Вихревой расходомер с пластиной датчика вихревых колебаний

Вихревой расходомер с пластиной датчика вихревых колебаний

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к расходомерам, а в особенности к расходомерам, которые функционируют по принципу измерения частоты или периода вихрей по вихревой дорожке Кармана, образованной в подвижной текучей среде.

Расходомеры используются в промышленных процессах для измерения расхода рабочей текучей среды. Один из типов расходомеров, известный как вихревой расходомер, измеряет поток посредством определения вихрей в потоке. Эти вихри могут быть определены посредством использования пластины вихревого колебания. Точность измерений зависит от способности колебательной пластины реагировать на общее количество вихрей. Тонкая пластина может обеспечить более точные измерения, однако, она также более склонна к ошибке по сравнению с более толстой платиной.

СУЩНОСТЬ

Вихревой расходомер включает в себя воспринимающий вихри узел, имеющий диафрагму. Диафрагма герметизирует торец основания узла для образования изолированной камеры. Узел выполнен с возможностью герметизации отверстия в боковой стенке проточного канала. Опорные стойки предпочтительно выступают из узла в проточном канале. В одной из конфигураций пластина датчика вихревых колебаний имеет проксимальный край, опирающийся на диафрагму, и противоположный дистальный край, который не имеет опоры. Пластина датчика вихревых колебаний имеет расположенные выше и ниже по потоку края, предпочтительно поддерживаемые опорными стойками. Поворотная стойка проходит вдоль центральной области пластины датчика вихревых колебаний. Поворотная стойка проходит через диафрагму. Поворотная стойка передает датчику вихревые колебания. Электронный контур передатчика принимает выходной сигнал от датчика и обеспечивает выходной сигнал, связанный с расходом текучей среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показан вид с боку в сечении вихревого расходомера.

На Фиг.2 показан вид с торца вихревого расходомера с Фиг.1.

На Фиг.3 показан вид с боку в сечении воспринимающего вихри устройства.

На Фиг.4 показан вид спереди в сечении по линии 4-4 на Фиг.3.

На Фиг.5 показан вид снизу устройства, показанного на Фиг.3-4.

На Фиг.6 показана перспективная проекция устройства, показанного на Фиг.3-5.

Фиг.7А, 7В, 7С показывает этапы процесса производства устройства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В вариантах осуществления, описанных ниже, воспринимающее вихри устройство, чувствительное к вихрям, расположено ниже по потоку относительно тела обтекания в вихревом расходомере. Устройство содержит пластину датчика вихревых колебаний, которая определяет вихри. У пластины датчика вихревых колебаний есть расположенные ближе и дальше по ходу края, которые поддерживаются расположенными выше и ниже по потоку опорными стойками. Верхний проксимальный край пластины датчика вихревых колебаний опирается на диафрагму. Нижний дистальный край пластины датчика вихревых колебаний не имеет опоры и свободно перемещается под действием вихрей. Поворотная стойка прикреплена к пластине датчика вихревых колебаний и проходит через диафрагму внутрь изоляционной камеры за диафрагму. Поворотная стойка проходит внутрь изоляционной камеры и передает вихревые колебания в положении в вихревой камере. Датчик объединен с поворотной стойкой и считывает вихревые колебания. Датчик присоединен к контуру передатчика, который обеспечивает электрический выходной сигнал, представляющий частоту вихревых колебаний. Частота вихревых колебаний представляет собой скорость потока текучей среды через вихревой расходомер.

Использование опорных стоек позволяет пластине датчика вихревых колебаний быть тоньше и иметь небольшую массу. Использование опорных стоек увеличивает жесткость пластины датчика вихревых колебаний. Снижение массы и увеличение жесткости увеличивает собственную резонансную частоту считывания, вызывающую более широкий частотный диапазон считывания и улучшенный сигнал относительно коэффициента шума. Опорные стойки ограничивают нежелательное биение расположенных выше и ниже по потоку краев пластины датчика вихревых колебаний.

