Устройство (варианты) и способ определения массового расхода на основании обусловленного силой кориолиса сдвига фаз

Устройство (варианты) и способ определения массового расхода на основании обусловленного силой кориолиса сдвига фаз

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение в целом относится к измерению и регулированию массового расхода и касается, в частности, устройства для измерения и регулирования массового расхода на основе эффекта Кориолиса, имеющего встроенный регулирующий клапан с соответствующими электронными схемами датчиков, регулирования и связи.

Обзор известных технических решений

Измерение массового расхода, основанное на эффекте Кориолиса, осуществляется следующим образом. Сила Кориолиса возникает в результате действия массы, перемещающейся в установленном направлении и вынуждаемой затем изменять направление с составляющей вектора, нормальной к установленному направлению потока. Этот эффект может быть выражен следующим уравнением:

где (вектор силы Кориолиса) является результатом векторного произведения (вектора массового расхода) и (вектора угловой скорости).

Во вращающейся системе вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения. При использовании "Правила правой руки" четыре пальца руки определяют направление вращения, а отведенный в сторону большой палец определяет направление вектора угловой скорости. В случае типичного датчика расхода на основе эффекта Кориолиса трубка, расход текучей среды через которую должен быть измерен, вибрирует. Трубка часто выполняется в виде одной или нескольких петель. Форма петли является такой, что вектор массового расхода в различных частях петли направлен в противоположные стороны. Петли трубки могут иметь, например, U-образную, прямоугольную, треугольную или дельтовидную форму или форму спирали. В частном случае прямой трубки одновременно имеются два вектора угловой скорости, которые совпадают для точек закрепления трубки, а вектор массового расхода имеет одно направление.

Вектор угловой скорости изменяет направление, так как в вибрирующей системе направление вращения изменяется. Результатом является то, что в любой данный момент сила Кориолиса действует в противоположных направлениях там, где векторы массового расхода или векторы угловой скорости направлены в противоположные стороны. Так как из-за вибрирующей системы вектор угловой скорости постоянно изменяется, сила Кориолиса также постоянно изменяется. Результатом является динамическое закручивающее перемещение, накладывающееся на колебательное движение трубки. Для данной угловой скорости амплитуда закручивания пропорциональна массовому расходу.

Измерение массового расхода обеспечивается измерением кручения в трубке датчика, возникающего вследствие силы Кориолиса, создаваемой текучей средой, перемещающейся по трубке датчика. Типичные известные устройства используют датчики, содержащие пары магнит-катушка, расположенные на расходомерной трубке там, где смещение, вызываемое силой Кориолиса, ожидается наибольшим. Катушка и магнит устанавливаются на расположенных напротив друг друга структурах, например, магнит устанавливается на трубке, а катушка устанавливается на неподвижной стенке блока. Магнит будет вдвигаться в катушку и выдвигаться из нее, индуцируя в катушке ток. Этот ток будет пропорционален скорости магнита относительно катушки. Так как этот процесс является измерением скорости, то скорость и таким образом сигнал являются максимальными, когда расходомерная трубка пересекает свою точку покоя (в момент прохождения через нуль). Кручение, созданное силой Кориолиса, вызывает сдвиг фаз в сигнале скорости, который определяется измерением разности между моментами прохождения через нуль сигналов от двух датчиков скорости. На практике это предъявляет жесткие требования к точности схем измерения времени. Это может ограничивать предельную чувствительность измерения массового расхода данным способом.

Кроме того, возможности измерения расхода в известных устройствах, основанных на использовании эффекта Кориолиса, часто ограничены значениями расхода, которые превышают значения, необходимые для многих условий применения. Далее, существующие измерительные устройства массового расхода на основе эффекта Кориолиса обеспечивают только измерение массового расхода, без объединения с возможностью регулирования потока. Обеспечение какими-либо средствами регулирования потока предоставлено самому пользователю.

Данное изобретение направлено на устранение недостатков, связанных с известным уровнем техники.

