專利名稱：具有軸向順應(yīng)性的罩端部的科氏流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及科氏流量計(jì)，特別涉及用一個(gè)具有軸向順應(yīng)性端部的罩封閉的科氏流量計(jì)。
問題直管式科氏質(zhì)量流量計(jì)在該技術(shù)中是已知的。它們可以包括這樣的流量計(jì)，就是有一個(gè)單獨(dú)的平直流量管、一個(gè)圍繞該流量管的圓筒形平衡管，以及一個(gè)包圍流量管和平衡管二者的更大的圓筒形罩。這樣一種流量計(jì)示于美國專利5,398,554中。平衡管的兩端用牽引桿剛性地固定在流量管上。流量管固定在包括厚端板的罩的端部上。流量管延伸而越過罩的兩端部并連接在一管道上。流量計(jì)罩的主要目的是為包圍在罩內(nèi)的流量計(jì)部件提供物理保護(hù)。這些部件可以包括敏感裝置，如驅(qū)動(dòng)器、敏感器和相關(guān)的電子部件。人們希望，這些部件從操作流量計(jì)的環(huán)境中得到物理保護(hù)。這種保護(hù)是由罩提供的，罩用具有足夠厚度的強(qiáng)度大的材料有利地制成。
在操作中，流量管相對(duì)于平衡管異相地受到電氣-機(jī)械振動(dòng)，平衡管的設(shè)置用來減少與單獨(dú)一根未受平衡的流量管有關(guān)的振動(dòng)。此種振動(dòng)將科氏加速度傳遞給流過流量管的物料。對(duì)該科氏加速度的反作用力對(duì)流量管的振動(dòng)方式形狀形成微小變形。該變形是有用的，由連接到流量管或與其關(guān)聯(lián)的傳感器測(cè)量。這些傳感器可以是速度型的或位移型的。流量管中的物料流率正比于由沿平直流量管的長(zhǎng)度安置的兩個(gè)此類傳感器產(chǎn)生的信號(hào)之間的時(shí)間或相位延遲。這些傳感器的輸出信號(hào)加到電子設(shè)備上，這些電子設(shè)備為流量管中的物料產(chǎn)生所要的信息，如質(zhì)量流率。
雙重直管科氏流量計(jì)也是已知的。它們類似于單個(gè)直管流量計(jì)，不同之處是它們有一個(gè)與第一流量管平行的第二流量管。該第二流量管替代該單個(gè)流量管實(shí)施例的平衡棒。這兩個(gè)流量管在其兩端處連接到流量分流岐管上，后者將物料分到兩個(gè)流量管上。雙重流量管計(jì)可以具有或沒有使流量管彼此連接的牽引桿。雙重流量管科氏質(zhì)量流量計(jì)的流量管彼此異相地振動(dòng)，而不是與一個(gè)平衡棒異相地振動(dòng)。除此之外，其操作與單個(gè)直管流量計(jì)相同。
兩種類型的直管科氏流量計(jì)中的質(zhì)量流量測(cè)量取決于流量管變形或彎曲，這種變形或彎曲是由物料流產(chǎn)生的科氏力或流量管受到的同時(shí)發(fā)生的電氣-機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的。人們常常希望，科氏質(zhì)量流量計(jì)的精度達(dá)到讀數(shù)的0.1％。因此流量管的變形必須唯一地取決于所產(chǎn)生的科氏力，而不受外力和應(yīng)力包括那些在流量計(jì)不同部分之間操作溫度差異所產(chǎn)生的應(yīng)力的影響。這些熱應(yīng)力可以在流量管中產(chǎn)生不希望有的軸向張力或壓縮力。
軸向張力往往使流量管剛性變大而使它們不易響應(yīng)所產(chǎn)生的科氏力。這造成流量計(jì)靈敏度降低，而由科氏力產(chǎn)生的真實(shí)流量信息的報(bào)告量減少。同樣，軸向壓縮力使流量管軟化，造成所產(chǎn)生的科氏流量信息報(bào)告量過大。傳統(tǒng)上，直管科氏流量計(jì)的制造使罩的兩端剛性極大，因此，由連接的管道從外部施加的載荷所產(chǎn)生的力由剛性的罩端部傳遞到罩上而不是到流量管上。這使流量管與外部載荷成功地隔離，但是罩端部以及罩的剛性產(chǎn)生由流量管的熱膨脹/收縮與流量管和流量計(jì)罩之間的溫度差異導(dǎo)致的問題。
在直管科氏流量計(jì)中，在流量管內(nèi)物料和流量計(jì)罩外部空氣之間常常存在的溫度差可使流量管具有與罩不同的溫度。這導(dǎo)致流量管的熱膨脹量與罩的熱膨脹量不同。這些剛性的罩端部阻止此種差異膨脹并產(chǎn)生一個(gè)沿軸向壓縮(或拉伸)流量管的軸向力，導(dǎo)致流量管中高的軸向應(yīng)力和所指示的流率產(chǎn)生誤差。
流量管和其罩之間的溫度差異造成流量管上的軸向應(yīng)力，或者是軸向壓縮型，或者是軸向張力型。除了影響流量計(jì)精度外，這些應(yīng)力能夠超過組成流量管的物料的屈服應(yīng)力。一個(gè)軸向的張應(yīng)力可以將流量管端部從罩的端部上撕裂下來，或者可以撕裂流量管本身。這種應(yīng)力也可以使流量管永久變形，從而使其校準(zhǔn)因子永久變化，并使其無用。例如，如果一個(gè)不銹鋼流量管長(zhǎng)20英寸(50.8cm)，比罩熱200°F(93.3℃)，那么它力圖比罩膨脹0.036英寸(0.091cm)。如果罩和罩端部相當(dāng)剛性，那么將在流量管中形成約每平方英寸50,000磅(7.25牛頓/平方米)的壓縮應(yīng)力。該應(yīng)力可能充分地高，從而使流量管永久屈服或變形。當(dāng)流量管比罩更涼時(shí)，存在類似狀況，但該應(yīng)力是張力而非壓縮力。