Фиг.1 показывает вид сбоку в сечении вихревого расходомера 100. Вихревой расходомер 100 содержит расходомерную трубку 102 для прохождения потока 104 текучей среды через расходомерную трубку 102. Расходомерная трубка 102 содержит круговую цилиндрическую боковую стенку 103. Поток 104 текучей среды может содержать жидкость или газ. Фланцы 106, 108 трубы соединены с расходомерной трубкой 102. Фланцы 106, 108 трубы включают в себя болтовые отверстия, например, болтовые отверстия 110, 112 для монтажа трубопроводной системы с помощью болтов (не показаны). Фланцы 106, 108 трубы включат в себя уплотнительные лицевые поверхности 114, 116 для уплотнения со стыковочными фланцами трубопроводной системы.

Вихревой расходомер 100 содержит вихреобразующую преграду 118 внутри расходомерной трубки 102. Вихреобразующая преграда 118 имеет форму плохо обтекаемого тела. Вихреобразующая преграда 118 прикреплена к расходомерной трубке 102 в положении 120 выше по потоку. Когда поток 104 текучей среды протекает мимо преграды 118, образуются вихри в потоке 104 текучей среды. Под вихрями подразумевается вихревая дорожка фон Кармана. Вихри представлены как поток 104 текучей среды, прошедшие положение 122 ниже по потоку. Положение 122 ниже по потоку расположено ниже по потоку относительно положения 120 выше по потоку.

Расходомерная трубка 102 включает в себя отверстие 124 в боковой стенке 103. Вихревой расходомер 100 содержит устройство 126, которое проходит через отверстие 124. Устройство 126 так герметизирует отверстие 124, что текучая среда в расходомерной трубке 102 не протекает из отверстия 124. Устройство 126 проходит внутри потока 104 текучей среды и определяет вихри в положении 122 ниже по потоку. Устройство 126 определяет вихри в потоке 104 текучей среды и передает механическое движение вихрей в положение 128, которое находится снаружи потока 104 текучей среды. Устройство 126 не является частью обтекаемой преграды 118. Устройство 126 находится на расстоянии ниже по потоку относительно обтекаемой преграды 118. Устройство 126 описано более подробно ниже вместе с Фиг.3-7.

Вихревой расходомер 100 содержит передатчик 140. Передатчик 140 содержит электронный контур 142 передатчика. Передатчик 140 содержит механический датчик 144, который считывает механическое движение в положении 128 и который обеспечивает сигнал от датчика, представляющий механическое движение. Механический датчик 144 присоединен к электронному контуру 142 передатчика посредством проводов 146, обеспечивая электрический сигнал от датчика. Электрическая цепь 142 передатчика переводит электрический сигнал от датчика в стандартизированный передающий сигнал, обеспеченный на выводных проводах 148. Электронный контур 142 передатчика обеспечивает выходной сигнал, связанный с потоком 104 текучей среды по расходомерной трубке 102, основанный на считанных колебаний вихревой дорожки фон Кармана. Механический датчик 144 считывает вихревые колебания в положении 128 считывания и обеспечивает выходной сигнал от датчика на проводах 146. Электронный контур 142 передатчика принимает выходной сигнал от механического датчика 144 и выдает на выходе стандартизированный передающий сигнал на выводных проводах 148.

Согласно одному из вариантов осуществления стандартизированный передающий сигнал содержит выходной сигнал в 4-20 мА от двухпроводного передатчика. Согласно одному из вариантов осуществления сигнал в 4-20 мА обеспечивает только подачу питания для электронного контура 142 передатчика и механического датчика 144.

