągają swych maksymalnych albo zerowych przemieszczeń równocześnie. Środek drgającej rurki przepływowej 104 nie podlega zmianie fazowej zależnie od przepływu, natomiast w miejscach w kierunku wlotowego końca rurki przepływowej 104 występują wzrastające wielkości fazy wyprzedzającej. W ten sposób punkty posiadające maksymalne opóźnienie i maksymalne wyprzedzenie fazowe znajdują się na końcu wlotowym i na końcu wylotowym drgającej części rurki przepływowej 104. Końce te określa się punktami węzłowymi 102,103, czyli miejscami o zerowej amplitudzie drgań.

Wlotowy punkt węzłowy 102 przyjmuje się na wlocie rurki przepływowej 104, natomiast wylotowy punkt węzłowy 103 występuje na wylocie rurki przepływowej 104. Część rurki przepływowej na lewo od środka 101 wykazuje opóźnienie fazowe polegające na tym, że każdy punkt rurki przepływowej 104 przechodzi poprzez jej oś zerowego przemieszczenia 106 po przejściu odpowiadającego punktu prawej strony rurki 104 przez oś zerowego przemieszczenia 106.

Różnica w fazie pomiędzy dwoma miejscami na rurce przepływowej 104 stanowi podstawę do określenia natężenia przepływu. W dwóch miejscach na długości rurki przepływowej 104 umieszczono czujniki szybkości (przemieszczenia lub przyspieszenia) SLi SR. Zwłoka (przesunięcie fazowe podzielone przez częstotliwość drgań rurki przepływowej 104) pomiędzy falami sinusoidalnymi wyjścia czujników jest wprost proporcjonalna do masowego natężenia przepływu poprzez rurkę przepływową 104. Przesunięcie fazowe i zwłoka pomiędzy sygnałami wyjścia czujników będą największe w punktach węzłowych 102 i 103. Umieszczenie czujników szybkości SLi SR w punktach węzłowych 102 i 103 teoretycznie tworzy miernik o największej czułości. W punktach węzłowych 102 i 103 nie jest wykrywana amplituda drgań, ponieważ nie ma tu przemieszczenia. Dla czujników szybkości SL i SR dobrano zatem kompromisowe położenie, wystarczająco oddalone od punktów węzłowych 102 i 103

PL 192 483 B1 w celu uzyskania należytej czułości (przesunięcia fazowego) oraz wystarczającej amplitudy sygnału, dla łatwej detekcji fali sinusoidalnej. Odległości kompromisowe położeń zwykle odpowiadają około połowie odległości pomiędzy końcowymi punktami węzłowymi 102 i 103 oraz centralnie położonym wzbudnikiem D.

Zmiana położeń końcowych punktów węzłowych 102 i 103 względem położenia zamocowanych czujników szybkości SL i SR zmienia czułość przepływu dla miernika. W miarę zbliżania punktów węzłowych 102, 103 w kierunku czujników szybkości SL, SR lub na zewnątrz od czujników szybkości następuje zmiana opóźnienia fazowego, a tym samym zmiana czułości miernika w zakresie przepływu. Przemieszczenie punktów węzłowych w kierunku do lub od czujników szybkości powoduje zmianę opóźnienia fazowego, a tym samym zmianę czułości miernika. Miejsca końcowych punktów węzłowych 102 i 103 w rurce przepływowej 104 narzuca rozwiązanie konstrukcyjne, lecz położenia punktów węzłowych mogą ulec zmianie w wyniku braku równowagi miernika.

Na figurze 3 pokazano rurkę przepływową 104 połączoną na kołnierzach 301 do otaczającej obudowy 304. Rurka przepływowa 104 drga z pewną amplitudą. Gdy obudowa 304 jest nieruchoma, punkty węzłowe 102 i 103 pozostają w żądanych położeniach. Jest to konstrukcja wyważona dynamicznie. Jednakże, na fig. 3 obudowa 304 także drga z tą samą częstotliwością lecz z przesunięciem fazowym o 180° względem rurki przepływowej 104 (typowa sytuacja dla niewyważonej rurki przepływu) (obudowę w położeniu drgającym oznaczono jako 304A). Liniami przerywanymi pokazano rurkę przepływową i obudowę w nieugiętym położeniu. Pożądane miejsca punktów węzłowych 302 i 303 na rurce przepływowej 104 występują tam, gdzie amplituda jej drgań względem obudowy 304 jest równa i przeciwna do amplitudy drgań obudowy. W ten sposób wypadkowa amplituda drgań w węzłach 302 i 303 wynosi zero. Jak można zauważyć, miejsca punktów węzłowych 302 i 303 na fig. 3 przesunęły się do wewnątrz na rurce przepływowej 104 od kołnierzy 301, w wyniku drgań obudowy 304 z przesunięciem fazowym względem rurki przepływu 104. Przesunięcia punktów węzłowych względem stałopozycyjnych czujników SL i SR zmieniają czułość przepływomierza dla przepływu, i są niepożądane.

Aby utrzymać punkty węzłowe 102 i 103 w zaprojektowanych położeniach wymagane jest powstrzymanie drgań obudowy 304. Dla materiału (przepływającego) o jednej gęstości można to łatwo uzyskać poprzez zrównoważenie sprężystego układu masowego rurki przepływowej 104 za pomocą innego sprężystego układu masowego o tej samej częstotliwości rezonansowej.

Sposób zrównoważenia przedstawia uproszczony sprężysty układ masowy według fig. 4. Dwie skupione masy m1 i m2 połączono idealną bezmasową sprężyną o sztywności k sprężyny na ugięcie. Po odciągnięciu mas m1 i m2 od siebie i zwolnieniu będą one drgać z przesunięciem fazowym o 180° względem siebie, z tą samą częstotliwością rezonansową.