傳統(tǒng)上使用兩種方法來減小熱感生的應(yīng)力。最普通的方法是，用熱膨脹系數(shù)比制造罩的材料的熱膨脹系數(shù)更小的材料來制造流量管。通常用鈦來制造流量管，因?yàn)殁伒呐蛎浵禂?shù)小而抗腐蝕性能好。然后使用其熱膨脹系數(shù)為鈦的約兩倍的不銹鋼作為罩。罩的溫度決定于從較熱的(在該例子中)流量管流入的熱量和向較冷的大氣喪失的熱量。通過合適的設(shè)計(jì)從流量管到罩的傳導(dǎo)路徑，將流量管設(shè)計(jì)成，罩的平衡溫度位于流動(dòng)物料溫度和罩的周圍空氣溫度之間的半中間處。因?yàn)檎值呐蛎浵禂?shù)是流量管的兩倍，所以形成的流量管軸向應(yīng)力與流體溫度無關(guān)。其次，由于鈦的膨脹系數(shù)較低和彈性模量較低，因此通過熱應(yīng)力損壞流量計(jì)的可能性大大減小。
該設(shè)計(jì)有若干問題。最嚴(yán)重的問題是，它只能壓熱平衡的狀態(tài)下工作。如果流量管中的物料溫度突然變化，那么流量管溫度幾乎瞬時(shí)變化，而它花費(fèi)時(shí)間使罩的溫度跟隨該變化。在該瞬時(shí)間內(nèi)，流量管沿軸向受到壓力，導(dǎo)致測(cè)量誤差。
當(dāng)使用不同溫度系數(shù)的材料來減小管子熱應(yīng)力的另一問題是，不管流體溫度多少，流量管只是在單一環(huán)境溫度下才是沒有應(yīng)力的。這是因?yàn)檎值钠胶鉁囟忍幱诠茏訙囟群铜h(huán)境溫度的半中間。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)流量溫度只有一個(gè)罩溫度會(huì)形成一無應(yīng)力流量管，所以接下去是，只有一個(gè)環(huán)境溫度會(huì)形成無應(yīng)力流量管。這很容易用簡(jiǎn)單情況來舉例說明，就是流體和環(huán)境(以及管子和罩)的溫度相同的情況。如果當(dāng)管子和罩為70°時(shí)流量管無應(yīng)力，那么當(dāng)管子和罩的溫度為100°時(shí)管子處在張力中，因?yàn)殇撜至D膨脹得比鈦管更大。另一方面，如果管子和罩為40°，那么罩收縮得比流量管更大，因而流量管處在壓縮中。
用不同材料制造罩和流量管的第三個(gè)嚴(yán)重問題是制造成本。鈦很昂貴且難以制造。它不能用常規(guī)工藝焊接到不銹鋼上，而且只能困難地釬接到不銹鋼上。
減小熱感生的管子應(yīng)力的另一種廣泛使用的實(shí)踐和方法是在流量管中設(shè)計(jì)一種幾何應(yīng)變釋放。彎管流量計(jì)落入該范疇。這包括其流量管為U形、V形以及非平直的不規(guī)則形狀的所有其它流量管。對(duì)于直管流量計(jì)，應(yīng)力釋放傳統(tǒng)上位于罩端和一靠近罩端的牽引桿部件之間。在該位置中，流量管在動(dòng)力學(xué)上是非活性的，因此應(yīng)變釋放的性能不影響流量管的振動(dòng)部分的動(dòng)力學(xué)。在所用的各種應(yīng)變釋放設(shè)計(jì)中有O形環(huán)、滑動(dòng)接頭、金屬波紋管，以及起有孔隔板作用的減小流量管直徑。這些應(yīng)變釋放方法充分地操作，以完成其預(yù)定作用，但它們有其自己的獨(dú)特問題。
波紋管和滑動(dòng)接頭設(shè)計(jì)的主要問題是，它們不易清洗。這是一個(gè)嚴(yán)重的問題，因?yàn)榭汕逑葱允穷櫩瓦x擇直管流量計(jì)的最普遍理由之一。在靠近管子端部處使用減小的流量管直徑以便釋放應(yīng)變的流量計(jì)的缺點(diǎn)是流體壓力降高。還存在其它幾何設(shè)計(jì)，但它們都有缺點(diǎn)，如可清洗性、壓力降或排水性能。
上面討論了與流量管和圍繞的罩之間的熱應(yīng)力關(guān)系有關(guān)的問題。在一個(gè)具有固定在流量管上的平衡管的單管流量計(jì)中，就溫度差異和熱應(yīng)力而言，平衡管和流量管之間的關(guān)系與罩和流量管之間的關(guān)系是相同的。平衡管通常通過其端部剛性地固定在流量管上。這樣，流量管和平衡管之間的膨脹問題與上述的流量管和罩之間的膨脹問題相同。
也應(yīng)當(dāng)理解，雖然有使具有厚的非順應(yīng)性罩端部的流量計(jì)盡可能減小流量管膨脹/收縮問題的各種技術(shù)，但是沒有一種是不存在缺點(diǎn)的。特別是，熱瞬變狀態(tài)和變化的環(huán)境溫度的問題仍然沒有解決。
解決方案本發(fā)明克服了上述問題，并在提供一種具有罩的流量計(jì)技術(shù)方面獲得進(jìn)步，其中流量管連接在起罩端部和平衡棒端部作用的軸向順應(yīng)性隔板上。包括罩端部和/或平衡棒端部的隔板(此后稱為隔板)的軸向順應(yīng)性使流量管能夠相對(duì)于罩和平衡棒收縮和膨脹，使流量管上的軸向應(yīng)力減小。這使流量管、罩和平衡棒可以用同一材料制成。本發(fā)明也不需要測(cè)量罩和平衡棒的溫度，也不需要順應(yīng)性裝置如波紋管之類成為流量管的一部分，它們可能產(chǎn)生可清洗性和動(dòng)力學(xué)問題。