Сущность изобретения

Согласно одному из аспектов данного изобретения описывается емкостный датчик для устройства измерения массового расхода. Устройство измерения массового расхода содержит трубку датчика расхода и устройство привода для создания вибрации трубки датчика расхода. Емкостный датчик содержит по меньшей мере одну проводящую пластину, подключенную к первому электрическому потенциалу и выполненную с возможностью размещения рядом с трубкой датчика расхода, которая подключена ко второму электрическому потенциалу. Проводящая пластина располагается относительно трубки датчика расхода так, чтобы между ними был зазор. Емкость между проводящей пластиной и трубкой датчика расхода изменяется вследствие относительного перемещения проводящей пластины и трубки датчика расхода, когда трубка датчика расхода вибрирует.

Согласно другому аспекту данного изобретения датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит трубку датчика расхода, устройство привода, расположенное относительно трубки датчика расхода так, чтобы заставлять ее вибрировать, и емкостные датчики смещения, расположенные относительно трубки датчика расхода так, чтобы измерять кручение трубки датчика расхода, возникающее вследствие силы Кориолиса. Чтобы заставить вибрировать трубку датчика расхода, в конкретных формах осуществления изобретения используются электромагнитные, электростатические, акустические и/или пьезоэлектрические приводы. В других формах осуществления изобретения пьезоэлектрические устройства используются как для возбуждения вибрации трубки датчика расхода, так и для измерения кручения трубки датчика расхода.

Согласно еще одному аспекту данного изобретения регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит трубку датчика расхода; устройство привода, расположенное относительно трубки датчика расхода так, чтобы заставлять трубку датчика расхода вибрировать; и датчик положения, расположенный относительно трубки датчика расхода так, чтобы измерять кручение трубки датчика расхода, возникающее вследствие действия силы Кориолиса. Кроме того, регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит встроенное устройство регулирования расхода, выполненное с возможностью приема текучей среды из трубки датчика расхода. Такой встроенный клапан регулирования потока с соответствующими электронными схемами датчиков обеспечивает создание более компактного блока, который проще в эксплуатации и обеспечивает существенное улучшение динамических характеристик.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит трубку датчика расхода; корпус, в котором расположена трубка датчика расхода; устройство привода для возбуждения вибрации трубки датчика расхода, установленное вне корпуса; и по меньшей мере один датчик, расположенный относительно трубки датчика расхода так, чтобы измерять кручение трубки датчика расхода, возникающее вследствие действия силы Кориолиса. В примерах осуществления изобретения, датчики также расположены в корпусе. В некоторых формах осуществления изобретения к трубке датчика расхода присоединен магнит, а устройство привода содержит электромагнитную катушку. Магнит может быть нередкоземельным магнитом, в частности самариево-кобальтовым магнитом с покрытием никелем. Электромагнитная катушка может быть мощным индуктором.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения устройство для измерения массового расхода содержит кожух, имеющий первый и второй концы, корпус для пропускания потока и первый герметизирующий элемент, расположенный относительно первого конца кожуха и корпуса для пропускания потока так, что корпус для пропускания потока и первый конец кожуха соединены герметичным образом. Узел интерфейса пользователя и второй герметизирующий элемент расположены относительно второго конца кожуха так, что узел интерфейса пользователя и второй конец кожуха соединены герметичным образом. Герметизирующие элементы обеспечивают взаимозаменяемость многих типов интерфейсов пользователя, включая узел интерфейса пользователя, который соответствует стандарту на корпуса IP-65/NEMA 4Х, и обеспечивают дополнительную ступень герметизации текучей среды.

Краткий перечень чертежей

Другие цели и преимущества изобретения будут более ясны после прочтения подробного описания, приведенного ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой блок-схему, поясняющую принцип работы датчика массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с особенностями данного изобретения.

На фиг.2А и 2В показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий электромагнитный привод в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения.