Zgodnie z prawem zachowania pędu iloczyn masy i prędkości w jednym kierunku jest równy iloczynowi masy i prędkości w przeciwnym kierunku, tj. m1V1=m2V2. Ponieważ szybkość drgań jest proporcjonalna do amplitudy drgań, to m1A1=m2A2, gdzie A1 i A2 są amplitudami drgań. Tak więc duża masa m2 musi mieć małą amplitudę drgań w porównaniu z masą m1. Z tego również wynika występowanie węzła N posiadającego zerowe przemieszczenie na sprężynie. Położenie węzła N dzieli sprężynę na dwa odcinki o długościach l1/l2=A1/A2. Ponieważ położenie węzła N jest stałe, każda część sprężyny zachowuje się tak, jakby była zamocowana do ściany a nie do drugiej części sprężyny.

Obie połowy dwuczłonowego układu drgającego (po obu stronach punktu węzła N sprężyny) muszą mieć tę samą częstotliwość rezonansową. Częstotliwość rezonansowa jest równa pierwiastkowi kwadratowemu ilorazu sztywności i masy, tzn.

Obie połowy układu według fig. 4 muszą mieć taki sam iloraz sztywności i masy, ponieważ:

[2] fr = v^mi V

Możliwe jest również wykazanie, że iloraz sztywności i masy musi być stały w oparciu o zależności pomiędzy sztywnością sprężyny, długością i amplitudą drgań. Sprężyna według fig. 4 została

PL 192 483 B1 podzielona na dwie sprężyny k1 i k2 przez węzeł N. Sztywność k sprężyny jest odwrotnie proporcjonalna do jej długości, tzn. k1/k2=l2/l1. Ponieważ l1/l2=A1/A2 i m1A1=m2A2, po podstawieniu otrzymujemy k1/m1=k2/m2.

Sprężysty układ masowy według fig. 4 przedstawia tradycyjnie zrównoważoną pojedynczą rurkę przepływową przepływomierza Coriolisa, gdzie m1 przedstawia masę rurki przepływowej 104, a m2 masę rurowego elementu wyważającego. Obudowę połączono z nimi w węźle N, jak pokazano na fig. 5. Ponieważ węzeł N jest nieruchomy, obudowa 304 nie wykonuje drgań. Na fig. 6 do masy m1 dodano dodatkową masę Dm przedstawiającą materiał o większej gęstości umieszczony w rurce przepływowej m1. Zasada zachowania pędu wciąż musi obowiązywać, więc węzeł N przemieszcza się w kierunku m1 do położenia Nd tworzącego nowy punkt węzłowy. W wyniku tego obudowa 304 połączona w węźle N (obecnie poza jego pierwotnym położeniem) będzie drgać wraz z masą m2 z taką amplitudą że suma pędów po każdej stronie nowego węzła Nd jest równa zeru. Ponieważ obudowa ma znacznie większą masę niż m1 lub m2, węzeł N nie przesunie się zbyt daleko do nowego węzła Nd na fig. 6 przy drganiach obudowy 304 z amplitudą potrzebną dla zachowania pędów. W przypadku odjęcia mas m1 zamiast dodania, węzeł N przesunie się w prawo, a obudowa 304 będzie drgać razem z masą m1 zamiast z m2.

Podsumowując, w przepływomierzach z pojedynczą rurką przepływową zmiana masy rurki przepływowej 104 (m1) prowadzi do takiej zmiany położenia punktu węzłowego, że występują drgania obudowy w fazie z m1 lub m2 o amplitudzie utrzymującej zachowanie równowagi pędów. Ze względu na dużą masę obudowy zmiana położenia punktu węzłowego jest mała, amplituda drgań jest także mała, a zmiana czułości miernika wraz z gęstością materiału będzie również mała. Jednakże w pewnych zastosowaniach zmiana czułości wraz ze zmianą gęstości materiału będzie wystarczająco duża dla zdegradowania wymaganej dokładności przepływomierza Coriolisa. W takim przypadku można wprowadzić masę wzorcową, w połączeniu z rurowym elementem wyważającym, rurką przepływową oraz rurowym elementem usztywnienia.

Sposób według wynalazku wydatnie poprawia tradycyjny sposób wyważania rurki przepływowej poprzez zmianę sztywności k1 i k2 zamiast wprowadzenia masy w wyważaniu. W tradycyjnym podejściu efektywne sprężynowanie konstrukcji przepływomierza przenosi się poprzez rurkę przepływu, rurkę wyważającą oraz konstrukcję połączenia, na przykład rurowe elementy usztywniające w postaci kołnierza 301. Przemieszczenie końcowych punktów węzłowych 102 i 103 przy zmianie gęstości materiału w rurce przepływowej 104 jest bardzo małe w porównaniu z długością efektywnego sprężynowania. Tak więc przemieszczenia punktów węzłowych wywierają bardzo mały wpływ na zmianę efektywnych sztywności ugięcia k1 i k2 i nie są zdolne do uzyskania dynamicznego wyważenia w konstrukcji bez udziału masy obudowy. Na podstawie wyrażenia [2] wynika:

[3] ^k1 = ^k2 ^mi ^m2

Podstawowym środkiem zachowania pędu było dotychczas przeniesienie ruchu masy obudowy 304 wraz z lekkim członem. Zachodzi zatem równość:

^k1 ^k2

[4] Λ =-Trn - Ani ^m2 + ^mcase

Jak pokazano na fig. 7 i 8, według wynalazku w przepływomierzu Coriolisa zastosowano bardzo krótką sprężynę 701 w obszarze punktu węzłowego, przez co każde przemieszczenie w położeniu punktu węzłowego wywołane brakiem dynamicznego wyważenia powoduje stosunkowo dużą zmianę osobnych sztywności k1 i k2 ugięcia. Poprzez zmianę sztywności ugięcia utrzymuje się wyważenie dynamiczne a przy tym zmniejsza się wymagane przeniesienie masy i przesunięcia długości położenia punktu węzłowego. Zmniejsza to drgania obudowy oraz zmianę czułości miernika ze zmianą gęstości materiału.

Na figurze 8 pokazano w powiększeniu obszar sprężyny 701 z fig. 7.