本發(fā)明的罩端隔板可以有利地用薄板材如不銹鋼組成。隔板的取向垂直于流量管縱軸。隔板的周邊連接在罩上，隔板的中心部分固定在流量管上，流量管通過它凸出而連接在一個(gè)外部管道上。因?yàn)楦舭迮c其徑向或橫向尺寸相比相當(dāng)薄，所以其中心部分可以容易地沿軸向移動(dòng)。徑向或橫向尺寸與厚度尺寸之比至少為16比1。因?yàn)榱髁抗苓B接在隔板的中央部分，所以流量管可以容易地沿軸向相對(duì)于罩移動(dòng)。流量管沿徑向的移動(dòng)受隔板限制。
可以在罩的一端或兩端設(shè)置單獨(dú)一個(gè)或一對(duì)隔板。使用單獨(dú)一個(gè)端部隔板將允許一個(gè)連接管道的彎矩或樞軸轉(zhuǎn)矩在流量計(jì)罩內(nèi)被傳遞到流量管上。這可能損壞流量計(jì)或可能影響其精度。因此，最好在罩端部使用雙重隔板。由于其徑向剛性和它們之間的物理間隔，使用雙重隔板使流量管能夠抵抗彎矩和防止外部彎曲載荷傳遞到流量管，而仍然允許由于熱膨脹而在罩和流量管之間產(chǎn)生軸向移動(dòng)。
其次，根據(jù)本發(fā)明，由于上述同樣理由，隔板使平衡管的每一端與流量管連接。平衡管隔板可以在平衡管的每一端包括單獨(dú)一個(gè)或兩個(gè)互相間隔適當(dāng)距離的孔闌式板。緣罩端隔板一樣，平衡管上有利地使用雙重隔板，以防止彎矩通過平衡管端部傳輸。但是，在平衡棒的情況下，由于流量管的振動(dòng)而產(chǎn)生有關(guān)的彎矩。防止任何流量管彎矩延伸越過平衡管，可以防止整個(gè)流量管的搖動(dòng)，此種搖動(dòng)能導(dǎo)致流量計(jì)不精確和增加驅(qū)動(dòng)該振動(dòng)的流量管所需的功率。平衡管的雙重隔板以類似于罩端隔板的方式允許流量管和平衡管之間的差異膨脹。
使用順應(yīng)性罩端部隔板和順應(yīng)性平衡管端部隔板允許不同流量計(jì)部件之間的差異熱膨脹而具有相當(dāng)小的最終的流量管應(yīng)力。但是順應(yīng)性隔板使流量管承受由管道施加的軸向載荷。良好的管道連接法能夠?qū)⑦@些外部載荷減小到一個(gè)不會(huì)顯著影響流量計(jì)性能的水平。對(duì)于要求極高精度的用途，可以使用一個(gè)應(yīng)變儀或類似的載荷或位移測(cè)量裝置來測(cè)量由管道外加的軸向載荷?？梢允褂脩?yīng)變或載荷測(cè)量來補(bǔ)償由軸向載荷產(chǎn)生的流量計(jì)靈敏度的任何變化。應(yīng)變儀可以安置在流量管上，鄰近流量計(jì)的管道上或?qū)S向載荷靈敏的任何位置上。
附圖描述結(jié)合附圖閱讀下列詳細(xì)描述可以更好地理解本發(fā)明的上述和其它方面，圖中

圖1公開先有技術(shù)的直管科氏流量計(jì)；圖2公開本發(fā)明的一種單個(gè)直管科氏流量計(jì)；圖3公開圖2的流量計(jì)可以聯(lián)接在一個(gè)管道上的情況；圖4公開一種有一對(duì)直管的科氏流量計(jì)；圖5例示出現(xiàn)在一個(gè)其罩有一單個(gè)端部部件的流量管上的彎矩和由此產(chǎn)生的管子偏轉(zhuǎn)；圖6公開在一個(gè)其罩有一雙重端部部件的單個(gè)流量管上的彎矩和阻力；圖7公開由圖1實(shí)施例的流量管的差異膨脹產(chǎn)生的管子偏轉(zhuǎn)；
圖8公開由圖4實(shí)施例的流量管的差異膨脹產(chǎn)生的罩終端部件的偏轉(zhuǎn)；圖9公開當(dāng)存在溫度梯度因而中心部分溫度高于周邊區(qū)時(shí)平面孔板終端部件的兩種可能偏轉(zhuǎn)；圖10公開圖2流量計(jì)的罩終端部件的一個(gè)可能的實(shí)施例，帶有因流量管比罩更熱和更冷而產(chǎn)生的位移；圖11公開一種根據(jù)圖10的罩端構(gòu)造的流量計(jì)罩，在每個(gè)罩端有一對(duì)罩端部件。
詳細(xì)描述圖1示出一種典型的先有技術(shù)直管科氏流量計(jì)100，在其兩端具有法蘭103，使其能利用通過法蘭孔112插入的螺栓聯(lián)接在一管道上。流量計(jì)100具有單獨(dú)一個(gè)流量管104，流量管104封閉在罩102內(nèi)，罩102具有壁101和罩端部件109，后者利用部件111連接在法蘭103上。流量管104被平衡管116封閉，平衡管116具有聯(lián)接在流量管104上的平衡端部部件108，并利用部件113聯(lián)接在罩端部件109上。流量管104具有入口105和出口106。
驅(qū)動(dòng)器D與左傳感器S1和右傳感器S2安置在空間115中，空間115在平衡管116的壁107和流量管104的壁110之間。如該技術(shù)中熟知的，可以包括磁體和線圈組合的驅(qū)動(dòng)器D用電子電路(未示出)致動(dòng)，以便使流量管壁110相對(duì)于其縱軸沿橫向振蕩。傳感器S1和S2檢測(cè)這些振動(dòng)以及科氏誘生管形變，后者是由通過流量管104的物料流量和同時(shí)發(fā)生的橫向振動(dòng)產(chǎn)生的。由傳感器S1和S2從振蕩產(chǎn)生的輸出信號(hào)被加到相關(guān)的電路(未示出)上，該相關(guān)電路測(cè)定傳感器S1和S2的輸出信號(hào)之間的相位或時(shí)間差，并從該信息導(dǎo)出有關(guān)包括其質(zhì)量流率的流動(dòng)物料信息。