Согласно с другими вариантами осуществления изобретения стандартизированный передающий сигнал на выводных проводах 148 содержит стандартный промышленный сигнал в канале связи по протоколу CAN, HART, PROFIBUS или другому известному протоколу. Провод 148 может содержать двухпроводной контур управления процессом, в котором одни и те же два провода подводят питание к устройству и передают данные. В одной из конфигураций коммуникационный контур является беспроводным контуром управления процессом, в котором данные передаются без помощи проводов, например, используя радиочастотный (RF) канал связи.

Фиг.2 показывает торцевой вид вихревого расходомера 100 с Фиг.1. Номера позиций, использованных на Фиг.2, такие же, что и на Фиг.1. Как показано на Фиг.2, участок устройства 126 внутри расходомерной трубки 102 расположен в направлении по потоку за преградой 118. Как описывается более подробно ниже в сочетании с Фиг.3-6, устройство 126 на Фиг.1-2 содержит пластину датчика вихревых колебаний, опорные стойки и поворотную стойку, которая передает механическое движение механическому датчику 144.

Фиг.3 показывает вид сбоку в сечении воспринимающего вихри узла 200 (соответствующего устройству 126, показанному на Фиг.1-2). Воспринимающий вихри узел 200 содержит узел 202. Узел 202 включает в себя диафрагму 204, которая герметизирует торец 206 основания узла 202, образуя изоляционную камеру 208 в узле 202. Узел 202 герметизирует отверстие 210 (соответствующее отверстию 124 на Фиг.1) в боковой стенке 212 (соответствующее боковой стенке 103 на Фиг.1) проточного канала 214. Согласно одному из вариантов осуществления одно или более О-образных колец 211 сжато между узлом 202 и боковой стенкой 212 для улучшения герметизации. Согласно одному из аспектов диафрагма 204 выполнена с возможностью герметизировать отверстие 210 в боковой стенке 212, образуя изоляционную область 208 в положении 122 ниже по потоку.

Воспринимающий вихри узел 200 содержит расположенную выше по потоку опорную стойку 216 и расположенную ниже по потоку стойку 218. Опорные стойки 216, 218 выступают из узла 202 в проточный канал 214. Согласно одному из вариантов осуществления опорные стойки 216, 218 включают в себя угловые планки 217, 219, которые обеспечивают дополнительную опорным стойкам 216, 218 опору.

Узел 200 содержит пластину 220 датчика вихревых колебаний, имеющую проксимальный край 222, опирающийся на диафрагму 204. Пластина 220 датчика вихревых колебаний имеет дистальный край 224, противоположный проксимальному краю 222, который не имеет опоры. Пластина 220 датчика вихревых колебаний имеет расположенный выше по потоку край 226 и расположенный ниже по потоку край 228, которые поддерживаются опорными стойками 216, 218. Согласно одному из вариантов осуществления опорные стойки 216, 218 ограничивают биение расположенных выше по потоку и ниже по потоку краев 226, 228, вызванных прохождением вихрей через пластину 220 датчика.

Устройство 200 содержит поворотную стойку 230. Поворотная стойка 230 проходит вдоль центральной области пластины 220 датчика вихревых колебаний. Поворотная стойка 230 проходит через диафрагму 204. Поворотная стойка 230 передает вихревые колебания в область 232 считывания внутри изоляционной камеры 208. Согласно одному из аспектов поворотная стойка 230 выполнена с возможностью передавать вихревые колебания 238 от пластины 220 датчика вихревых колебаний к датчику 242 в области 232 считывания в изоляционной камере 208.

Поворотная стойка 230 объединена с датчиком 242 в положении 232. Датчик 242 может иметь традиционную конструкцию и может содержать емкостный датчик, магнитный датчик, оптический датчик, пьезоэлектрический датчик или другой датчик, используемый для определения механического колебания или частоты механического колебания. Датчик 242 считывает вращательные колебания поворотной стойки 230. Датчик 242 установлен в узле 202. Согласно одному из вариантов осуществления датчик 242 считывает движение поворотной стойки 230. Согласно другому варианту осуществления датчик 242 определяет силы, оказывающие влияние на датчик 242 от поворотной стойки 230. Согласно еще одному варианту осуществления датчик 242 не ограничивает перемещение поворотной стойки 230. Согласно еще одному варианту осуществления датчик 242 сдерживает перемещения поворотной стойки 230.

