振動(dòng)型測量變換器以及形成有該測量變換器的測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種振動(dòng)型測量變換器，其尤其適合于科里奧利(Cor1lis)質(zhì)量流量測量儀，以及涉及一種形成有該振動(dòng)型測量變換器的測量系統(tǒng)，尤其是科里奧利質(zhì)量流量測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)測量技術(shù)中，尤其也與對自動(dòng)化的工藝技術(shù)的過程的調(diào)節(jié)和監(jiān)控相結(jié)合，為了測定在過程線路中，例如管狀線路中流動(dòng)的介質(zhì)，如液體和/或氣體的質(zhì)量流率和/或質(zhì)量流量，經(jīng)常使用如下測量系統(tǒng)，其借助振動(dòng)型測量傳感器和與之聯(lián)接的大多安裝在單獨(dú)的電子器件殼體中的測量和運(yùn)行電子器件在流動(dòng)的介質(zhì)中感應(yīng)出科里奧利力，并且由它們產(chǎn)生了代表質(zhì)量流量或質(zhì)量流率的測量值。
[0003]這種測量系統(tǒng)是早已公知的并且在工業(yè)使用中被證實(shí)為是有利的，這種測量系統(tǒng)大多構(gòu)造為直接使用在過程線路的走向中的在線測量儀，也就是具有與管狀線路的標(biāo)稱寬度相同大小的額定標(biāo)稱寬度。針對振動(dòng)型測量變換器或形成有該振動(dòng)型測量變換器的測量系統(tǒng)的示例在 US-A 2003/0084559、US-A 2003/0131669、US-A 2005/0139015、US-A 4655 089,US-A 48 01 897,US-A 48 31 885,US-A 50 24 104,US-A 51 29 263,US-A 52 87754、US-A 53 81 697、US-A 55 31 126、US-A 57 05 754、US-A 57 36 653、US-A 58 04742、US-A 60 06 609、US-A 60 47 457、US-A 60 82 202、US-B 62 23 605、US-A 63 11136、US-B 63 60 614、US-B 65 16 674、US-B 68 40 109、US-B 68 51 323、US-B 70 77014或WO-A 00/02020中進(jìn)行了描述。在其中示出了，測量變換器分別包括至少一個(gè)關(guān)于對稱中心點(diǎn)對稱的測量管，該測量管具有帶預(yù)定壁厚的例如由鈦合金、鋯合金和/或鉭合金或由不銹鋼構(gòu)成的管壁以及在測量管的輸入側(cè)的管端部與輸出側(cè)的管端部之間延伸的由該管壁包圍的內(nèi)腔。例如S形或Z形或筆直構(gòu)造的測量管以能振蕩的方式保持在例如也構(gòu)造為包覆測量管的因此提供保護(hù)的測量變換器殼體中和/或在構(gòu)造為至少包覆測量管的承載管的例如由不銹鋼構(gòu)成的外承載元件中，即僅以其輸入側(cè)的管端部與承載元件的相應(yīng)的輸入側(cè)的承載端部固定連接，并且以其輸出側(cè)的管端部與承載元件的相應(yīng)的輸出側(cè)的承載端部固定連接，但在其他部分側(cè)向與其間隔開。此外，外承載元件設(shè)置成用于分別與管狀線路的相應(yīng)的線路區(qū)段直接地，即經(jīng)由分別設(shè)置在該外承載元件的兩個(gè)承載端部中的每一個(gè)上的聯(lián)接法蘭機(jī)械連接，并且因此將整個(gè)測量變換器保持在管狀線路中或承受由管狀線路輸入的力。為了形成將兩個(gè)聯(lián)接的線路部段在流技術(shù)上連接的，即允許從一個(gè)線路部段穿過測量管到另一線路部段的貫穿的流動(dòng)路徑，測量管又分別以其兩個(gè)管端部中的每一個(gè)通入對應(yīng)的聯(lián)接法蘭中。
[0004]此外，至少一個(gè)測量管設(shè)置成用于在測量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在其內(nèi)腔中引導(dǎo)流動(dòng)的介質(zhì)，例如氣體和/或液體，在形成提及的流動(dòng)路徑的情況下將該內(nèi)腔與聯(lián)接的管狀線路的內(nèi)腔聯(lián)通，并且在此期間為了產(chǎn)生可利用的科里奧利力作為用于測量質(zhì)量流率進(jìn)而質(zhì)量流量的測量效果，使其圍繞其靜態(tài)的靜止位置振蕩。測量變換器固有的自然振蕩模式(所謂的驅(qū)動(dòng)模式或有效模式)的振蕩通常充當(dāng)有效振蕩，即測量管的適合于產(chǎn)生科里奧利力的振蕩，利用該振蕩模式的瞬時(shí)的諧振頻率，例如也可利用實(shí)際上保持恒定的振蕩振幅激勵(lì)出這些振蕩。由于穿流過在有效模式中振蕩的測量管的介質(zhì)，這些有效振蕩又生成科里奧利力，這些科里奧利力還導(dǎo)致科里奧利振蕩，即與在有效模式中測量管的振蕩運(yùn)動(dòng)同步的附加的振蕩運(yùn)動(dòng)，也就是在所謂的科里奧利模式中測量管的與其疊加的振蕩運(yùn)動(dòng)。由于這樣的有效模式與科里奧利模式的疊加，振動(dòng)的測量管的借助傳感器裝置在輸入側(cè)和輸出側(cè)檢測到的振蕩具有也依賴于質(zhì)量流率的可測量的相位差。