如上所述，科氏流量計(jì)的質(zhì)量流動(dòng)測(cè)量依靠流量管104的變彎曲，這種變彎曲是根據(jù)流量管受到的科氏力所產(chǎn)生的。為了獲得0.1％讀數(shù)的所要精度，流量管的形變必須唯一地取決于所產(chǎn)生的科氏力，而不受其它因素包括流量計(jì)不同部分之間操作溫度差異產(chǎn)生的軸向應(yīng)力的影響。對(duì)于圖1的流量計(jì)，通常的做法是將罩端109做成極端陡峭，使外力不影響流量管104。雖然該技術(shù)使流量管104與外力成功地隔絕，但罩端109的剛性產(chǎn)生與流量管104和罩102包括罩壁101和罩端109之間的操作溫度差異有關(guān)的問題。這些溫度差異能夠在流量管104中產(chǎn)生高的軸向應(yīng)力。如果流量管104中的物料比罩的溫度更加充分地高，那么流量管力圖膨脹得比罩102包括剛性罩端109更大。剛性的罩端阻止此種由流量管104力圖產(chǎn)生的膨脹，并產(chǎn)生一個(gè)壓縮流量管104的軸向力。該溫度差異可以使流量管104如圖7中所示地發(fā)生彎曲。這能使流量管104永久變形，并破壞其檢測(cè)科氏力的精度。在圖7中，流量管104的壁110代表圖1中流量管壁110的正常狀態(tài)或未變形狀態(tài)。虛線110a代表流量管壁110由于流量管104溫度而產(chǎn)生的彎曲的變形狀態(tài)，該流量管104的溫度顯著地高于罩102包括其外壁101和其罩端109的溫度。罩端109的厚度阻止流量管壁110力圖產(chǎn)生的軸向膨脹，這樣做時(shí)，使壁110采取由虛線110a表示的變形的彎曲位置。
相反，如果流量管104的溫度顯著地低于罩102的溫度，那么罩試圖膨脹得比流量管大。這樣做時(shí)，罩的膨脹試圖沿軸向拉伸流量管104并使流量管不易彎曲。如果該溫度差異足夠大，該軸向張力能從罩的兩端109撕裂流量管104，并使流量計(jì)報(bào)廢。
從上面可以看到，先有技術(shù)試圖用塊體罩材料包括塊體端部來平衡流量管的熱膨脹和熱收縮是不能令人滿意的，在溫度差異極大的某些情況下，可能導(dǎo)致流量管本身破損，或固定于流量管的傳感器所產(chǎn)生的輸入信息永遠(yuǎn)喪失精度。
圖2和3的描述圖2表示本發(fā)明的第一個(gè)可能的示范實(shí)施例，它包括一個(gè)具有單獨(dú)一個(gè)流量管104的流量計(jì)200，流量管104位于罩102中，罩102具有壁101和兩端處的罩端隔板202和209，隔板通過部件207聯(lián)接在法蘭103上，法蘭103通過法蘭208聯(lián)接在管道211和212上。流量管104具有壁110，類似于圖1的流量管104，其壁110受具有壁107的圓筒形平衡棒116的圍繞。平衡棒壁107的兩端通過一對(duì)隔板108和218固定到流量管104的壁110上。驅(qū)動(dòng)器D1與傳感器S1和S2位于開孔115內(nèi)，開孔115在平衡棒116的壁107和流量管104的壁110之間。
圖1實(shí)施例和圖2實(shí)施例之間的主要差別在于，圖2的實(shí)施例在罩102的兩端有一對(duì)隔板202和209，將罩102聯(lián)接在流量管104上。與圖1的單獨(dú)剛性罩端109相比，隔板202和209沿軸向是順應(yīng)性的并相當(dāng)薄。流量管104的長(zhǎng)度由于熱變化而產(chǎn)生的變化使順應(yīng)性隔板209和202彎曲，并使流量管104上的軸向應(yīng)力減到最小。
流量管104由于熱變化而沿軸向收縮或膨脹。這些軸向變化通過流量管部件207傳送到法蘭103和法蘭208上，這些法蘭聯(lián)接在管道211和212上。管道211和212受部件308和307的支承，并可以設(shè)有圖3的肘管部件313和314，它們根據(jù)流量管104的長(zhǎng)度變化而彎曲。肘管313和314吸收流量管104的這些長(zhǎng)度變化，并防止它們經(jīng)過部件305和300傳送到管道216和217上。法蘭304、303可與圖2中的法蘭208、103比較。肘管313和314也防止管道306的長(zhǎng)度由于外加到圖3上罩101內(nèi)流量管104上的軸向應(yīng)力而產(chǎn)生的變化。
圖4的描述圖4公開本發(fā)明的另一可能的示范實(shí)施例，它包括一個(gè)安置在罩102內(nèi)的雙直管流量計(jì)400。圖4的罩102與圖2的罩102的相似之處在于，它有一個(gè)圓筒形壁部分101、一對(duì)在罩102右端處的隔板209和202、一個(gè)在罩102左端處的厚的剛性罩端部109以及部件407，部件407從流量分流岐管406通過剛性的左罩端109與右罩端上的隔板209和202延伸到兩端的法蘭103上。
圖4的實(shí)施例與圖2的實(shí)施例的不同之處在于，圖4實(shí)施例有一對(duì)流量管404和405，而不是單獨(dú)一個(gè)流量管104和一個(gè)圍繞的平衡管116。一個(gè)由磁體和線圈組合成的驅(qū)動(dòng)器D使流量管404和405根據(jù)外加到驅(qū)動(dòng)器D上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)彼此異相地振動(dòng)。傳感器S1和S2檢測(cè)兩個(gè)流量管的科氏加速度和位移。