Przedstawiono tu przesunięcie punktu węzłowego na krótkim odcinku z położenia 801 do 802 dla ponownego uzyskania dynamicznego wyważenia po dodaniu masy Dm do m1. Pokazano również, jak istotny jest mały odcinek w porównaniu z krótką długością sprężyny. Nastąpiło skrócenie i usztywnienie sprężyny k1 oraz wydłużenie z zmiękczenie sprężyny k2 z umożliwieniem wyważenia miernika

PL 192 483 B1 przy znacznie mniejszym przesunięciu punktu węzłowego i wstrząsaniu obudowy niż jeśliby sprężyna ta przechodziła poprzez konstrukcję jak dotychczas. Różnicę pomiędzy tradycyjnym sposobem wyważania oraz sposobem według obecnego wynalazku przedstawiono w drodze zachowania równości częstotliwości rezonansowej pomiędzy elementami przepływomierza pomimo zmiany jednej z mas.

Z wyrażenia [2] wynika, że:

fr

^m2

Po dodaniu masy Dm do masy m1 rurki przepływowej, na przykład poprzez zmianę gęstości materiału, w dotychczasowym sposobie wyważania zachowanie równości wymaga dodania masy obudowy do masy rurowego elementu wyważającego. W tych warunkach występują drgania obudowy.

[5] m2 + mc

Zgodnie z tym wyrażeniem, przy wyważaniu wymagane jest bezpośrednie wykorzystanie masy obudowy.

W sposobie wyważania według wynalazku zachowano równość proporcji sztywności i masy poprzez zmianę sztywności ugięcia, k1 i k2 konstrukcji przepływomierza, w odpowiedzi na zwiększenie masy Dm:

[6] k₁ + Ak.

^k2 ^{- Ak};

m, + Δm

V ^m2

Dla uzyskania wyważenia w wyrażeniu tym nie występuje masa obudowy, lecz zmiana sztywności k1 i k2. Obudowa nie wykonuje dużych drgań, ponieważ nie uczestniczy w uzyskaniu dynamicznego wyważenia. Na figurze 9 pokazano rurkę przepływową i rurowy element wyważający typowego przepływomierza w odkształconym stanie. Rurka przepływowa 104i rurowy element wyważający 901są zasadniczo jednorodnie sztywne i odkształcają się na całych swych długościach. Sprężystość tego układu rozciąga się na całą konstrukcję. Określenie „sprężystość” w tym kontekście dotyczy objętości metalu, która odkształca się sprężyście pod wpływem przyłożonej siły. Magazynuje energię podczas odkształcania oraz oddaje energię do układu przy rozprężaniu. Cała konstrukcja według fig. 9 pracuje podobnie jak duża sprężyna. Ponieważ przesunięcie punktów węzłowych jest bardzo małe w odniesieniu do dużej długości sprężyny, w bardzo małym stopniu zmienia się efektywna sztywność sprężysta dla rurki przepływowej i rurowego elementu wyważającego.

Jednym z przykładów realizacji sposobu według wynalazku jest zapewnienie konstrukcji przepływomierza, która umożliwia wyważanie stopnia sztywności przepływomierza, zamiast wyważania masy, poprzez umieszczenie sprężyny w pobliżu końcowych punktów węzłowych rurki przepływowej. Na fig. 10 pokazano koncepcyjny przykład wykonania konstrukcji przepływomierza według wynalazku. W konstrukcji tej funkcja sprężystości przepływomierza pokazanego na fig. 10 jest zlokalizowana w sąsiedztwie punktów węzłowych 102 i 103 rurki przepływowej 104 i rurowego elementu wyważającego 1004 i jest uzyskana poprzez utworzenie centralnych części rurki przepływowej 104 i rurowego elementu wyważającego 1004, które ulegają bardzo łatwemu ugięciu.

Uzyskano to poprzez zastosowanie w centralnych częściach rurki przepływowej 104 i rurowego elementu wyważającego 1004 mniej sztywnego materiału, na przykład gumy, lub poprzez zastosowanie w tych miejscach geometrii o mniejszej sztywności. W środkowej części rurki przepływowej 104 jest ukształtowany mieszek 1003 a w rurowym elemencie wyważającym 1004 jest ukształtowane przewężenie 1002. Takie „miękkie” centralne obszary powodują koncentrację zginania rurki przepływowej 104 i rurowego elementu wyważającego 1004 w obszarze centralnym. Ponieważ sztywność ugięcia jest w tych miejscach mała, energia sprężystości koncentruje się w miejscu połączenia rurki przepływowej 104 z rurowym elementem wyważającym 1004. Połączenie to jest realizowane za pośrednictwem rurowego elementu usztywniającego 1001, pokazanego na fig. 10. Proste części rurki

PL 192 483 B1 przepływowej 104 i rurowego elementu wyważającego 1004 są sztywne i nieruchome, jednakże nie tworzą efektywnych sprężyn, ponieważ ich miękkie środkowe części zapewniają eliminowanie momentów gnących z tych sztywnych elementów. Jeśli podatne centralne części i odpowiednio przewężenie 1002 rurowego elementu wyważającego 1004 i mieszek 1003 rurki przepływowej 104 będą wystarczająco giętkie, ich sztywność będzie tak mała, że staje się nieistotna w dynamice sprężystego układu masowego. Całkowita sprężystość k będzie zatem skoncentrowana i staje się równa sprężystości rurowego elementu usztywniającego 1001.