Фиг.4 показывает вид спереди в сечении (по линии 4-4 на Фиг.3) воспринимающего вихри узла 200, показанного на Фиг.3. Согласно одному из вариантов осуществления поворотная стойка 230 инерциально сбалансирована вокруг оси 234 вращения рядом с диафрагмой 204. Инерциальная балансировка имеет преимущество в том, что устройство будет иметь пониженную чувствительность к поступательному вибрационному шуму.

Согласно другому варианту осуществления использованный в качестве необязательного элемента корпус 236 из вязкого материала размещается в контакте с поворотной стойкой 230 в изоляционной камере 208. Корпус 232 из вязкого материала гасит вращательное движение поворотной стойки 230. Согласно другому варианту осуществления колебания вращательного движения 238 поворотной стойки 230 имеют коэффициент затухания (дзета), равный по меньшей мере 0,4. Вязкое затухание оказывает небольшое воздействие на собственную резонансную частоту, но ограничивает биение. Согласно другому варианту осуществления колебания вращательного движения 238 поворотной стойки 230 имеют контролируемую собственную резонансную частоту, которая по меньшей мере на 20% больше верхнего предела частоты вихревых колебаний, который необходимо определить. Верхний предел частоты, который необходимо определить, как правило, соответствует характеристикам текучей среды, особенно, если текучей средой является газ или жидкость. Частота вихревых колебаний является известной функцией от скорости потока текучей среды. Соотношение между частотой вихревых колебаний и скоростью течения среды определяется эмпирически посредством поверочной калибровки расходомера.

Согласно одному из вариантов осуществления радиус (такой, как радиус 223) на краях диафрагмы 204 оказывает воздействие на жесткость и может иметь определенный размер для регулирования жесткости диафрагмы 204. Согласно другому варианту осуществления радиус (такой, как радиус 223) также оказывает влияние на чувствительность и может иметь определенный размер для регулирования чувствительности.

На Фиг.5 изображен вид снизу воспринимающего вихри узла 200, показанного на Фиг.3-4, в качестве установленного в боковую стенку 212. На Фиг.5 изображена толщина T_PLATE пластины 220 датчика вихревых колебаний. На Фиг.5 изображена минимальная толщина T_STRUT опорных стоек 216, 218 на нижнем (дистальном) торце воспринимающего вихри узла 200. Согласно одному из вариантов осуществления пластина 220 датчика вихревых колебаний имеет отрегулированную толщину T_PLATE, которая меньше на 30% отрегулированной минимальной толщины T_STRUT опорных стоек 216, 218.

Использование опорных стоек 216, 218 позволяет пластине 220 датчика вихревых колебаний быть тонкой, что вызывает низкую подвижную массу во время колебаний. Опорные стойки 216, 218 поддерживают расположенные выше по потоку и ниже по потоку края 226, 228 пластины 220 датчика вихревых колебаний, чтобы пластина 220 датчика вихревых колебаний была жесткой. Полученная система имеет увеличенную собственную резонансную частоту, которая находится под контролем благодаря низкой подвижной массы и высокой жесткости. Собственная резонансная частота зависит от массы системы и жесткости системы. Масса системы снижена посредством использования тонкой пластины вихревых колебаний в пазах между опорными стойками 226, 228 и нижним (дистальным) торцом поворотной стойки 230.