流量管404和405的兩端408連接在岐管/流量分流器406上。在操作中，來到流量管左部407的流動(dòng)物料遇到分流器406，使流動(dòng)物料在流量管404和405之間分叉。當(dāng)物料到達(dá)流量管405和404的右端時(shí)，物料在406處會(huì)合，使得全部流體進(jìn)入右流量管部件407，后者連接在法蘭103上。
流量管404和405用同一材料制成，物理尺寸相同，因此它們根據(jù)熱變化彼此均勻地沿軸向膨脹和收縮。流量管的軸向膨脹/收縮受左端部件109的阻力，但被傳送到順應(yīng)性的隔板209和202上。這使它們能容納流量管404和405的長(zhǎng)度變化而不會(huì)將顯著的應(yīng)力傳遞給流量管。因?yàn)楦舭?09和202是順應(yīng)性的，當(dāng)流量管如圖8中所示地膨脹時(shí)，它們向外彎曲。當(dāng)流量管404和405由于溫度降低而收縮時(shí)，隔板202和209的順應(yīng)性也使它們能向內(nèi)彎曲。
圖5和6的描述圖2和4的流量計(jì)設(shè)有雙重隔板，其原因能參考圖5和6清楚地說明。圖5公開一個(gè)具有單一隔板209的罩102。圖6有一對(duì)位于罩102左端處的隔板209和202。圖6的雙端隔板保護(hù)流量管104免受由管道上的外加彎曲載荷產(chǎn)生的變曲轉(zhuǎn)矩。此種載荷是普遍的，并由于管道振動(dòng)和管道支承件的不對(duì)準(zhǔn)而產(chǎn)生。在圖5上，可以看到，在管部件207上施加一個(gè)力F，使單一隔板209隨流量管104圍繞由隔板209的表面限定的平面作樞軸式轉(zhuǎn)動(dòng)而在其上部向外彎曲和在其下部向內(nèi)彎曲。這種偏轉(zhuǎn)是不希望有的，因?yàn)樗軐?duì)流量管104傳遞一個(gè)位移。流量管104由于外力而產(chǎn)生的這種位移是不希望有的，因?yàn)樗苁沽髁抗?04永久變形，并改變其對(duì)科氏力的響應(yīng)，這種響應(yīng)用于測(cè)定流量管104中物料的流率。
圖6的流量計(jì)在罩102的左端處有一對(duì)罩部件202和209，用于流量管104免受出現(xiàn)在流量管部件207上的外部誘生的力。該對(duì)隔板202和209互相隔開一足夠的距離，以防止流量管104像圖5中流量管104那樣圍繞隔板作樞軸式轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然隔板202和209沿軸向是順應(yīng)性的，但它們沿橫向平面方向具有足夠的強(qiáng)度，以防止流量管在圖6中上下活動(dòng)。它們?cè)诮Y(jié)合部處供給流量管104以足夠的力，使隔板抵抗彎曲轉(zhuǎn)矩。
圖8的描述除了下述情況以外，圖8的實(shí)施例相似于圖4的實(shí)施例，該不同的情況是，由于流量管404和405的軸向膨脹，右端罩隔板209和202相對(duì)于罩102示于其向外彎曲的位置。圖8還表示，傳感器S1和S2與驅(qū)動(dòng)器D通過電路路徑802、803和804連接在控制電路801上?？刂齐娐?01將信號(hào)加在路徑804上，使驅(qū)動(dòng)器D讓流量管404和405彼此異相地振動(dòng)。控制電路接受傳感器S1和S2在路徑802和803上的輸出信號(hào)，這些信號(hào)代表流量管404和405的振蕩，這種振蕩是由于驅(qū)動(dòng)器D誘生的振蕩以及由于物料流通過流量管404和405而引起的科氏振蕩而產(chǎn)生的。
圖8還公開一個(gè)通過路徑805連接在控制電路801上的應(yīng)變儀806?？刂齐娐?01通過路徑805收到指示流量管部件809遇到的軸向應(yīng)力的信號(hào)。應(yīng)變儀806可以是這樣一個(gè)部件，其電阻率隨其受到的軸向應(yīng)力而變化。應(yīng)變儀806可以固定地連接在流量管部件809上。由應(yīng)變儀806提供的應(yīng)力信息通過控制電路801用于需要非常高的輸出信息和精度的流量計(jì)用途。
圖8上也示出溫度傳感器8，它固定在流量管404的外壁上。溫度傳感器808通過導(dǎo)體路徑807連接在控制電路801上，并將有關(guān)流量管404的溫度的信息傳送給控制電路801?？刂齐娐?01從傳感器808收到溫度信息和從部件806收到應(yīng)變儀信息，并使用這些信息來校正由流量計(jì)產(chǎn)生的包括體積流率和質(zhì)量流率的輸出信息的精度。流量管的溫度改變其彈性模量，這轉(zhuǎn)過來又決定流量管的剛性。流量管的剛性轉(zhuǎn)過來又改變流量計(jì)的靈敏度，因?yàn)楸绕饎傂愿〉墓茏觼恚瑒傂愿蟮墓茏悠漤槕?yīng)性更小。應(yīng)變儀信息也用于通過控制電路801來校正和改善流量計(jì)輸出信息的精度。應(yīng)變儀信息指示流量管受張力的程度。流量管受到的張力越大，它剛性越大和越不靈敏。相反，流量管上的張力越小，它順應(yīng)性越大和越加靈敏。