На фиг.3А и 3В показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий электростатический привод в соответствии с другой формой осуществления данного изобретения.

На фиг.4А и 4В показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий акустический привод в соответствии с еще одной формой осуществления данного изобретения.

На фиг.5А, 5В и 5С показан датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующий пьезоэлектрический привод в соответствии с еще одной формой осуществления данного изобретения.

На фиг.6 показана схема синхронного усилителя для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением.

На фиг.7 показана схема двухканального синхронного усилителя для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением.

Фиг.8 представляет собой график, показывающий зависимость между амплитудами входных сигналов, поступающих от датчиков положения трубки датчика при использовании способов обработки сигналов в соответствии с данным изобретением.

На фиг.9 показана блок-схема двойного синхронного усилителя для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением.

На фиг.10 показана блок-схема двойного синхронного усилителя с подстройкой опорной частоты, предназначенного для измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением.

Фиг.11 поясняет первую форму выполнения емкостного датчика смещения в соответствии с данным изобретением.

Фиг.12 поясняет вторую форму выполнения емкостного датчика смещения в соответствии с данным изобретением.

Фиг.13 поясняет третью форму выполнения емкостного датчика смещения в соответствии с данным изобретением.

На фиг.14 показан в перспективе регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения;

На фиг.15 изображен вид в разрезе регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса, показанного на фиг.14.

На фиг.16 показан, в перспективе, с пространственным разделением деталей, регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса, изображенный на фиг.15.

Фиг.17А и 17В соответственно поясняются особенности резьбового соединения клапана согласно известному уровню техники и герметизированного резьбового соединения клапана в соответствии с данным изобретением.

На фиг.18 показан в перспективе регулятор массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с другой формой осуществления данного изобретения.

Хотя изобретение допускает различные модификации и различные формы, некоторые частные формы его осуществления показаны в качестве примера на чертежах и описаны подробно. Должно быть понятно, однако, что приведенное здесь описание частных форм осуществления изобретения не предназначено для того, чтобы ограничить его этими формами, а напротив, цель состоит в том, чтобы охватить все изменения, эквиваленты и варианты в рамках сущности и объема изобретения, которые определяются формулой изобретения.

Подробное описание изобретения

Ниже описаны некоторые формы осуществления изобретения. Для ясности не все особенности фактической реализации изложены в этом описании. Понятно, что при разработке любой конкретной формы осуществления изобретения должны быть приняты многочисленные специфические для реализации решения, чтобы достичь конкретных целей разработчиков, таких как соответствие системным и коммерческим требованиям, которые будут изменяться от одной реализации к другой. Кроме того, должно быть ясно, что такие проектно-конструкторские работы могут быть сложными и занимающими много времени, но будут, однако, рутинным делом для специалистов, знакомых с этим описанием.

На фиг.1 показана блок-схема, концептуально иллюстрирующая датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с особенностями данного изобретения. Датчик 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит трубку 2 датчика расхода с устройством 3 привода, расположенным относительно нее так, чтобы заставлять эту трубку 2 вибрировать. Датчики 4 смещения установлены относительно трубки 2 так, чтобы измерять скручивание трубки 2 вследствие действия силы Кориолиса.

Типичным материалом для трубки 2 датчика является нержавеющая сталь марки 316L. Причины использования нержавеющей стали 316L включают то, что она является стойкой к химическому воздействию многих веществ, устойчива к разрыву при давлениях, используемых в нормальных технологических процессах, обычно не вносит загрязнений и ей легко может быть придана форма, необходимая для трубки датчика на основе эффекта Кориолиса. Однако нержавеющая сталь 316L подходит не для всех применений. Поэтому необходимы другие материалы для трубки в тех применениях, где нержавеющая сталь 316L не подходит. Известные устройства используют кремний как альтернативный материал вместо нержавеющей стали 316L. Преимуществом кремния перед нержавеющей сталью 316L является то, что трубки датчиков могут быть сделаны меньших габаритов, чем из нержавеющей стали 316L.

