Датчик массового расхода на основе эффекта кориолиса (варианты)

Датчик массового расхода на основе эффекта кориолиса (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Ссылка на родственные заявки

Данная заявка является частичным продолжением заявки на патент США №09/430881, поданной 1 ноября 1999 г. и являющейся частичным продолжением заявки на патент США №09/326949, которая подана 7 июня 1999 г. на основе предварительной заявки на патент США №60/111504, поданной 8 декабря 1998 г.

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 количества движения текущей массы) и (вектора угловой скорости вращающейся системы координат).

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. Катушка будет перемещаться в магнитном поле, что индуцирует 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, датчик массового расхода на эффекте Кориолиса содержит расходомерную трубку, источник света, расположенный рядом с первой стороной расходомерной трубки, фотоприемник, расположенный рядом со второй стороной расходомерной трубки, и устройство привода, устройство привода, при работе расположенное относительно расходомерной трубки так, чтобы возбуждать вибрацию расходомерной трубки, так чтобы расходомерная трубка перемещалась, пересекая путь света между источником света и фотоприемником. В некоторых формах осуществления изобретения источник света излучает инфракрасное излучение, например, является инфракрасным светодиодом, используемым вместе с инфракрасным фотодиодом.

Согласно другому аспекту данного изобретения, датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса с гибкой трубкой содержит гибкую расходомерную трубку, имеющую первый и второй концы. Расходомерная трубка определяет в основном линейный путь потока, а устройство привода расположено так, чтобы приводить расходомерную трубку в движение.

Первый и второй измерительные преобразователи расположены у первого и второго концов расходомерной трубки, соответственно. Каждый из этих измерительных преобразователей выдает сигнал в ответ на движение расходомерной трубки, а сила Кориолиса, создаваемая при протекании вещества через расходомерную трубку, вызывает фазовый сдвиг между сигналами, выдаваемыми первым и вторым измерительными преобразователями.

Согласно еще одному аспекту данного изобретения, датчик массового расхода на основе эффекта Кориолиса содержит расходомерную трубку, рамку, в которой установлена эта расходомерная трубка, устройство привода, при работе расположенное относительно рамки так, чтобы возбуждать ее вибрацию, и по меньшей мере один измерительный преобразователь, расположенный относительно расходомерной трубки так, чтобы измерять ее кручение, обусловленное действием силы Кориолиса. Рамка, например, может быть выполнена в виде кремниевой рамки, к которой прикреплена трубка датчика расхода из нержавеющей стали.

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.1А и 1В представляют собой блок-схемы, поясняющие принцип работы регулятора и 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.

На 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.

Фиг.19 поясняет устройство для измерения массового расхода на основе эффекта Кориолиса, использующее оптический измерительный преобразователь в соответствии с некоторыми формами осуществления данного изобретения.

На фиг.20 показана блок-схема регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса, который использует оптический измерительный преобразователь, показанный на фиг.19.

На фиг.21 показана блок-схема, поясняющая части схемы съема сигнала и привода датчика в соответствии с некоторыми аспектами данного изобретения.

На фиг.22 показана блок-схема, иллюстрирующая части схемы применения и управления в соответствии с некоторыми аспектами данного изобретения.

На фиг.23 показана блок-схема, концептуально иллюстрирующая части интерфейса HART для регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с данным изобретением.

На фиг.24А и 24В показан вид в разрезе спереди и сбоку, соответственно, части датчика расхода регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения.

На фиг.25 показана гибридная трубка для измерения массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с одной из форм осуществления данного изобретения.

На фиг.26А и 26В показаны мосты Уинстона, используемые как пьезорезистивные датчики для гибридной трубки, представленной на фиг.25.

На фиг.27 показана блок-схема, схематично показывающая датчик с прямой расходомерной трубкой в соответствии с данным изобретением.

На фиг.28 показана блок-схема, схематично представляющая другую форму осуществления датчика с прямой расходомерной трубкой в соответствии с данным изобретением.

Фиг.29А и 29В схематично иллюстрируют примеры выполнения наклоняющих пьезоэлектрических устройств привода в соответствии с данным изобретением.

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.

Фиг.1А поясняет устройство датчика и регулятора массового расхода на основе эффекта Кориолиса в соответствии с формами осуществления данного изобретения. Он состоит по существу из двух отдельных функциональных систем: системы А съема сигнала и привода датчика на основе эффекта Кориолиса и системы В применения и управления. Система съема сигнала и привода датчика стыкуется с датчиком 1 на основе эффекта Кориолиса. Система В применения и управления обеспечивает интерфейс для пользователя 5 и подает управляющие сигналы на устройство регулирования расхода, например, на клапан 6.