控制電路801以在該技術(shù)中熟知的方式使用由溫度儀808和應(yīng)變儀806外加的信息，來提高由流量計(jì)輸出的信息的精度，從而超過僅僅依靠從傳感器S1和S2得到的精度。
圖9的描述圖9公開罩102的單獨(dú)隔板209，根據(jù)本發(fā)明的說明，該隔板相當(dāng)薄，而具有順應(yīng)性。圖中沒有示出通過其中心部分的流量管，以便例示不存在由流量管外加的任何力時(shí)其根據(jù)溫度梯度的行為。隔板209的中心部分904的溫度比其鄰近流量管壁101的周邊部分的溫度要相對(duì)更高，由此對(duì)隔板209產(chǎn)生的應(yīng)力使隔板或者向內(nèi)或者向外彎曲，如圖9中虛線901和902所示。相反，如果隔板209的中心部分904的溫度比其周邊部分低，那么隔板保持平面，像鼓的頭部一樣拉緊。如果該由于熱膨脹而產(chǎn)生的流量管端部位移并不與由于熱梯度而產(chǎn)生的隔板最佳位移符合一致，那么這種與溫度梯度成非線性的行為可以造成小的但不可預(yù)測(cè)的流量管應(yīng)力。例如，當(dāng)流量管比罩冷時(shí)，管子收縮，而隔板需要保持平面。這造成沿流量管的微小應(yīng)力，在測(cè)到的流率中具有小的誤差。
圖10的描述圖10公開一種對(duì)圖9的平面罩端隔板由于熱梯度而產(chǎn)生的非線性行為問題的解決方案。圖10的該實(shí)施例包括一個(gè)流量管104，它有一個(gè)圍繞的罩102和罩壁101以及一個(gè)連接在流量管104的壁110上的永久彎曲的隔板1002。沒有熱梯度時(shí)的隔板正常位置用實(shí)線1002表示，它相對(duì)于罩102永久向外彎曲。該向外彎曲的形狀消除了圖9實(shí)施例的不可預(yù)測(cè)的和非線性的行為。一個(gè)正的熱梯度(管子比罩熱)使中心部分向外彎曲更遠(yuǎn)，如位置1002h所示，而一個(gè)負(fù)的熱梯度使彎曲量減少到位置1002c。對(duì)于一個(gè)給定溫度梯度的中心位移量可以由初始(無梯度)彎曲量確定。對(duì)于小的初始彎曲，該移動(dòng)相當(dāng)大，而對(duì)于較大的初始彎曲量，由于溫度梯度的移動(dòng)變得較小。最佳的初始彎曲量是使隔板的中央部分位移的量與流量管端部相對(duì)于罩位移的量相等的那個(gè)彎曲量。例如，如果流量管和罩之間的200度差異使管的長(zhǎng)度比罩增長(zhǎng)0.036，那么應(yīng)當(dāng)這樣設(shè)定隔板的初始彎曲，使得罩和管子之間的200度梯度讓隔板的中央部分位移0.036。流量管104可以按照流量管內(nèi)物料的溫度變化而沿軸向收縮或膨脹，如圖10中所示。同時(shí)，隔板響應(yīng)熱梯度，如果管子比罩熱。隔板就增大其向外彎曲，如果管子比罩冷，隔板就減小其向外彎曲。圖10表明，對(duì)于合適的設(shè)計(jì)，隔板的移動(dòng)剛巧匹配管子的有差異的膨脹。對(duì)于此種設(shè)計(jì)，流量管保持與熱應(yīng)力無關(guān)。即使快速變化的流體溫度也不在流量管中產(chǎn)生應(yīng)力。如果流體溫度突然升高200度，那么在罩終端部件兩端的梯度像管子溫度一樣迅速升高，而其膨脹的速率與管子相同。當(dāng)罩開始加熱時(shí)，它膨脹而減小長(zhǎng)度差異。但是，變熱的罩減小通過端部的梯度，導(dǎo)致端部鼓脹的適當(dāng)減小。
圖11的描述圖11公開的本發(fā)明實(shí)施例與圖10的實(shí)施例相似，不同之處是，圖11的實(shí)施例在罩102的兩端有一對(duì)罩端隔板1101和1102，而圖10的實(shí)施例只有單獨(dú)一個(gè)罩端隔板1002。圖11中的該對(duì)隔板1101和1102永久性地向外彎曲，并提供圖10實(shí)施例的描述中討論的所有優(yōu)點(diǎn)。但是，該對(duì)隔板1101和1102防止流量管104隨外部產(chǎn)生的彎曲力矩而樞軸式轉(zhuǎn)動(dòng)，并使流量管與這些力矩有利地隔絕，其理由與圖6中在流量計(jì)罩102的兩端有一對(duì)罩終端部件的實(shí)施例的情況中詳細(xì)討論的相同。
圖11中包括部件1103和法蘭103的實(shí)施例可以有利地聯(lián)接在圖3所示的管道系統(tǒng)上，其中流量管104的軸向長(zhǎng)度的變化可以被管道的直角部件313和314吸收，圖11的流量計(jì)可以利用法蘭103聯(lián)接在這些直角部件313和314上。
可以清楚地理解，本發(fā)明不限于優(yōu)選實(shí)施例的描述，而是包括處在本發(fā)明概念的范圍和精神中的其它修改和變化。
例如，流量計(jì)罩不一定是圓筒形，如果需要，可以是矩形、三角形或不規(guī)則形狀。該罩可以由一個(gè)球組成。
權(quán)利要求