Другим соображением при выборе материала для трубки 2 датчика является стойкость к коррозии, вызываемой механическим напряжением или усиливающейся под его воздействием. Напряжение создается в основании изогнутого плеча, где трубки закрепляются. В поликристаллических материалах напряжение будет заставлять примеси в материале диффундировать и концентрироваться на границах зерен между областями микрокристаллических гранул. Во многих случаях это будет ослаблять связи между микрокристаллическими зернами, делая материал более восприимчивым к химическому воздействию. Монокристаллические материалы, подобные кремнию или сапфиру, с меньшей вероятностью подвергаются воздействию такого рода.

Металлы, подобные нержавеющей стали 316L, обычно являются поликристаллическими и поэтому в различной степени более восприимчивы к этому типу химической коррозии. Аморфные материалы, подобные кварцевому стеклу и некоторым пластмассам, также более стойки к химической коррозии, вызываемой напряжением, так как они не имеют такой зернистой структуры, как у поликристаллических веществ. Материалы трубки, которые восприимчивы к химической коррозии, могут иметь поверхности, модифицированные или покрытые таким способом, чтобы минимизировать коррозию или разъедание поверхностей, если использование материала нижнего слоя является удобным в других отношениях.

Модификация поверхности может быть выполнена ионным легированием, термодиффузией и химической или электрохимической реакцией. Смысл состоит в том, чтобы удалить, перераспределить или ввести атомные или молекулярные частицы, которые оставляют химически стойкий слой на поверхности. Покрытие поверхности может быть выполнено термически активированным осаждением из пара, жидкости или порошка, ударяющего по поверхности при повышенных температурах. Более низкие температуры могут использоваться, если химически активные частицы также возбуждаются или ионизируются плазмой или интенсивным потоком фотонов, например, от лазера. Другие материалы, стойкие к химической коррозии, могут быть осаждены с помощью нереактивного физического осаждения из пара, которое выполняется термическим испарением, распылением с помощью электронного луча или ионным распылением. Если распыление выполняется с использованием ионного луча с высокой энергией так, чтобы полученные распылением частицы были химически возбуждены или ионизированы, то с поверхностью также осуществляется химическая реакция, которая может быть желательна для некоторых осаждаемых материалов. Также химические реакции на поверхности могут осуществляться ускорением химических частиц так, чтобы их кинетическая энергия могла использоваться для активации или усиления химической реакции.

Материалами, используемыми для трубки 2 датчика расхода на основе эффекта Кориолиса в конкретных формах осуществления данного изобретения, являются аустенитные и мартенситные нержавеющие стали, высоконикелевые сплавы, титан и цирконий и их сплавы, в частности сплавы титана, ванадия и алюминия, а также сплав Zircalloy (из-за их высокого предела текучести и низкого модуля продольной упругости), кремний, сапфир, карбид кремния, кварцевое стекло и пластмассы. Материалы покрытия трубки, используемые в соответствии с данным изобретением, включают карбид кремния, никель, хром, алмаз, огнеупорные карбиды, нитриды и оксиды тугоплавких металлов.

Фиг.2А и 2В поясняют устройство датчика 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с конкретными формами осуществления данного изобретения. Датчик 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса использует электромагнитный привод 10, содержащий электромагнит 12, возбуждаемый источником сигнала (не показан), который в показанной форме осуществления изобретения содержит генератор синусоидального сигнала. Электромагнит 12 расположен около малого постоянного магнита 14, закрепленного на трубке 16 датчика. Трубка 16 датчика присоединена к основанию 18, которое имеет первое и второе отверстия 19, так что путь потока проходит от одного отверстия 19 через расходомерную трубку 16 к другому отверстию 19. Пример трубки 16 датчика, показанный в описываемых здесь формах осуществления изобретения, имеет в целом U-образную форму, хотя могут также использоваться другие формы, такие как треугольная, прямоугольная, спиральная или прямая трубка.

