專利名稱：科里奧利質(zhì)量流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流量計，用于測量流體的質(zhì)量流量，具體說，涉及一種具有很高靈 敏度的科里奧利流量計，它可以測量流量極小的質(zhì)量流量，或是在流量調(diào)節(jié)范圍很大的情 況下測量流量。
背景技術(shù)：
在制藥、食品等工業(yè)領(lǐng)域中，確定管道中的流量對工藝過程的監(jiān)測、控制和生產(chǎn)是 非常重要的。管道中的質(zhì)量流量通常用流量計進行測量，目前常用于封閉管道系統(tǒng)中的流 量計可分為電磁流量計、超聲波流量計、矩陣流量計和科里奧利流量計。與其他流量計相比，科里奧利流量計有很多優(yōu)點。首先，它能用直接的方法非常準 確地測量質(zhì)量流量，而其他類型的流量計只能測量體積流量，需要進行額外的計算轉(zhuǎn)為質(zhì) 量流量。另外，科里奧利流量計可以用于幾乎各種流體的測量，如液體、氣體、漿液及混合相 的流體。最后，科里奧利流量計的測量原理與流體的物理性能無關(guān)，它不會受到流體的壓 力、密度及溫度變化的影響。因此，科里奧利流量計在各個領(lǐng)域有著廣泛的用途。通常的科里奧利流量計包括一個用于測量流體的測量管和一個用于振動測量管 的驅(qū)動頭，其振動頻率為測量管的諧振頻率。當(dāng)測量管振動時，流體的質(zhì)量擊打測量管的管 壁，產(chǎn)生科里奧利力，導(dǎo)致測量管發(fā)生彈性變形。多個測量管的運動可將變形放大，以便計 算出科里奧利力，從而測定出流體的質(zhì)量流量。這種科里奧利流量計的一個問題是測量的靈敏度無法明顯改善，大多數(shù)測量管由 不銹鋼或哈氏合金制造，這些金屬的彈性有限，所以測量的靈敏度很難進一步提高。此外， 測量管的形狀通常為U形或S形，這樣的形狀雖可以加大科里奧利力在測量管上產(chǎn)生的彈 性變形，但也易于在流體流動到焊接的彎管或分流處產(chǎn)生壓力損失，導(dǎo)致測量精度降低。在 這種流量計中，測量管形狀設(shè)計時綜合考慮測量的靈敏度和精度是非常困難的。目前科里奧利流量計的另一個問題是對測量管振動的設(shè)計。測量管作為一種流體 的承載件，在受到振動的時候會產(chǎn)生彎曲，這意味著，測量管要有足夠的厚度和強度，以承 受流體壓力和測量管材料的疲勞。而另一方面，測量管是通過彈性變形來進行測量的，因此 測量管的管壁要盡可能薄，這樣才能在科里奧利力的作用下產(chǎn)生明顯的變形。顯然，這兩個 相互矛盾的要求也限制了測量靈敏度的提高。由于存在上述問題，目前的科里奧利流量計不適用于如下場合測量在石化工業(yè)中調(diào)節(jié)范圍很大(即最大流量與最小流量之比> 2000 1)的氣 體流量，管道中的氣體流量可在4克/分鐘至8千克/分鐘之間變化；測量流量非常低(流量< 50克/分鐘)的液體和氣體的質(zhì)量流量，如半導(dǎo)體工 業(yè)的化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)，制藥工業(yè)中的產(chǎn)品研發(fā)和試驗室分析。作為科里奧利流量計的核心部件，測量管對流量計的性能起著決定性的作用。近 年來，人們一直努力試圖設(shè)計出不同形狀的測量管，以提高流量計的性能。US 6684716B2中公開了一種科里奧利流量計，圖1所示為此類流量計的一種典型結(jié)構(gòu)。該流量計包括一個直的測量管71和平行地位于直管兩側(cè)的兩個直桿72a和72b，被 測流體流過測量管71，測量管71和直桿72a由振動產(chǎn)生器73a帶動振動，另一個振動產(chǎn)生 器73b在另一側(cè)帶動測量管71和直桿72b振動，測量管71和直桿72a和72b的振動頻率 相同。測量管71的端部和兩根直桿的端部72a和72b固定在共同的支撐塊74a和74b上。 在沿直管方向的兩側(cè)設(shè)有振動傳感器75a和75b，用以檢測測量管71的變形量。