1.一種流量計(jì)，包括一個(gè)圓筒形罩(102)；一個(gè)盤狀隔板機(jī)構(gòu)(202)，組成所述罩的至少一端并置于所述罩內(nèi)，垂直于所述罩的縱軸；所述隔板機(jī)構(gòu)的周邊，固定在所述罩的圓筒形壁(101)上；一個(gè)基本上平直的流量管機(jī)構(gòu)(104)，安置于所述罩內(nèi)，平行于所述罩的縱軸，所述流量管機(jī)構(gòu)的端部通過所述隔板機(jī)構(gòu)延伸到一個(gè)終端(103)，該終端適合于聯(lián)接到一物料源和一物料容器上；所述隔板機(jī)構(gòu)的橫向尺寸顯著大于其厚度，其軸向順應(yīng)性顯著地大，使所述流量管機(jī)構(gòu)能夠沿軸向膨脹/收縮，而沒有隨所述流量管機(jī)構(gòu)內(nèi)的熱變化而產(chǎn)生的相對(duì)于所述罩的永久變形。
2.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)包括一個(gè)組成所述罩的第一端部的第一隔板(202)和一個(gè)組成所述罩的第二端部的第二隔板。
3.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)包括一個(gè)組成所述罩的第一端部的第一隔板(202)，而其中所述流量計(jì)還包括一個(gè)組成所述罩的第二端部的剛性非順應(yīng)性部件(109)。
4.權(quán)利要求2所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)包括位于所述罩的第一端部處的第一對(duì)隔開的隔板(202、209)和位于所述罩的第二端部處的第二對(duì)隔開的隔板；每一對(duì)所述隔開的隔板有效地防止所述流量管機(jī)構(gòu)所連接的管子的外部彎矩圍繞一樞轉(zhuǎn)點(diǎn)樞軸轉(zhuǎn)所述流量管機(jī)構(gòu)，該樞轉(zhuǎn)點(diǎn)由所述一對(duì)隔開的隔板組成。
5.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)具有軸向順應(yīng)性，足以使其相對(duì)于所述罩沿軸向向內(nèi)和沿軸向向外彎曲一個(gè)量，該量基本上等于所述流量管機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度由于流量管機(jī)構(gòu)熱變化而產(chǎn)生的增量和減量。
6.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)具有軸向順應(yīng)性，足以使其相對(duì)于所述罩沿軸向彎曲一個(gè)量，該量基本上等于所述流量管機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度變化減去所述罩的長(zhǎng)度變化，這些長(zhǎng)度變化是由于所述流量管機(jī)構(gòu)相對(duì)于所述罩的熱變化而產(chǎn)生的。
7.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)(1002)有一永久彎曲的表面，以其凸出的側(cè)面從所述罩沿所述流量管機(jī)構(gòu)的縱軸向外而取向。
8.權(quán)利要求7所述的流量計(jì)，其特征在于所述隔板機(jī)構(gòu)(1002)取這樣一個(gè)向外彎曲的凸出位置，該凸出位置的曲率隨所述隔板機(jī)構(gòu)的鄰近所述流量管機(jī)構(gòu)的部分的溫度高于所述隔板機(jī)構(gòu)的鄰近所述罩的部分的溫度而增大；所述隔板機(jī)構(gòu)取這樣一個(gè)向外彎曲的凸出位置，該凸出位置的曲率隨所述隔板機(jī)構(gòu)的鄰近所述流量管的部分的溫度低于所述隔板機(jī)構(gòu)的鄰近所述罩的部分的溫度而減小。
9.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，隔板機(jī)構(gòu)(202)與其直徑相比較足夠地薄，因此，當(dāng)所述流量計(jì)在預(yù)定的溫度限度內(nèi)操作時(shí)，該隔板機(jī)構(gòu)對(duì)所述流量管的長(zhǎng)度方向熱膨脹并不提供足夠的阻力以便超過流量管機(jī)構(gòu)的屈服應(yīng)力。
10.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)相對(duì)于其橫向尺寸足夠地薄，因此，當(dāng)所述流量管機(jī)構(gòu)遭受熱變化而產(chǎn)生長(zhǎng)度變化時(shí)，隔板機(jī)構(gòu)中心部分的溫度高于其周邊溫度，導(dǎo)致所述隔板機(jī)構(gòu)當(dāng)不連接到所述流量管機(jī)構(gòu)上時(shí)沿軸向位移一個(gè)量，該量基本上等于當(dāng)連接到所述流量管機(jī)構(gòu)上時(shí)所述隔板機(jī)構(gòu)的中心部分沿軸向移動(dòng)的量。
11.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，與下列組合一個(gè)平衡棒(107)，其位置基本上平行于所述流量管機(jī)構(gòu)；平衡棒隔板機(jī)構(gòu)(108、218)，將所述平衡棒的端部部分連接在所述流量管機(jī)構(gòu)上；所述流量管機(jī)構(gòu)固定在所述平衡棒隔板機(jī)構(gòu)上并通過它延伸；所述平衡棒隔板機(jī)構(gòu)具有軸向順應(yīng)性，足以使所述流量管機(jī)構(gòu)隨其相對(duì)于所述平衡棒的熱變化而產(chǎn)生沒有永久變形的長(zhǎng)度變化。