На Фиг.6 изображена перспективная проекция воспринимающего вихри узла 200, показанного на Фиг.3. Согласно одному варианту осуществления опорные стойки 216, 218 имеет V-образное сечение 240. Как хорошо видно на Фиг.6, воспринимающий вихри узел 200 включает в себя О-образный кольцевой паз 213, имеющий форму для вставки в него О-образного кольца 211. Воспринимающий вихри узел 200 содержит прямоугольный монтажный фланец 250, который включает в себя монтажные отверстия, такие как отверстия 252, 254, 256, которые имеют такой размер, который обеспечивает возможность размещения болтов для монтажа на расходомерную трубку воспринимающего вихри узла 200. Воспринимающий вихри узел 200 заменяется на месте проведения работ посредством удаления болтов.

На Фиг.7А, 7В, 7С показаны этапы процесса изготовления устройства 300 (соответствующего устройству 126, показанному на Фиг.1-2). На первом этапе процесса, показанном на Фиг.7А, устройство 300 полностью получено, за исключением пластины 320 датчика вихревых колебаний. Пластина 320 датчика вихревых колебаний отсутствует на этапе, показанном на Фиг.7А. Устройство на Фиг.7А содержит паз 350, прорезанный внутри опорных стоек 316, 318 и внутри поворотной стойки 330.

На втором этапе процесса, показанном на Фиг.7В, металлическая пластина 360 вставляется в паз 350, как это показано. Металлическая пластина 360 находится под действием растягивающей силы так, что на металлическую пластину действует усилие натяжения, показанное стрелками 362, 364. Пока металлическая пластина 360 растянута и находится под усилием натяжения, металлическую пластину 360 непрерывно приваривают или припаивают к опорным стойкам 316, 318 и к поворотной стойке 330 с обеих сторон. После того как процесс приваривания или припаивания закончен, растягивающая сила снимается.

На третьем этапе, показанном на Фиг.7В, лишние части металлической пластины 360 подрезаются, чтобы остался центральный участок металлической пластины 360, в качестве пластины 320 датчика вихревых колебаний. Пластина 329 датчика вихревых колебаний находится под действием сохраненного растягивающего напряжения 366, 368 в центральном исходном положении, если она не отклонена действием вихрей. Сохраненное растягивающее напряжение увеличивает жесткость пластины 320 датчика вихревых колебаний.

Хотя настоящее раскрытие сделано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что могут быть сделаны изменения в форме и деталях, не отходя от сущности и объема изобретения. Например, вихревой расходомер может содержать бесфланцевую расходомерную трубку вместо расходомерной трубки с фланцами. В другом примере датчик 242 может быть сконструирован как встроенная часть узла 202. В еще одном примере узел 202 может иметь внешнюю резьбу и завинчиваться внутрь отверстия 210, которое является резьбовым, исключая необходимость использования болтов.

1. Вихревой расходомер, содержащий:трубку, имеющую боковую стенку вокруг проточного канала, предназначенного для транспортировки потока текучей среды в направлении ниже по потоку;вихреобразующее тело обтекания, установленное в проточном канале в положении выше по потоку и создающее вихревые колебания в потоке текучей среды;воспринимающий вихри узел, содержащий:диафрагму, герметизирующую отверстие в боковой стенке для образования изоляционной камеры;пластину датчика вихревых колебаний, имеющую проксимальный край, опирающийся на диафрагму, противоположный дистальный край, не имеющий опоры, и расположенные выше по потоку и ниже по потоку края, поддерживаемые опорными стойками, ограничивающими биение расположенных выше и ниже по потоку краев пластины; поворотную стойку, проходящую вдоль центральной области пластины датчика вихревых колебаний и проходящую через диафрагму для передачи вихревых колебаний от пластины датчика вихревых колебаний к датчику; иэлектронный контур передатчика, принимающий выходной сигнал от датчика и обеспечивающий выходной сигнал, связанный с потоком текучей среды.

2. Вихревой расходомер по п.1, дополнительно содержащий:вязкий материал в контакте с поворотной стойкой в изоляционной камере, гасящий вращательное движение поворотной стойки.

3. Вихревой расходомер по п.1, в котором пластина датчика вихревых колебаний имеет толщину, которая меньше на 30% минимальной толщины опорных стоек.