盡管這種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且堅固，但這種直管的科里奧利流量計的測量靈敏度不 高。在諧振的狀態(tài)下，測量管只能產(chǎn)生很小的彎曲，當(dāng)流體流經(jīng)直管時，在垂直于直管方向 上產(chǎn)生的科里奧利力很小，測量管的變形也就很小，因此需要優(yōu)化測量管的結(jié)構(gòu)，以加大測 量管的變形的幅度。US 2007/0034019A1公開了另一種類型的科里奧利流量計，如圖2所示，它有一個 彎曲的測量管81，電磁激勵線圈83固定在U形測量管81前端中心82的下方，用以帶動測 量管作微小的振動。如圖2所示，流體從左側(cè)流入，從右側(cè)流出，在兩側(cè)產(chǎn)生相反的科里奧 利力，扭動U形測量管。在拐彎處，聚集了流體的力，所以測量管的振動得以放大，左右設(shè)置 的兩個測量線圈84測量由此產(chǎn)生的變形。上述現(xiàn)有的科里奧利流量計都是基于測量管的振動而設(shè)計的，為了滿足承受流體 壓力的要求，測量管需要有足夠的強度，因此不宜造得太薄，但這又影響了測量靈敏度的提 高。為解決測量管振動的設(shè)計問題，US 5728951A提出了一種旋轉(zhuǎn)型的科里奧利流量計， 如圖3所示，其上具有一個相位測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有一個外轉(zhuǎn)子91、一個同軸內(nèi)轉(zhuǎn)子 92 (也稱科氏轉(zhuǎn)子)和一個彈性扭轉(zhuǎn)桿93，彈性扭轉(zhuǎn)桿93與外轉(zhuǎn)子91和內(nèi)轉(zhuǎn)子92相連。 測量外轉(zhuǎn)子91和科氏轉(zhuǎn)子92間的轉(zhuǎn)動位移，即可決定流過流量的質(zhì)量流率。但是，這種流 量計測量管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體分流器的設(shè)計也會導(dǎo)致流體的壓力損失，進而引起測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在提供一種能克服上述缺點科里奧利質(zhì)量流量計，具體來說就是 提供一種靈敏度高的科里奧利流量計。本發(fā)明的另一個目的提供一種能夠減少外界的對測量精度產(chǎn)生影響且經(jīng)久耐用 的科里奧利流量計。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種科里奧利質(zhì)量流量計，包括一根可繞一個旋 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的測量管和一對振動傳感器，測量管由金屬玻璃制成，該測量管具有一段與旋轉(zhuǎn) 軸同軸供被測流體流入的進口直管，一段與旋轉(zhuǎn)軸同軸供被測流體流出的出口直管，和一 段位于進口直管和出口直管之間且與兩者相通的弧形彎管；振動傳感器設(shè)置在測量管的弧 形彎管兩端。根據(jù)本發(fā)明的再一種科里奧利流量計，其中，還包括一根弧形桿，該弧形桿與測量 管的弧形彎管沿旋轉(zhuǎn)軸在同一平面內(nèi)軸向?qū)ΨQ，該弧形桿的兩端分別與測量管固定在兩個 支撐塊上。根據(jù)本發(fā)明的另一種科里奧利流量計，其中，一個馬達帶動測量管繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動， 馬達的轉(zhuǎn)子在被測流體入口端或被測流體的出口端處夾持測量管的進口直管或出口直管， 馬達的定子固定在流量計的殼體上。根據(jù)本發(fā)明的又一種科里奧利流量計，其中，該流量計的殼體分別通過軸承在測量管的被測流體入口端和被測流體的出口端處支承測量管。根據(jù)本發(fā)明的又一種科里奧利流量計，其中，制造測量管的金屬玻璃為鋯(Zr)基 金屬玻璃。