12.權(quán)利要求11所述的流量計(jì)，其特征在于，所述平衡棒為圓筒形，并圍繞所述流動(dòng)管機(jī)構(gòu)。
13.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述流量管機(jī)構(gòu)(104)包括單獨(dú)一個(gè)流量管。
14.權(quán)利要求13所述的流量計(jì)，其特征在于，所述單獨(dú)一個(gè)流量管固定在一個(gè)平衡棒上，平衡棒的位置基本上平行于所述流量管機(jī)構(gòu)。
15.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述流量管機(jī)構(gòu)包括一對(duì)平行的流量管(404、405)。
16.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于所述流量管機(jī)構(gòu)基本上是平直的；所述罩是圓筒形的；所述隔板機(jī)構(gòu)是盤形的；所述隔板機(jī)構(gòu)有一個(gè)基本上平的表面；所述周邊包括一個(gè)所述盤形隔板機(jī)構(gòu)的圓周。
17.權(quán)利要求1所述的流量計(jì)，其特征在于，所述隔板機(jī)構(gòu)具有軸向的順應(yīng)性，足以便于所述流量管機(jī)構(gòu)由于其相對(duì)于所述罩的熱變化而產(chǎn)生相對(duì)于所述罩的長(zhǎng)度增減。
18.權(quán)利要求17所述的流量計(jì)，還包括一個(gè)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的控制電路(801)；一個(gè)聯(lián)接在所述流量管機(jī)構(gòu)上的驅(qū)動(dòng)器(D)，用于根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的產(chǎn)生而使所述流量管機(jī)構(gòu)發(fā)生振蕩；所述流量管機(jī)構(gòu)上的傳感器機(jī)構(gòu)(S1、S2)，用于產(chǎn)生代表所述流量管機(jī)構(gòu)的振蕩的傳感器輸出信號(hào)；用于將所述傳感器機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)處加到所述控制電路上的機(jī)構(gòu)(802、803)；在所述流量管機(jī)構(gòu)上的溫度檢測(cè)器(808)，用于產(chǎn)生代表所述流量管機(jī)構(gòu)溫度的輸出信號(hào)；用于將所述溫度檢測(cè)器輸出信號(hào)外加到所述控制電路上的機(jī)構(gòu)(807)；一個(gè)在所述流量管機(jī)構(gòu)上的應(yīng)力儀(806)，用于產(chǎn)生代表所述流量管機(jī)構(gòu)上的軸向應(yīng)力的輸出信息；用于將所述應(yīng)力信息外加到所述控制電路上的機(jī)構(gòu)(805)；所述控制電路響應(yīng)所述傳感器機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)的接收，用于產(chǎn)生有關(guān)所述流量計(jì)中物料流量的第一等精度的輸出信息；所述控制響應(yīng)所述溫度信息和所述應(yīng)力信息以及所述傳感器機(jī)構(gòu)輸出信息的接收，用于產(chǎn)生有關(guān)所述流量計(jì)中物料流量的更高等級(jí)精度的輸出信號(hào)。
19.一種制造流量計(jì)的方法，包括下列步驟將一個(gè)隔板機(jī)構(gòu)的周邊固定在一個(gè)罩上，使得所述隔板機(jī)構(gòu)形成所述罩的至少一個(gè)端部，所述罩有一個(gè)第一和第二端部；將流量管機(jī)構(gòu)安置在所述罩內(nèi)，并從所述罩內(nèi)通過所述隔板機(jī)構(gòu)延伸到一個(gè)在所述罩外的終端(103)上；將所述流量管機(jī)構(gòu)固定在所述隔板機(jī)構(gòu)上；所述隔板機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)隔板，其橫向尺寸顯著大于其厚度；所述隔板機(jī)構(gòu)具有軸向順應(yīng)性，足以使所述流量管機(jī)構(gòu)隨其相對(duì)于所述罩的熱變化而產(chǎn)生沒有永久變形的長(zhǎng)度增減。
全文摘要
一種流量計(jì),位于一個(gè)罩內(nèi),具有用于罩端部的順應(yīng)性隔板。這些隔板具有軸向順應(yīng)性,足以使流量管能夠隨熱變化而自由地膨脹/收縮,并不產(chǎn)生流量管的永久變形。
文檔編號(hào)G01F1/84GK1249033SQ98802858
公開日2000年3月29日 申請(qǐng)日期1998年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月27日
發(fā)明者C·B·范克勒維, R·S·洛維, G·T·朗哈姆 申請(qǐng)人:微動(dòng)公司