Na figurze 11 pokazano w przekroju rurowy element usztywniający 1001 w jednym końcu przepływomierza zawierającym rurkę przepływową 104 oraz rurowy element wyważający 1101 (porównywalny z 1004). Na fig. 12 pokazano (z dużym przesadzeniem) odkształcenie rurowego elementu usztywniającego 1001, występujące gdy rurka przepływowa 104 i rurowy element wyważający 1101 mają w przybliżeniu równe amplitudy drgań. Punkt węzłowy 1104 (obszar nieruchomy) stanowi w tym przypadku cylindryczna powierzchnia (linia przerywana) usytuowana w przybliżeniu w połowie odległości pomiędzy ścianką rurki przepływowej 104 i ścianką rurowego elementu wyważającego 1101. Na fig. 13 pokazano odkształcenie występujące, gdy amplituda drgań rurowego elementu wyważającego 1101 znacznie przewyższa amplitudę drgań rurki przepływowej 104. Taka sytuacja wynika z bardzo dużej gęstości materiału w rurce przepływowej 104. Gęsty materiał obniża częstotliwość i amplitudę drgań rurki przepływowej 104 (należy tu przypomnieć zasadę zachowania pędu). Punkt węzłowy 1104 w postaci cylindrycznej powierzchni znacznie zbliżył się do rurki przepływowej 104 w wyniku zmniejszenia jej amplitudy. W wyniku tego efektywne sprężynowanie rurki przepływowej staje się krótkie i sztywne oraz następuje spadek częstotliwości rezonansowej rurki przepływowej. Równocześnie następuje wydłużenie i zmiękczenie efektywnego sprężynowania rurowego elementu wyważającego 1401, co również obniża jego częstotliwość rezonansową. Przy prawidłowym zaprojektowaniu przesunięcie sprężystości ugięcia Dk w rurowym elemencie usztywniającym 1001 będzie wystarczające dla zrównoważenia dodatkowej masy materiału o dużej gęstości w rurce przepływowej. Częstotliwości rezonansowe maleją zatem o równe wielkości i pozostają takie same bez dołączenia masy do obudowy. Jest to korzystne, ponieważ amplituda drgań obudowy zmienia czułość miernika.

Dotychczas zakładano, że względna amplituda drgań rurki przepływowej 104 w porównaniu z amplitudą drgań rurowego elementu wyważającego 1101 maleje ze wzrostem gęstości materiału oraz wzrasta dla materiału lżejszego. Przy jednakowych częstotliwościach rezonansowych rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej, wynikających ze zmiany sztywności ugięcia, założenie to jest uzasadnione. W przypadku przedstawienia rurowego elementu wyważającego jako elementu dynamicznego wyważenia, zamocowanego do rurki przepływowej w żądanych końcowych punktach węzłowych, jest oczywistym, że każde przemieszczenie punktów węzłowych w rurowym elemencie usztywniającym 1001 przenosi energię na element dynamicznego wyważenia utworzony przez rurowy element wyważający 1101 i zwiększa jego amplitudę do momentu, aż siła reakcji pochodzącej od elementu dynamicznego wyważenia stłumi ruch punktu węzłowego. Po wprowadzeniu masy w rurkę przepływową element dynamicznego wyważenia obniża częstotliwość rezonansową dla utrzymania równej częstotliwości i zwiększa amplitudę do uzyskania nieruchomego położenia punktu węzłowego 1104 w kształcie powierzchni cylindrycznej. Po usunięciu masy z rurki przepływowej 104 element dynamicznego wyważenia zwiększa częstotliwość rezonansową i zmniejsza amplitudę do właściwej wielkości.

Według wynalazku dynamiczne wyważenie utrzymuje się poprzez zmianę względnej sztywności sprężystej zamiast przemieszczania mas pomiędzy drgającą rurką przepływową, rurowym elementem wyważającym i elementami obudowy. Można to uzyskać poprzez koncentrację działania sprężynującego lokalnie wokół stałego punktu węzłowego 1104 wewnątrz rurowego elementu usztywniającego 1001. Na fig. 11, 12 i 13 pokazano, jak można to uzyskać bez pogorszenia czułości przepływomierza. Dla uproszczenia pominięto tam współczynnik złożoności, który uwzględniono i przedstawiono na fig. 14 i 15. Na fig. 14 i 15 pokazano obudowę 1401 przepływomierza z końcówką 1405, w której jest umieszczony rurowy element wyważający 1101, rurka przepływowa 104 oraz rurowy element usztywniający 1001. Rurka przepływowa 104 i rurowy element wyważający 1101 są połączone ze sobą na końcu rurowego elementu wyważającego 1101 za pomocą rurowego elementu usztywniającego 1001. Na fig. 14 amplituda drgań rurki przepływowej 104 jest znacznie większa od amplitudy drgań rurowego elementu wyważającego 1101. Na fig. 15 amplituda drgań rurowego elementu wyważającego 1101 jest znacznie wyższa od amplitudy drgań rurki przepływowej 104. W tych sytuacjach następuje wyważenie miernika zawierającego materiał o małej gęstości (fig. 14) i materiał o dużej gęstości (fig. 15).

PL 192 483 B1

Figury 14 i 15 różnią się od fig. 11, 12 i 13 tym, że rurka przepływowa 104 wygina się na odcinku 1404 pomiędzy rurowym elementem usztywniającym 1001 i końcówką 1405 obudowy 1401 pod wpływem momentu skręcającego występującego w rurce przepływowej 104 w obszarze rurowego elementu usztywniającego 1001. Moment skręcający wynika z występowania względnych amplitud drgań rurki przepływowej 104 i rurowego elementu wyważającego 1101. Przepływomierz można tak zaprojektować, aby dla danej gęstości materiału moment obrotowy wywierany przez rurowy element wyważający 1101 był równy i przeciwnie skierowany do momentu wprowadzanego przez rurkę przepływową 104 (fig. 16). Jednakże przy zmianie gęstości materiału proporcja amplitud pomiędzy rurką przepływową 104 i rurowym elementem wyważającym 1101 zmienia się i występuje niezrównoważony moment obrotowy. Takiemu momentowi obrotowemu przeciwstawiają się elementy łączące 1701 z obudową (fig. 17) oraz końcówką 1405 obudowy, w które wchodzi segment rurki przepływowej 1404, co daje równe i przeciwnie skierowane siły F1 i F2. Dlatego jest oczywiste, że elementy łączące 1701 muszą być sztywne w kierunku przenoszenia drgań. Elementy łączące 1701 muszą przeciwstawiać się sile F1, aby żądane punkty węzłowe nie przemieszczały się pod wpływem siły F1 i aby cała konstrukcja nie utraciła wyważenia. Końcówka 1405 obudowy i elementy łączące 1701 przenoszą siły na obudowę 1401 o dużej sztywności, gdzie siły te równoważą się wzajemnie, bez występowania sił wstrząsających na obudowie. Rozpatrując oba końce obudowy 1401 (fig. 19), następuje również równoważenie momentów na obudowie.