在本發(fā)明的科里奧利流量計的測量管由金屬玻璃制造，由于金屬玻璃強度高、彈 性大，具有很好的機械性能，因此可以制造出比現(xiàn)有的不銹鋼或哈氏合金性能更好的測量 管。另外，由于測量管還帶有一段弧形彎管，流體流過弧形彎管時可以產(chǎn)生較大的科里奧利 力，徑向?qū)ΨQ設(shè)置的兩個振動傳感器可以加大測量管上測出的變量幅度，所以這種本發(fā)明 的流量計具有很高的測量靈敏度。另外由于本發(fā)明金屬玻璃的測量管無需焊接，因此也消除了由焊接而產(chǎn)生的測量 管壓力損失，保證了測量精度。為了進一步提高測量精度，在本發(fā)明的一個實施例中還提供了 一個能對測量管起 到平衡作用的弧形桿，這樣可以減少測量管轉(zhuǎn)動時受到的外部振動。在本發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)馬達的定子固定在流量計的殼體上，而轉(zhuǎn)子夾住測量管直管部 分，可消除測量管受到的彎曲和扭曲，又大大降低了金屬玻璃測量管斷裂的可能性，提高了 使用的流量計使用的可靠性。


以下附圖僅對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中圖1是現(xiàn)有的一種帶有直管的科里奧利流量計的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有的一種帶有U形管的科里奧利流量計的立體示意圖；圖3是現(xiàn)有的一種旋轉(zhuǎn)型科里奧利流量計的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的科里奧利流量計中的一種旋轉(zhuǎn)測量管的示意圖；圖5是本發(fā)明的一種科里奧利流量計的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是鋼材、鈦合金、木材、聚合物和金屬玻璃的機械性能分布圖；圖7表示了沿本發(fā)明圖4所示的測量管長度方向，因科里奧利力而產(chǎn)生的變形的 分布曲線；圖8顯示了金屬玻璃測量管和不銹鋼測量管測量流量時靈敏度的差異。
具體實施例方式為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照

本發(fā) 明的具體實施方式
，在各圖中相同的標號表示相同的部分。圖4顯示了本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)測量管的科里奧利流量計的工作原理。如圖4所示，測 量管1包括一段進口直管11、一段出口直管12和一段弧形彎管13。一股質(zhì)量為m的流體 以速度V從進口直管11的入口端流入、從出口直管12的出口端流出。測量管1繞一個由 直管11和12確定的旋轉(zhuǎn)軸(也可參見圖5中虛線所示旋轉(zhuǎn)軸)以恒定的角速度《順時 針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)這股流體處于測量管1的進口直管11或出口直管12時，由于流體的運動方向 與旋轉(zhuǎn)軸同向，所以不會產(chǎn)生科里奧利力。而當(dāng)這股流體在測量管1的弧形彎管13中(例 如位置15處)流動時，流體的速度V可以分解為一個平行于旋轉(zhuǎn)軸的速度分量Vx和一個 垂直旋轉(zhuǎn)軸方向且向外的速度分量Vy。此時，流體具有一個使其偏離旋轉(zhuǎn)軸的加速度，在這個加速度的作用下，弧形彎管13的壁面上就受到了一個科里奧利力F。的作用，這個力可以 由方程⑴得出Fc = mAc(1)其中F。表示作用在測量管上的科里奧利力，m表示這股流體的質(zhì)量，