Задачей системы съема сигнала и привода датчика на основе эффекта Кориолиса является управление движением датчика на основе эффекта Кориолиса 1 и обнаружение этого движения с целью определения относительного массового расхода, как функции силы Кориолиса, и относительной плотности, как функции резонансной частоты. Приведенная в качестве примера система съема сигнала и привода датчика обеспечивает данные о трех величинах для системы В применения и управления:

1. ΔT - разница во времени, которая связана с фазовым запаздыванием одной стороны трубки датчика относительно другой и указывает относительный массовый расход.

2. Частота - резонансная частота трубки датчика, которая связана с относительной плотностью вещества измеряемого потока.

3. Температура - измеряется резистивным термометром, чтобы определить температуру трубки датчика.

Система В применения и управления использует ΔТ вместе с градуировочными коэффициентами, чтобы представить желательные единицы массового расхода пользователю 5. Она также использует Частоту в сочетании с градуировочными коэффициентами, чтобы представить желаемые единицы плотности и/или объемного расхода пользователю 5. Температура используется для коррекции вычислений массового расхода и плотности. Система В применения и управления использует выходной сигнал в единицах массового или объемного расхода в сравнении с заданным пользователем значением входного сигнала, чтобы управлять клапаном 6, который регулирует расход, поддерживая его равным заданному значению.

На фиг.1В 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 возбуждается или ионизируется 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.

В других вариантах трубка датчика содержит гибридную структуру из композиций различных материалов, механически соединенных так, чтобы использовать лучшие свойства материала для каждой части структуры. Например, структура датчика разделяется на смачиваемую часть и на несмачиваемую часть. Смачиваемая часть может быть трубкой из любого материала, совместимого с применяемой текучей средой, включая металлические, керамические и кремниевые трубки. Эта трубка прикрепляется к колебательной структуре, например, рамке, которая приводит трубку в надлежащий колебательный режим, чтобы вызвать силы Кориолиса. Колебательная структура может сама являться трубкой, в которую вставляется смачиваемая трубка, или это может быть рамка, к которой прикрепляется трубка. Колебательная структура может быть выполнена из материала, которому может быть придан вид коромысла с формой, подходящей для поддержания смачиваемой трубки. Примером может быть кремний, из пластины которого вытравливается деталь требуемой формы, которая будет поддерживать смачиваемую трубку. Эта смачиваемая трубка может быть выполнена из нержавеющей стали, пластмассы или другого материала, которому может быть придана форма трубки для пропускания потока.

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. Альтернативные формы трубки будут рассмотрены ниже. Кроме того, предусмотрены дополнительные варианты конструкции, которые используют несколько параллельных трубок датчиков, обеспечивающих резервирование, регулирование диапазонов (при котором выбираемые трубки могут подключаться или отключаться с помощью клапанов), большую точность и т.д.

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 ней и диэлектрической пластиной 24. Это будет создавать поверхностный заряд на диэлектрической пластине 24. Поскольку полярность зарядной пластины 22 быстро изменяется, результирующее электрическое поле между ней 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.5А. Пьезоэлектрический и обратный пьезоэлектрический эффекты могут быть использованы для привода и/или обнаружения отклонения трубки 16.

Измерение массового расхода достигается измерением скручивания трубки 16 датчика, возникающего вследствие действия силы Кориолиса на текучую среду, движущуюся по трубке 16 датчика. Например, в известных датчиках массового расхода на основе эффекта Кориолиса, первичные измерительные преобразователи, содержащие пары магнитов и катушек, обычно располагаются на расходомерной трубке 16 там, где смещение, создаваемое силой Кориолиса, ожидается самым большим. Катушка и магнит устанавливаются на противолежащих структурах; например, магнит устанавливается на трубке 16, а катушка монтируется на неподвижной стенке корпуса. Катушка будет вдвигаться в поле магнита и выдвигаться из него, при этом в катушке будет индуцироваться ток. 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 прохождения 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.

В патенте США №5555190, принадлежащем правообладателю данной заявки, описываются способы и устройства обработки цифровых сигналов, предназначенные для определения частоты и фазовых соотношений вибрирующей трубки датчика, например такой как трубки, описанные применительно к датчикам массового расхода на эффекте Кориолиса, описываемым здесь. Полное описание патента США №5555190 включено в данное описание путем ссылки.

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. Синхронный усилитель может быть реализован аппаратными или программными средствами либо их комбинацией. Каждый из 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 Y 110, 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:

V_left=V_ref=Asinωt,

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 cosωt=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 θ из уравнений (1) и (2), мы получим:

и

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. Синхронный усилитель может быть реализован аппаратными или программными средствами либо их комбинацией. 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 также 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:

V_left=V_ref=Asinωt,

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 . 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 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. Синхронный усилитель может быть реализован аппаратными или программными средствами либо их комбинацией. 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