Elementy łączące 1701 obudowy spełniają specyficzne kryteria konstrukcyjne na nie nałożone. Muszą być wystarczająco sztywne, aby zapobiec znacznemu wzajemnemu ruchowi pomiędzy obszarem punktu węzłowego rurowego elementu usztywniającego 1001 i obudową 1401. Równocześnie muszą być wystarczająco elastyczne przy skręcaniu, aby końce rurowego elementu wyważającego 1101 mogły się swobodnie obracać bez magazynowania znacznej energii sprężystości w elementach łączących 1701. Magazynowanie energii sprężystości w elementach łączących 1701 występuje na zewnątrz obszaru punktu węzłowego, pogarszając samowyważenie miernika. Jednym z możliwych i korzystnym rozwiązaniem elementu łączącego jest element o kształcie motylkowym, jak pokazano na fig. 17 i 20. Jego wąska część centralna 1702 daje giętkość skręcania, lecz bez równoległego przesunięcia. Szerokie końce 1703 i 1704 zapewniają wystarczającą sztywność, przeciwstawiając się siłom równoległego przesunięcia. Część centralna 1702 nie musi być szeroka, aby przeciwstawić się siłom równoległego przesunięcia, ponieważ momenty zginające towarzyszące siłom równoległego przesunięcia w elemencie łączącym maleją do zera w środku elementu łączącego, jak pokazuje wykres momentów zginających na fig. 21.

Elementy łączące 1701 obudowy mogą również posłużyć do rozwiązania innego problemu konstrukcyjnego. Rurkę przepływową 104 i rurowy element wyważający 1101 napędza się do drgań z wzajemnie przeciwną częstotliwością rezonansową. Drgają one w kierunku tworzącym wzdłuż osi rurki płaszczyznę zwaną płaszczyzną napędu. Rurka przepływowa i rurowy element wyważający mogą również drgać w kierunku prostopadłym do płaszczyzny napędu. Z powodu symetrii osiowej dla rurki przepływowej, rurowego elementu usztywniającego i rurowego elementu wyważającego jest prawdopodobne, że częstotliwość drgań prostopadłych będzie bardzo zbliżona do częstotliwości napędu. Wąskie pasmo separacji częstotliwości może prowadzić do problemów pomiarowych i powinno być unikane. Sposobem zwiększenia separacji częstotliwości pomiędzy trybem napędu drgań i trybem drgań prostopadłych jest zastosowanie cienkich metalowych płyt węzłowych 2901 pomiędzy elementami łączącymi obudowy i rurowym elementem wyważającym, jak pokazano na fig. 29 i 30. Płyty węzłowe 2901 mocuje się do elementów łączących 1701 i rurowego elementu wyważającego 1101. Takie usytuowanie usztywnia elementy łączące w zakresie ugięcia, co jest wymagane w trybie drgań prostopadłych. Usztywnia to zamocowanie rurowego elementu wyważającego i zwiększa częstotliwość w trybie drgań prostopadłych. Ponieważ płyty węzłowe są cienkie, nie wywierają wpływu na sztywność łączników obudowy przy równoległym przesunięciu w kierunku napędu.

Kolejny problem jest spowodowany momentem obrotowym wywieranym przez siły F1 i F2 na króciec rurowy 1404, ponieważ każdy króciec rurowy gnie się pod wpływem tego momentu obrotowego. Giętkość części króćca rurowego 1404, zewnętrznej względem rurowego elementu usztywniającego 1001 stanowi istotne polepszenie efektywnej funkcji sprężystości konstrukcji rurki przepływowej w oddaleniu od obszaru punktu węzłowego. Jak podano powyżej, korzystna jest koncentracja sprężystych właściwości przepływomierza w otoczeniu punktu węzłowego. Wydłużenie sprężystej konstrukcji pogarsza sprężyste wyważenie miernika.

PL 192 483 B1

Energię sprężystości magazynowaną w króćcu rurowym 1404 zmniejsza się poprzez zmniejszenie sztywności ugięcia króćca rurowego 1404 rurki przepływowej 104 dzięki zastosowaniu bardziej podatnej części w króćcu rurowym 1404, na przykład materiału lub kształtu, jak mieszek 2201 pokazany na fig. 22. Mieszek 2201 zmniejsza energię sprężystości w króćcu 1404, co prowadzi do większej koncentracji energii w obszarach rurowego elementu usztywniającego 1001. Mieszek 2201 znacznie zmniejsza również siły momentu skręcającego przenoszone na obudowę 1401 przez króciec rurowy 1404. Króćce rurowe zmniejszają siły poprzez swobodne wychylenie w obszarze rurowego elementu usztywniającego 1001. Ze względu na samoczynne wyważanie, konstrukcja według fig. 22, lub z usuniętą obudową według fig. 23, jest korzystnym przykładem wykonania obecnego wynalazku.

Na figurze 23 przedstawiono przepływomierz podobny jak na fig. 22, lecz bez pokazania obudowy 1401. W przepływomierzu według fig. 23 występuje rurka przepływowa 104 posiadająca mieszek 1003 w środkowej części oraz mieszki 2201 w króćcach rurowych 1404. Rurka przepływowa 104 jest otoczona przez rurowy element wyważający 1101, posiadający giętką część centralną uformowaną z wycięciem 2402 tworzącym zmniejszony przekrój łączący lewą i prawą część rurowego elementu wyważającego 1101. Konstrukcja według fig. 23 zawiera ponadto elementy łączące 1701. Jest to zatem konstrukcja korzystna w zastosowaniach, gdzie głównym kryterium będzie wyważenie dynamiczne. Wyważenie dynamiczne wynika tu z koncentracji właściwości sprężystych rurki przepływowej 104 i rurowego elementu wyważającego 1101 w rurowych elementach usztywniających 1001, w pobliżu końcowych punktów węzłowych.