A。表示科里奧利加速度。根據(jù)物理學(xué)的定律，科里奧利加速度A?？梢员硎緸锳c = 2(o XVy)(2)其中co表示測量管的旋轉(zhuǎn)角速度，Vy表示流體速度V在垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向上的速度分量。假設(shè)在位置15處測量管的傾斜角為e，則Vy = V Xcos 0(3)將方程(2)和方程(3)代入方程(1)后，即可得出在位置15處的科里奧利力為Fc = 2XmX (co XVXcos 0 ) (4)從方程⑷可以算出圖4所示的科里奧利力F。，該力與流體的質(zhì)量m成正比，與這 些質(zhì)量的流體通過測量管1的速度V成正比，與測量管1的旋轉(zhuǎn)角速度《成正比。根據(jù)這 一原理，在與位置15相對稱的位置16處，科里奧利力F。的大小相等，方向相反。在這兩個 力的共同作用下，測量管1產(chǎn)生變形，在位置15和位置16位設(shè)置兩個振動傳感器即可測出 由此科里奧利力而產(chǎn)生的變形的幅度，進而確定流體的質(zhì)量流量。圖5所示為采用上述原理的一種本發(fā)明的科里奧利流量計的具體應(yīng)用實施例。如 圖所示，本實施例的流量計的測量管1包括一段進口直管11、一段出口直管12和一段位于 這兩個直管部分之間的弧形彎管13，被測流體從進口直管11的入口端流入，經(jīng)過弧形彎管 13，最后從出口直管12的出口端流出。測量管1的流體進口端或流體出口端上裝有一個旋 轉(zhuǎn)馬達3，在圖5所示的示例中，旋轉(zhuǎn)馬達安裝在流體出口一端。旋轉(zhuǎn)馬達3包括一個轉(zhuǎn)子 31和一個定子32，定子32固定在流量計的殼體5上，轉(zhuǎn)子31夾住測量管1直管的管壁，從 而帶動測量管1以一定以角速度旋轉(zhuǎn)。流量計的殼體5可以分別通過軸承支承測量管1，如 圖所示，該軸承可以設(shè)置在測量管1被測流體的入口端和被測流體的出口端處。在圖5所示的流量計中還帶有一根弧形桿7，弧形桿7與測量桿1的弧形部分13 沿轉(zhuǎn)動軸在同一平面內(nèi)呈軸向?qū)ΨQ，以平衡測量管1弧形彎管13轉(zhuǎn)動時受到的力。弧形桿 2的兩端和測量桿1分別由支撐塊41、42支撐，以保證旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。當(dāng)流體流過旋轉(zhuǎn)的測量管1時，測量管1的弧形彎管13中的流體產(chǎn)生科里奧利 力，使測量管發(fā)生變形。測量管1弧形部分13的兩端分別裝有振動傳感器14a和14b，這兩 個傳感器沿測量管徑向?qū)ΨQ布置，測量管壁變形的振幅。在產(chǎn)生同樣科里奧利力的情況下，測量管彈性變形的幅度越大，流量計的測量靈 敏度越高，從圖6所示的各種不同材料的機構(gòu)性能分布圖可以明顯看出，金屬玻璃便具有 這樣優(yōu)異的機械性能，它強度高、彈性大。在本發(fā)明中，測量管1由金屬玻璃制造，這種由金 屬玻璃制造的科里奧利管能在很大的流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)和極低的流量的情況下測量流體的質(zhì)量流量。根據(jù)本發(fā)明一個實施例，帶有弧形彎管的測量管由&基金屬玻璃制造。與使用不 銹鋼制成的測量管相比，金屬玻璃具有更高的強度和更大的彈性。例如&基金屬玻璃管 的受拉屈服強度是不銹鋼管的1.6倍，&基金屬玻璃管的楊氏模量是不銹鋼的五分之二， Zr基金屬玻璃管的厚度可以僅有不銹鋼管厚度的四分之一。而且&基金屬玻璃管對氯氣 和液態(tài)氯化物等的耐化學(xué)腐蝕性也非常強。在發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)馬達的定子32固定在流量計的殼體5上，而轉(zhuǎn)子31夾住了測量管 1的直管部分，消除了測量管1受到的彎曲和扭曲，大大降低了金屬玻璃測量管斷裂的可能 性。圖7表示了在科里奧利力的作用下，測量管1沿x軸方向(即圖4中的x軸方向) 的變形分布圖。從圖中可以看出，在測量管1的不同位置上因科里奧利力而產(chǎn)生的變形有 所不同，但在弧形彎管13上，測量管1的變形量有了明顯的增加。