Фиг.3А и 3В поясняют форму осуществления изобретения, подобную показанной на фиг.2, но использующую электростатический привод. Электростатический привод 20 содержит зарядную пластину 22, помещенную около малой диэлектрической пластины 24, установленной на трубке 16 датчика. Если трубка 16 сделана из диэлектрического материала, то зарядная пластина 22 помещается около трубки 16, а диэлектрическая пластина 24 может быть исключена. Зарядная пластина также возбуждается источником сигнала (не показан), таким как генератор синусоидального сигнала. Напряжение, прикладываемое к зарядной пластине 22, создает электрическое поле между нею и диэлектрической пластиной 24. Это будет создавать поверхностный заряд на диэлектрической пластине 24. Поскольку полярность зарядной пластины 22 быстро изменяется, результирующее электрическое поле между нею и диэлектрической пластиной 24 будет поочередно притягивающим или отталкивающим, что заставляет расходомерную трубку 16 вибрировать.

Фиг.4А и 4В поясняют другую форму выполнения датчика 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса, которая использует новый акустический привод 30. Акустический привод 30 содержит небольшой громкоговоритель 32, помещенный около трубки 16. Волны сжатия, создаваемые громкоговорителем 32, заставляют трубку 16 вибрировать.

На фиг.5А, 5В и 5С показана еще одна форма выполнения датчика 1 массового расхода на основе эффекта Кориолиса. Датчик 1 массового расхода на фиг.5А, 5В и 5С использует пьезоэлектрический привод 40, в котором два пьезоэлектрических блока 42, образованные пакетами из пьезоэлементов, помещены на противоположных сторонах каждой ветви расходомерной трубки 16, фактически создавая два биморфных элемента на каждой ветви 16, как показано на фиг.5. Пьезоэлектрический и обратный пьезоэлектрический эффекты могут быть использованы для привода и/или восприятия отклонения трубки 16.

Измерение массового расхода достигается измерением скручивания трубки 16 датчика, возникающего вследствие силы Кориолиса, создаваемой текучей средой, движущейся по трубке 16 датчика. Например, датчики, содержащие пары магнитов и катушек, обычно располагаются на расходомерной трубке 16 там, где смещение, созданное силами Кориолиса, ожидается самым больши. Катушка и магнит устанавливаются на противоположных структурах, например, магнит устанавливается на трубке 16, а катушка монтируется на неподвижной стенке корпуса. Магнит будет вдвигаться в катушку и выдвигаться из нее, индуцируя ток в катушке. Этот ток пропорционален скорости магнита относительно катушки. Так как этот процесс является измерением скорости, скорость и таким образом сигнал находятся в максимуме, когда расходомерная трубка 16 пересекает свою точку покоя (прохождения через нуль). Кручение, которое создается силой Кориолиса, вызывает сдвиг фаз в сигнале скорости, который определяется измерением разности между моментами прохождениями через нуль сигналов от этих двух датчиков скорости. Практически это предъявляет жесткие требования к точности схем измерения времени. Это может ограничивать предельную чувствительность измерения массового расхода данным способом.

Особенности данного изобретения обеспечивают технику измерения более низких величин расхода, которая является более прямой и требует меньшей точности от электрических схем, чем обычные способы обработки сигналов, основанные на измерении времени. Что касается форм осуществления изобретения, показанных на фиг.2-4, то смещение вибрирующей трубки датчика измеряется с использованием емкостных датчиков. Два емкостных датчика 50 смещения устанавливаются около трубки 16 в положениях, симметричных к форме трубки 16, чтобы измерять кручение трубки 16 датчика вследствие силы Кориолиса, создаваемой текучей средой, которая перемещается по трубке 16 датчика. В специальных формах осуществления данного изобретения, емкостные датчики 50 смещения миниатюризированы и монтируются на поверхности стенки корпуса датчиков или на блоке датчиков, вставленном внутрь петли трубки датчика расхода. Кручение трубки 16 датчика вследствие силы Кориолиса приводит к сдвигу фаз между двумя сигналами емкостных датчиков 50 смещения. Так как этот процесс является измерением смещения, то сигнал прямо пропорционален смещению. Относительное смещение каждой стороны трубки измеряется как сдвиг фаз. Привод датчика и электронные схемы формирования сигнала преобразуют относительное смещение трубки 16 в сигнал высокого уровня, являющийся функцией сдвига фаз, который может использоваться для измерения эффекта Кориолиса, когда поток течет через трубку 16.