W niektórych zastosowaniach mieszek może wykluczać pewne właściwości pożądane dla przepływomierza z prostą rurką przepływową. Mieszek jest trudny do oczyszczenia od wewnątrz. Z tego powodu nie będzie akceptowany na przykład w maszynach spożywczych, gdzie wymagane jest czyszczenie i przegląd całej wewnętrznej powierzchni rurki przepływowej.

W przypadkach, gdy pożądana jest ciągła jednorodna średnica i materiał rurki przepływowej 104, nie wykonuje się podatnego na zginanie centralnego obszaru. W dalszym ciągu jest korzystne wykonywanie podatnego na zginanie centralnego obszaru w rurowym elemencie wyważającym 1101 oraz stosowanie elementów łączących 1701 dla rurowych elementów usztywniających 1001. Na fig. 24 przedstawiono podobny układ jak na fig. 23, lecz bez mieszków 2201 i 1003. Przykład według fig. 24 może być korzystny w zastosowaniach, gdzie wnętrze rurki przepływowej 104 musi być gładkie i ciągłe. Rurka przepływowa 104 na fig. 24 nie wykazuje zatem elastyczności nadawanej przez mieszki 2201 i 1003 pokazane na fig. 23.

Przepływomierz z elementami konstrukcyjnymi według fig. 24 jest tak wyważony, że punkt węzłowy wciąż występuje w obszarze rurowego elementu usztywniającego 1001. Ponadto, sprężystość rurowego elementu wyważającego 1101 wciąż koncentruje się w rurowym elemencie usztywniającym 1001 w pobliżu punktu węzłowego jak na fig. 23. W punkcie węzłowym część rurki przepływowej 104 umieszczonej w rurowym elemencie usztywniającym 104 jest usytuowana szeregowo względem stosunkowo miękkiej i rozciągniętej sprężyny (zagięcie rurki przepływowej). Gdy do rurki przepływowej doda się dodatkową masę, miejsca punktów węzłowych przesuwają się w stronę rurki przepływowej i znacznie zmiękczają sprężystość rurowego elementu wyważającego 1101, jak opisano uprzednio w odniesieniu do fig. 13.

Rurka przepływowa ma sprężystość netto, która jest nadawana przez miękką sprężystość rurki przepływowej oraz sprężystość sztywnego rurowego elementu usztywniającego 1001. Szeregowo połączone właściwości sprężyste są dodawane jak równoległe rezystory; dominuje sprężyna bardziej miękka (lub mniejszy rezystor).

Knet = k1k2/(k1+k2)

W ten sposób sprężyna 17,7 kg/cm w szeregu ze sprężyną 1,77 kg/cm tworzą układ o sprężystości netto 1,61 kg/cm. Przy zmianie sztywniejszej sprężyny na 23 kg/cm, co może wynikać z przemieszczenia punktu węzłowego, sztywność ugięcia w szeregu wyniesie 1,65 kg/cm. 30% zmiana sztywności ugięcia bardziej sztywnej sprężyny daje zatem tylko 2% zmianę sztywności połączonych sprężyn. Sprężystość netto ugięcia rurki przepływowej 104 jest zatem zdominowana przez miękką sprężynę, a zmiana położenia punktu węzłowego w układzie sprężystym rurowego elementu usztywniającego 1001 wywiera bardzo mały wpływ na sprężystość netto ugięcia rurki przepływowej 104.

Działanie sprężynujące rurki przepływowej 104 według fig. 24 przedstawiono koncepcyjnie na fig. 25 i 26. Na fig. 25 masę rurki przepływowej 104 oznaczono m1. Sprężystość rurki przepływowej netto oznaczono k1, w szeregu z miękką rozłożoną sprężystością rurki przepływowej 104 oraz sztywną

PL 192 483 B1 częścią rurowego elementu usztywniającego 1001 po lewej stronie węzła N. Większą masę rurowego elementu wyważającego 1101 oznaczono jako m2, którego sprężystość k2 koncentruje się w rurowym elemencie usztywniającym 1001. Punkt węzłowy tej konstrukcji w wyważonym stanie oznaczono węzłem N w położeniu 2501. Na fig. 26 do rurki przepływowej 104 dodano masę Dm, przez co po wprowadzeniu w rurkę przepływową ciężkiego materiału następuje przesunięcie punktu węzłowego N do położenia 2601. Przesunięcie to powoduje znaczną zmianę długości sprężyny oraz sprężystości k2 sprężyny przedstawiającej rurowy element wyważający 1101. Sprężystość rurki o przepływowej 104 jest jednakże utworzona przez miękką rozłożoną sprężynę w rurce przepływowej, która nie zmienia długości w szeregu z krótką sztywną sprężyną rurowego elementu usztywniającego po stronie rurki przepływu względem nowego położenia węzła. Nawet w przypadku znacznego skrócenia składowej rurowego elementu usztywniającego 1001 o przemieszczenie węzła, rozłożona sprężystość rurki dominuje w zakresie sztywności ugięcia, i przesunięcie węzła wprowadza małą różnicę w ogólnej sprężystości ugięcia rurki przepływowej 104. Geometria według fig. 24 stanowi zatem kompromis pod względem utrzymania wyważenia ze zmianą gęstości materiału. W rezultacie nie występują drgania obudowy. Przemieszczenie obudowy będzie znacznie mniejsze niż w dotychczasowych miernikach, ponieważ zmiana sztywności rurowego elementu wyważającego 1101 zmniejsza niezbędne przemieszczenie masy. Zmniejszenie drgań obudowy prowadzi do mniejszej zmiany położenia węzła oraz poprawy dokładności przepływomierza w porównaniu ze stanem dotychczasowym.

Na podstawie równania częstotliwości rezonansowych wynika, w jaki sposób przykład wykonania (bez mieszka w rurce przepływowej) według obecnego wynalazku zmniejsza wstrząsy obudowy w porównaniu z dotychczasowymi miernikami.

k1	k2 - Δk
m1 + Δm	m2 + mcase

Równanie różni się od tradycyjnego podejścia (wyrażenie [4]) członem Dm.

Występowanie tego członu oznacza mniejszy udział masy obudowy (amplituda drgań) dla wyważenia miernika i tożsamości wyrażenia.