為了提高測量的靈敏度， 振動傳感器要設(shè)置在能夠產(chǎn)生最大變形量的位置處，即靠近弧形彎管的兩個端部。振動傳 感器可采用壓電元件。圖8對用玻璃金屬和不銹鋼制作測量管時測量靈敏度進行了比較，其中實線部分 表示本發(fā)明的金屬玻璃測量管，虛線部分表示不銹鋼測量管。科里奧利質(zhì)量流量計主要是 通過測量管的彈性變形量的幅度S來確定流體的質(zhì)量流量，變形幅度8越大，則測量計越 靈敏。變形幅度可由方程(5)計算得出6 = 4FcL3/3 31E ((！/—屯4)(5)其中F。表示科里奧利力，E表示楊氏模量，屯表示測量管的內(nèi)徑，d2表示測量管的外徑，L表示測量管的長度。在實際使用中，由于測量管的長度受測量計體積的限制，振動幅度5主要受測量 管的壁厚和楊氏模量的影響。也就是說，流量計中測量管所用的材料越薄、楊氏模量越小， 則流量計的測量靈敏度越高。目前金屬玻璃測量管的楊氏模量大約是不銹鋼測量管的五分 之二，本發(fā)明的測量管的厚度是不銹鋼管厚度的四分之一，根據(jù)方程(5)的計算，金屬玻璃 測量管的測量靈敏度能達到不銹鋼管的30倍以上。上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施例的具體說明， 它們并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施例或變更 均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種科里奧利質(zhì)量流量計，包括一根可繞一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的測量管和一對振動傳感器，其特征在于所述的測量管由金屬玻璃制成，該測量管具有一段供被測流體流入、與所述旋轉(zhuǎn)軸同軸的進口直管，一段供被測流體流出、與所述旋轉(zhuǎn)軸同軸的出口直管，和一段位于所述的進口直管和所述的出口直管之間且與兩者相通的弧形彎管；所述的一對振動傳感器沿測量管徑向?qū)ΨQ布置，并設(shè)置在所述測量管的所述弧形彎管兩端。
2.如權(quán)利要求1所述的科里奧利流量計，其中，還包括一根弧形桿，該弧形桿與所述的 測量管的弧形彎管沿所述的旋轉(zhuǎn)軸在同一平面內(nèi)軸向?qū)ΨQ，且該弧形桿的兩端分別與所述 的測量管固定在兩個支撐塊上。
3.如權(quán)利要求2所述的科里奧利流量計，其中，一個馬達帶動所述的測量管繞所述的 旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，所述馬達的轉(zhuǎn)子夾持所述的測量管的進口直管或出口直管，所述馬達的定子 固定在該流量計的殼體上。
4.如權(quán)利要求3所述的科里奧利流量計，其中，該流量計的殼體分別通過軸承在所述 的測量管被測流體的入口端和被測流體的出口端處支承所述的測量管。
5.如權(quán)利要求1所述的科里奧利流量計，其中，制造所述測量管的金屬玻璃為鋯基金 屬玻璃。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種科里奧利質(zhì)量流量計，包括一根可繞一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的測量管和一對振動傳感器，測量管由金屬玻璃制成，該測量管具有一段與旋轉(zhuǎn)軸同軸供被測流體流入的進口直管，一段與旋轉(zhuǎn)軸同軸供被測流體流出的出口直管，和一段位于進口直管和出口直管之間且與兩者相通的弧形彎管；振動傳感器設(shè)置在測量管的弧形彎管兩端。本發(fā)明的質(zhì)量流量計靈敏度高，能夠用于測量流量很小或是流量調(diào)節(jié)范圍很大的質(zhì)量流量。
文檔編號G01F1/84GK101858764SQ20091013117
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者張奇然, 李磊 申請人:西門子(中國)有限公司