4. Вихревой расходомер по п.3, в котором опорные стойки имеют V-образное сечение.

5. Вихревой расходомер по п.1, в котором поворотная стойка инерциально сбалансирована вокруг оси вращения рядом с диафрагмой.

6. Вихревой расходомер по п.1, в котором колебание вращательного движения поворотной стойки имеет коэффициент затухания, равный по меньшей мере 0,4.

7. Вихревой расходомер по п.1, в котором пластина датчика вихревых колебаний находится под действием накопленного растягивающего напряжения в центральном исходном положении.

8. Вихревой расходомер по п.1, в котором колебание вращательного движения поворотной стойки имеет собственную резонансную частоту, которая по меньшей мере на 20% больше верхнего предела частоты вихревых колебаний.

9. Способ измерения параметров потока, включающий этапы, на которых: обеспечивают боковую стенку трубки вокруг проточного канала; устанавливают вихреобразующее тело обтекания в проточном канале в положении выше по потоку;герметизируют отверстие в боковой стенке трубки с помощью диафрагмы для образования изоляционной области;опирают проксимальный край пластины датчика вихревых колебаний на диафрагму;обеспечивают противоположный дистальный край пластины датчика, не имеющий опоры;обеспечивают расположенные выше по потоку и ниже по потоку края пластины датчика, поддерживаемые опорными стойками для ограничения биения расположенных выше и ниже по потоку краев; проводят поворотную стойку вдоль центральной области пластины датчика вихревых колебаний и через диафрагму для передачи вихревых колебаний от пластины датчика вихревых колебаний к датчику и для считывания колебаний поворотной стойки от потока рабочей текучей среды по проточному каналу; иобеспечивают электронный контур передатчика, принимающий выходной сигнал от датчика, измеряющий поток текучей среды, на основе определенных колебаний.

10. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: размещают вязкий материал в контакте с поворотной стойкой в изоляционной камере.

11. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: контролируют толщину пластины датчика вихревых колебаний так, чтобы она была меньше на 30% минимальной толщины опорных стоек.

12. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: осуществляют инерциальную балансировку поворотной стойки вокруг оси вращения рядом с диафрагмой.

13. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: накапливают растягивающее напряжение в пластине датчика вихревых колебаний в центральном исходном положении.

14. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: контролируют собственную резонансную частоту колебаний вращательного движения поворотной стойки для того, чтобы собственная резонансная частота была по меньшей мере на 20% больше верхнего предела частоты вихревых колебаний.

15. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: опорным стойкам придают форму с V-образным сечением.

16. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: обеспечивают стандартизированный передающий сигнал по двухпроводному контуру регулирования процесса.

17. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: обеспечивают стандартизированный передающий сигнал, который является беспроводным сигналом.

18. Способ по п.9, дополнительно включающий этап, на котором: обеспечивают стандартизированный передающий сигнал, который выбирают из группы промышленных сигналов в канале связи по протоколам CAN, HART и PROFIBUS.

19. Вихревой расходомер, содержащий:трубку, имеющую боковую стенку вокруг проточного канала, предназначенного для транспортировки потока текучей среды в направлении ниже по потоку;вихреобразующее тело обтекания, установленное в проточном канале в положении выше по потоку и создающее вихревые колебания в потоке текучей среды;средство диафрагмы, герметизирующее отверстие в боковой стенке для образования изоляционной области;пластину датчика вихревых колебаний, имеющую проксимальный край, опирающийся на диафрагму, противоположный дистальный край, не имеющий опоры, и расположенные выше по потоку и ниже по потоку края, поддерживаемые опорными стойками, ограничивающими биение расположенных выше и ниже по потоку краев пластины; средство поворотной стойки для передачи вихревых колебаний от пластины датчика вихревых колебаний к датчику; иэлектронный контур передатчика, принимающий выходной сигнал от датчика и выдающий стандартизированный передающий сигнал.