Первый способ обработки сигналов использует синхронный усилитель с опорным сигналом, подаваемым одним из датчиков 50 смещения, и входным сигналом, подаваемым другим датчиком 50 смещения. Каждый их датчиков 50 может подавать опорный или входной сигнал. Выходной сигнал фазы синхронного усилителя пропорционален расходу. На фиг.6 показана функциональная схема синхронного усилителя 52, с помощью которого может быть осуществлен такой способ измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с данным изобретением. Сигналы проходят слева направо, как показано на фиг.6. Сигналы левого входа 100 и правого входа 102 являются сигналами левого и правого датчиков 50 смещения соответственно. Например, сигнал левого входа 100 может использоваться как опорный сигнал. Синусоидальный сигнал на выходе 103 является сигналом, предназначенным для подачи на привод и синхронизированным по фазе с сигналом левого входа 100. Он будет приводить трубку 16 датчика расхода в резонанс. Сигнал правого входа 102 смешивается с сигналом левого входа 100 / опорным сигналом и с сигналом 104, являющимся сдвинутым по фазе на 90° сигналом левого входа 100, в двух фазочувствительных детекторах 106. Функционально фазочувствительные детекторы 106 перемножают эти два сигнала, создавая высокочастотную составляющую и постоянную составляющую. Фильтры 108 нижних частот удаляют высокочастотную составляющую, подавая постоянные напряжения на выходы Х и Y110, 112. Сигнал на выходе Х 110 называется синфазной составляющей, а сигнал на выходе Y 112 называется квадратурной составляющей векторного сигнала относительно опорного сигнала. Каждая из этих составляющих является фазочувствительной, однако составляющие модуля и фазы вектора могут быть разделены с помощью следующих выражений:

Зависимость между выходными сигналами синхронного усилителя 52 и входными сигналами, поступающими от датчиков 50 смещения, определяется следующим образом.

Рассмотрим два сигнала как синусоидальные волны с произвольными амплитудами и произвольной разностью фаз. Каждый сигнал может быть представлен, как:

В нижнем фазочувствительном детекторе 106 происходит следующая операция:

Этот сигнал имеет составляющую постоянного напряжения и составляющую переменного напряжения с удвоенной частотой. Фильтр нижних частот (LPF) 108 удаляет переменную составляющую, оставляя

В верхнем фазочувствительном детекторе 106 происходит следующая операция:

Имеем косинусный множитель, так как cosωf=sin(ωt+90°).

Снова имеем сигнал с составляющими переменного и постоянного напряжения, который после прохождения через фильтр нижних частот 108 дает следующий результат:

Вычислив модуль R и фазовый угол 9 из уравнений (1) и (2), мы получим:

и

θ=φ.

Эти вычисления могут быть выполнены любым подходящим цифровым или аналоговым устройством 120 обработки сигналов. Фаза вектора пропорциональна массовому расходу потока текучей среды.