Na figurach 27 i 28 przedstawiono przykład wykonania konstrukcji całego przepływomierza Coriolisa według wynalazku. W przykładzie na fig. 27 rurka przepływowa 104 nie posiada mieszka. W przykładzie na fig. 28 podobnym do fig. 27 centralna część rurki przepływowej 104 oraz obszary króćców rurowych 1404 zawierają mieszki 2201 i 1003. W obu przykładach pokazano połączenie końcówki obudowy 1405 elementem pośrednim 2702 do kołnierza 2701 przez co przepływomierze według fig. 27 i 28 mogą być połączone ze źródłem materiału, na przykład przewodem rurowym na ich wejściu, i z odbiornikiem materiału na ich wyjściu.

W obu przykładach według fig. 27 i 28 występuje wzbudnik D w środkowej części rurki przepływowej 104, lewy czujnik SL i prawy czujnik SR wykrywające ruchy reprezentatywnych drgań Coriolisa dla konstrukcji zawierającej rurkę przepływową i rurowy element wyważający, co z kolei stanowi wskazanie natężenia przepływu materiału poprzez przepływomierz.

Jest zrozumiałym, że zastrzeżony wynalazek nie ogranicza się do opisu korzystnego przykładu wykonania, lecz obejmuje inne modyfikacje i odmiany w zakresie i duchu koncepcji wynalazku. Tak więc użyte tu określenie „materiał” dotyczy dowolnej przepływającej substancji, jak zawiesiny, ciecze i gazy, włączając w to ich kombinacje.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przepływomierz Coriolisa z podłużną rurką przepływową zawierający rurowy element wyważający usytuowane względem siebie zasadniczo równolegle i rurowy element usztywniający, za pośrednictwem którego końcowe części rurowego elementu wyważającego są połączone z rurką przepływową, przy czym rurka przepływowa i rurowy element wyważający posiadają właściwości sprężyste i mają określoną masę i są umieszczone wraz z rurowym elementem usztywniającym w obudowie, a rurowy element usztywniający jest połączony z obudową za pośrednictwem elementów łączących, natomiast w połączeniu z rurowym elementem wyważającym i rurką przepływową jest umieszczony wzbudnik ich poprzecznych drgań wzajemnie przesuniętych fazowo, z usytuowanym w jednym z ruPL 192 483 B1 rowego elementu usztywniającego, rurowego elementu wyważającego i rurki przepływowej punktem węzłowym, który oddziela działanie właściwości sprężystych rurki przepływowej od działania właściwości masy rurki przepływowej, znamienny tym, że rurowy element wyważający (1101) ma podłużną część środkową (1002), która jest bardziej elastyczna niż jego pozostała część, a rurowy element wyważający (1101) ma właściwości sprężyste skoncentrowane w pobliżu punktu węzłowego (101,102), przy czym właściwości sprężyste rurowego elementu wyważającego (1101) są zmienne pod wpływem występowania w rurce przepływowej (104) materiałów o różnych masach w różnym czasie utrzymując wyważenie dynamiczne przepływomierza Coriolisa przy przepływie materiału o różnych gęstościach w różnych czasach przez rurkę przepływową (104).
2. 2. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 1, znamienny tym, że środkowa część rurowego elementu wyważającego (1101) zawiera wycięcie (2402) w rurowym elemencie wyważającym (1101).
3. 3. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 1, znamienny tym, że rurka przepływowa (104) ma podłużną część środkową o większej elastyczności niż w pozostałej części rurki przepływowej (104); a rurka przepływowa (104) ma właściwości sprężyste skoncentrowane w pobliżu punktu węzłowego (101, 102), przy czym właściwości sprężyste rurki przepływowej (104) są zmienne pod wpływem występowania w rurce przepływowej (104) materiałów o różnych masach w różnym czasie utrzymując wyważenie dynamiczne przepływomierza Coriolisa przy przepływie materiału o różnych gęstościach w różnych czasach przez rurkę przepływową (104).
4. 4. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 3, znamienny tym, że środkowa część rurki przepływowej (104) zawiera mieszek (1003).
5. 5. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 1, znamienny tym, że rurowy element wyważający (1101), rurka przepływowa (104) oraz rurowy element usztywniający (1001) są równoległe do osi wzdłużnej obudowy (1401) a pomiędzy obudową (1401) i rurowym elementem usztywniającym (1001) są usytuowane elementy łączące (1701) mocujące rurowy element usztywniający (1001) do obudowy i ustalające jego równoległe położenie względem obudowy (1401).
6. 6. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 5, znamienny tym, że elementy łączące (1701) stanowią elementy łączące pierwszy i drugi z których każdy ma zasadniczo płaską powierzchnię ustawioną prostopadle do wzdłużnej osi rurowego elementu wyważającego (1101) i o kształcie, przy którym rurowy element usztywniający (1001) jest zamontowany obrotowo względem obudowy (1401) a jego położenie wzdłużne względem obudowy (1401) jest ustalone, przy czym rurowy element usztywniający (1001) jest zamontowany obrotowo wokół osi prostopadłej do osi wzdłużnej rurowego elementu wyważającego (1101) i rurki przepływowej (104) rozciągającej się od rurowego elementu usztywniającego (1001) do obudowy (1401).
7. 7. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 6, znamienny tym, że płaska powierzchnia pierwszego i drugiego elementu łączącego (1701) ma kształt motylkowy i posiada pierwszy koniec (1704), wąską część środkową (1702) i drugi koniec (1703).
8. 8. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 7, znamienny tym, że pierwszy koniec (1704) każdego pierwszego i drugiego elementu łączącego (1701) jest połączony z rurowym elementem usztywniającym (1001), a drugi koniec (1703) jest połączony z częścią wewnętrznej ścianki obudowy (1401), zaś część środkowa (1702) elementu łączącego (1701) ma sztywność skrętnego ugięcia, przy której rurowy element usztywniający (1001) jest obrotowy względem obudowy (1401) i ma wytrzymałość, przy której rurowy element usztywniający (1001) jest nieruchomy względem obudowy (1401) w kierunku równoległego przesunięcia.
9. 9. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 8, znamienny tym, że każdy z pierwszego i drugiego elementu łączącego (1701) zawiera płytę węzłową (2901) tworzącą płaską powierzchnię połączoną pomiędzy rurowym elementem wyważającym (1101) i elementami łączącymi (1701) obudowy (1401), przy czym pierwszy bok płyty węzłowej (2901) jest połączony z zewnętrzną powierzchnią rurowego elementu wyważającego (1101), równolegle do jego wzdłużnej osi, a drugi bok płyty węzłowej (2901), prostopadły do pierwszego boku jest połączony z płaską powierzchnią elementów łączących (1701), przy czym częstotliwość drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego (1101) jest zwiększona bez wpływu na wzbudzaną częstotliwość drgań wywieranych na rurowy element wyważający (1101) w kierunku prostopadłym do częstotliwości drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego (1101).
10. 10. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 6, znamienny tym, że pomiędzy rurowym elementem usztywniającym (1001) i końcówkami (1405) obudowy (1401) są umieszczone i połączone z nimi króćce rurowe (1404) rurki przepływowej (104).