Другой способ в соответствии с изобретением требует двухканального синхронного усилителя с опорным сигналом, первым входным сигналом, подаваемым одним из датчиков 50 смещения, и вторым входным сигналом, подаваемым другим датчиком 50 смещения. Разность между этими двумя входными сигналами измеряется тогда относительно опорного сигнала. Результирующий выходной сигнал фазы от синхронного усилителя пропорционален расходу. На фиг.7 показана функциональная схема двухканального синхронного усилителя 54. Сигналы проходят таким же образом и имеют те же самые определения, как на фиг.6. Сигнал левого входа 100 используется так же, как опорный сигнал. Как и прежде, синусоидальный сигнал на выходе 103 является сигналом для привода, синхронизированным по фазе с сигналом левого входа 100. В этом случае сигнал левого входа 100 вычитается из сигнала правого входа 102 и смешивается с сигналом левого входа 100 / опорным сигналом и сигналом 104, являющимся сдвинутым по фазе на 90° сигналом левого входа 100, в двух фазочувствительных детекторах 106. Внутренние функции являются теми же самыми, что и в синхронном усилителе 52 на фиг.6.

Следующий анализ можно использовать для определения зависимости между выходными сигналами синхронного усилителя 54 и входными сигналами, поступающими от датчиков смещения 52. Для выполнения вычислений может использоваться любое подходящее цифровое или аналоговое устройство 120 обработки сигналов.

Рассмотрим два сигнала как синусоидальные волны с произвольными амплитудами и произвольной разностью фаз. Каждый сигнал может быть представлен, как:

Выходным сигналом малошумящего дифференциального усилителя 114 в этом случае будет V_ref-V_right.

В нижнем фазочувствительном детекторе 106 происходит следующая операция:

Этот сигнал имеет составляющую постоянного напряжения и переменную составляющую с удвоенной частотой. Фильтр нижних частот 108 устраняет переменную составляющую, оставляя

В верхнем фазочувствительном детекторе 106 выполняется следующая операция:

Имеем косинусный множитель, так как cosωt=sin(ωt+90°).

Снова имеем сигнал с составляющими переменного и постоянного напряжения, который после прохождения через фильтр нижних частот дает следующий результат:

Вычислив модуль R и фазовый угол θ из уравнений (1) и (2), получим:

и

Здесь θ больше не является фазовым углом, а представляет собой арктангенс от функции фазового угла и амплитуды сигналов левого и правого входов. Анализ этого уравнения показывает, что θ является сильной функцией от φ. Фактически, относительные амплитуды входных сигналов могут управлять силой этой функции. Это может быть пояснено на графике, показанном на фиг.8, где А и В являются амплитудами левого и правого сигналов соответственно. Когда амплитуды становятся более близкими, чувствительность выходного сигнала θ синхронного усилителя повышается. Даже для амплитуд, которые рассогласованы в пределах 2%, чувствительность θ к φ почти в 100 раз выше чувствительности синхронного усилителя стандартной конфигурации.

На фиг.9 показана функциональная схема двойного синхронного усилителя 56, с помощью которого реализуется способ измерения сдвига фаз, обусловленного силой Кориолиса, в соответствии с другим примером осуществления данного изобретения. Сигналы проходят таким же образом и имеют те же самые определения, как описано выше. Сигнал левого входа 100 также используется как опорный сигнал. Как прежде, синусоидальный выход 103 является сигналом привода, синхронизированным по фазе с сигналом левого входа 100. В этом случае сигнал левого входа 100 смешивается сам с собой и со своей сдвинутой по фазе на 90° копией в двух фазочувствительных детекторах 106 в верхнем синхронном усилителе 58. В нижнем синхронном усилителе 60 сигнал правого входа 102 смешивается с сигналом левого входа 100 и его сдвинутой по фазе на 90° копией в двух фазочувствительных детекторах 106. Парные выходные сигналы от фазочувствительных детекторов 106 без сдвига по фазе и от фазочувствительных детекторов 106 со сдвигом по фазе вычитаются в двух малошумящих дифференциальных усилителях 114. Постоянные составляющие сигналов пропускаются фильтрами 108 нижних частот, чтобы получить выходные сигналы обычного синхронного усилителя. Математические операции, которые могут быть выполнены любым походящим цифровым или аналоговым устройством 120 обработки, являются теми же самыми, что и в способе, описанном выше в связи с фиг.7, хотя порядок, в котором они выполняются, является другим. В двухканальной системе синхронного усиления, показанной на фиг.7, вычитаются два сигнала высокого уровня, с очень малыми различиями. Сигнал низкого уровня затем перемножается с сигналом высокого уровня, что может вносить шум в аналоговых схемах или ошибки округления в цифровых схемах. В двойной системе синхронного усиления, показанной на фиг.9, сначала перемножаются сигналы высокого уровня, а затем результирующие сигналы, которые являются близкими по амплитуде, вычитаются, давая в результате выходной сигнал с более низким шумом.