    PL 192 483 B1
11. 11. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 10, znamienny tym, że króćce rurowe (1404) rurki przepływowej (104) posiadają mieszki (2201) w pobliżu rurowego elementu usztywniającego (1101), przy czym mieszki (2201) stanowią dynamiczną izolację rurowego elementu usztywniającego (1101) względem końcówek (1405) obudowy (1401) zmniejszając sprężystość króćców rurowych (1404) rurki przepływowej (1401).
12. 12. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 1, znamienny tym, że rurowy element wyważający (1101), rurka przepływowa (104) i rurowy element usztywniający (1001) są otoczone obudową (1401), której oś jest równoległa do rurowego elementu wyważającego (1101) i rurki przepływowej (104), a rurowy element usztywniający (1001) jest połączony z częścią wewnętrznej ściany obudowy (1401) za pomocą elementów łączących (1701) ustalających równoległe położenie rurowego elementu usztywniającego (1001) w kierunku przesunięcia względem obudowy (1401) podczas wibrowania z wzajemnym przesunięciem fazowym rurowego elementu usztywniającego (1001) i rurki przepływowej (104), przy czym element łączący (1701) ma kształt motylowy, przy którym rurowy element usztywniający (1001) jest zamontowany obrotowo względem obudowy (1401) wokół osi prostopadłej do wzdłużnej osi rurowego elementu wyważającego (1101) i obudowy (1401), a położenie rurowego elementu usztywniającego (1001) w kierunku przesunięcia równoległego względem obudowy (1401) jest ustalone, natomiast część środkowa rurowego elementu wyważającego (1101) zawiera wycięcie (2402) do koncentrowania właściwości sprężystych rurowego elementu wyważającego (1101) w otoczeniu punktu węzłowego (101, 102), a w części środkowej rurki przepływowej (104) jest ukształtowany mieszek (1003) do koncentrowania właściwości sprężystych rurki przepływowej (104) w pobliżu punktów węzłowych (101, 102) oscylacji, zaś pomiędzy końcówkami (1405) obudowy (1401) i rurowym elementem usztywniającym (1001) są umieszczone połączone z nimi króćce rurkowe (1404) rurki przepływowej (104), które to króćce rurkowe (1404) zawierają mieszek (2201) w pobliżu rurowego elementu usztywniającego (1001) zmniejszający sztywność ugięcia króćca rurkowego (1404) rurki przepływowej (104) stanowiący dynamiczną izolację rurowego elementu usztywniającego (1001) względem końcówek (1405) obudowy (1401), przy czym rurowe elementy usztywniające (1001) wykazują zasadniczo całe właściwości sprężyste przepływomierza Coriolisa dla utrzymania dynamicznego wyważenia przepływomierza Coriolisa poprzez zmianę stopnia sztywności ugięcia segmentów rurowego elementu usztywniającego (1001), przy występowaniu w rurce przepływowej (104) materiałów o różnych gęstościach.
13. 13. Przepływomierz Coriolisa według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy łączące (1701) mają zasadniczo płaską powierzchnię ustawioną prostopadle do wzdłużnej osi rurowego elementu wyważającego (1101) i o kształcie, przy którym rurowy element usztywniający (1001) jest zamontowany obrotowo względem obudowy (1401) a jego położenie wzdłużne względem obudowy (1401) jest ustalone, przy czym rurowy element usztywniający (1001) jest zamontowany obrotowo wokół osi prostopadłej do osi wzdłużnej rurki przepływowej (104) rozciągającej się od rurowego elementu usztywniającego (1001) do obudowy (1401), a pierwszy koniec (1704) elementu łączącego (1701) jest połączony z rurowym elementem usztywniającym (1001), zaś drugi koniec (1703) jest połączony z częścią wewnętrznej ścianki obudowy (1401), natomiast część środkowa (1702) elementu łączącego (1701) ma sztywność skrętnego ugięcia, przy której rurowy element usztywniający (1001) jest obrotowy względem obudowy (1401) i ma wytrzymałość, przy której rurowy element usztywniający (1001) jest nieruchomy względem obudowy (1401) w kierunku równoległego przesunięcia, a z każdym elementem łączącym (1701) jest połączona płyta węzłowa (2901) tworząca płaską powierzchnię połączoną pomiędzy rurowym elementem wyważającym (1101) i elementami łączącymi (1701) obudowy (1401), przy czym pierwszy bok płyty węzłowej (2901) jest połączony z zewnętrzną powierzchnią rurowego elementu wyważającego (1101), równolegle do jego wzdłużnej osi, a drugi bok płyty węzłowej (2901), prostopadły do pierwszego boku jest połączony z płaską powierzchnią elementów łączących (1701), przy czym częstotliwość drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego (1101) jest zwiększona bez wpływu na wzbudzaną częstotliwość drgań wywieranych na rurowy element wyważający (1101) w kierunku prostopadłym do częstotliwości drgań poprzecznych rurowego elementu wyważającego (1101).