Синхронные усилители чаще всего используют для измерения сигнала низкого уровня, который замаскирован шумом с намного более высокой амплитудой. Синхронный усилитель действует как чрезвычайно узкополосный фильтр. Сигнал и шум умножаются на опорные синусоидальное и косинусоидальное колебания и затем пропускаются через фильтр нижних частот, чтобы удалить опорную частоту. Результатом операций умножения/фильтрации являются сигналы постоянного тока, которые представляют комплексный вектор (х+iy). Разность фаз между опорной частотой и полезным сигналом может быть определена как arctg(y/x).

С точки зрения измерения силы Кориолиса, интерес представляет разность фаз между двумя сигналами одной и той же частоты. Она может быть определена с использованием двойных синхронных усилителей, каждый из которых имеет одну и ту же опорную частоту, как показано на фиг.10. В функциональной схеме, показанной на фиг.10, сигналы левого и правого входов 100, 102 умножаются на опорные синусоидальные и косинусоидальные колебания, подаваемые генератором 144 опорной частоты. Входные сигналы 100, 102 смешиваются с синусоидальными и косинусоидальными сигналами в фазочувствительных детекторах 106, затем пропускаются через фильтры 148 нижних частот Бесселя пятого порядка с бесконечной импульсной характеристикой, как описано в связи с фиг.6, 7 и 9. Процесс умножения/фильтрации, описанный выше, выполняется над левым и правым входными сигналами 100, 102 с получением результирующих выходных сигналов X, Y разности фаз для каждого сигнала относительно опорной частоты. Разность между двумя выходными сигналами X, Y представляет разность фаз между двумя входными сигналами 100, 102. В случае измерений массового расхода на основе эффекта Кориолиса эта разность фаз представляет показание массового расхода 152.

При использовании синхронных усилителей для измерения чрезвычайно малых разностей фаз, связанных с измерениями массового расхода на основе эффекта Кориолиса, необходимо подстраивать опорную частоту так, чтобы она соответствовала полезному сигналу. Если опорный сигнал не очень близок к полезному сигналу, на выходах фильтров 148 нижних частот будет появляться сигнал переменного тока очень низкой частоты. Рабочая частота датчика на основе эффекта Кориолиса изменяется вместе с массовым расходом, температурой, плотностью и давлением, что еще более усложняет процесс измерения.

Опорная частота может точно подстраиваться с помощью обработки выходного вектора одного из входных сигналов 100, 102. Сначала вычисляется производная выходного вектора. Это может быть выполнено вычислением комплексной разности между двумя последовательными выходными векторами. Затем первоначальный выходной вектор поворачивается на 90 градусов и вычисляется скалярное произведение этого вектора и производной, дающее в результате сигнал 150 ошибки, который подается на генератор 144 опорной частоты. Сигнал ошибки 150 является отрицательным, положительным или равным нулю, если опорная частота должна быть подстроена с понижением, повышением или оставлена неизменной соответственно.

Величина подстройки опорной частоты зависит от точности измерения фазы, но, как правило, чем точнее подстройка, тем лучше точность, которая определяется вычислением стандартного отклонения на множестве выборок выходного сигнала. Однако более точная подстройка (изменение с малым шагом) опорной частоты будет вредной, если имеются ступенчатые изменения частоты сигнала, так как генератор 144 опорной частоты будет требовать слишком мн