[0005]如已示意出的那樣，通常選擇充當(dāng)有效模式的振蕩形式的瞬時(shí)的自然諧振頻率作為激勵(lì)頻率或有效頻率，即作為用于激勵(lì)出的有效振蕩的頻率。在此，有效模式也以如下方式來選擇，即，使該諧振頻率尤其也依賴于介質(zhì)的瞬時(shí)的密度。因此，有效頻率能在與在測量管的內(nèi)腔中流動(dòng)的介質(zhì)的密度的波動(dòng)范圍對應(yīng)的有效頻率區(qū)間內(nèi)變化，由此借助市場上常見的科里奧利質(zhì)量流量測量器除了質(zhì)量流量之外還可以附加地測量流動(dòng)的介質(zhì)的密度。此外，如在開頭提及的US-A 60 06 609或US-A 55 31 126中所示，也可以實(shí)現(xiàn)借助提到類型的測量變換器直接測量穿流的介質(zhì)的粘度，例如以對于也通過介質(zhì)阻尼的值得一提的有效振蕩的激勵(lì)或維持所必需的激勵(lì)功率為基礎(chǔ)。
[0006]如尤其也在US-A 2005/0139015、US-A 2003/0131669、US-B 70 77 014、US-B 6840 109,US-B 65 16 674,US-A 60 82 202,US-A 60 06 609,US-A 55 31 126,US-A 53 81697,US-A 52 87 754或WO-A 00/02020中所示，提到類型的測量變換器完全可以僅借助一個(gè)唯一的測量管以如下方式形成，即，例如也與在US-A 46 55 089中所示的測量變換器不同，相應(yīng)的測量變換器除了該測量管之外不具有(另外的)管，其設(shè)置成用于在內(nèi)腔中引導(dǎo)流動(dòng)的介質(zhì)并且在此期間圍繞靜態(tài)的靜止位置振蕩。如在開頭提及的US-B 70 77 014中所示，在具有唯一的點(diǎn)對稱的測量管的測量變換器中，尤其也可以主動(dòng)激勵(lì)出這樣的振蕩模式作為有效模式，也就是可以選擇如下這樣的振蕩作為有效振蕩，其中，測量管分別具有四個(gè)振蕩波節(jié)，也就是正好三個(gè)振蕩波腹，其中，至少在理想地均勻成形的測量管中，具有均一的壁厚和均一的橫截面，也就是具有均勻的理想地均一的堅(jiān)固性分布和質(zhì)量分布，即，四個(gè)振蕩波節(jié)在測量變換器的至少一個(gè)虛擬的投影平面中位于將輸入側(cè)的管端部和輸出側(cè)的管端部彼此假想連接的虛擬的振蕩軸線上，或測量變換器固有這樣的假象的投影平面。在具有筆直的測量管的測量變換器中，該投影平面實(shí)際上相應(yīng)于假想沿縱向?qū)y量管切成兩個(gè)半體的截面，也就是該測量管的代表有效振蕩的虛擬的彎曲線與該投影平面共面。
[0007]例如也為了避免或最小化不期望的尤其也依賴于要測量的介質(zhì)的密度的橫向力或隨之發(fā)生的對測量效果的干擾，這種僅具有唯一的測量管的，也就是僅具有唯一的穿流的管的測量變換器通常除了前面提及的外承載元件之外還配備有另一內(nèi)承載元件，該測量變換器大多具有0.5mm至10mm之間的范圍內(nèi)的額定標(biāo)稱寬度，該內(nèi)承載元件以能振蕩的方式，即僅以輸入側(cè)承載端部和與其間隔開的輸出側(cè)承載端部固定在測量管上，也就是以其第一承載端部與外承載元件的第一承載端部機(jī)械聯(lián)接，或者說以其第二承載端部與外承載元件的第二承載端部機(jī)械聯(lián)接。在此，內(nèi)承載元件還以如下方式構(gòu)造和布置，即，使其與測量管以及也與外承載元件側(cè)向間隔開，并且不僅內(nèi)承載元件的輸入側(cè)承載端部而且還有內(nèi)承載元件的輸出側(cè)承載端部分別與外承載元件的兩個(gè)承載端部間隔開。在內(nèi)承載元件在測量管上的這種布置的情況下，測量管的管部段分別不僅在兩個(gè)承載元件的輸入側(cè)承載端部之間而且在兩個(gè)承載元件的輸出側(cè)承載端部之間延伸，該管部段是允許內(nèi)承載元件的各個(gè)從屬的承載端部相對于外承載元件的承載端部運(yùn)動(dòng)的，也就是分別作為彈簧元件在兩個(gè)承載元件之間作用的自由的，例如也是筆直的管部段。其結(jié)果是，測量變換器也固有大多具有與有效頻率不同的諧振頻率的振蕩模式，在該振蕩模式中，使全部內(nèi)承載元件相對于外承載元件以如下方式運(yùn)動(dòng)，即，也使內(nèi)承載元件的兩個(gè)承載端部相對于外承載元件的兩個(gè)承載端部運(yùn)動(dòng)。換而言之，僅具有唯一的測量管的傳統(tǒng)的測量變換器大多具有借助測量管和保持在其上的內(nèi)承載元件形成的內(nèi)部件，其例如也僅借助兩個(gè)自由的管部端保持在外承載元件中，更確切地說，以能夠?qū)崿F(xiàn)該內(nèi)部件相對于外承載元件振蕩的方式。大多由鋼，例如不銹鋼或易削鋼構(gòu)成的內(nèi)承載元件通常構(gòu)造為至少以區(qū)段形式包覆測量管的，例如也與其同軸的空心柱體，或如尤其在開頭提及的US-B 70 77 014、US-A 52 87 754中所示的那樣，例如也構(gòu)造為板、框架或盒，并且此外還具有大多比唯一的測量管的質(zhì)量更大的質(zhì)量。如尤其在開頭提及的US-A 55 31 126中所示的那樣，內(nèi)承載元件也可以借助平行于測量管延伸的，必要時(shí)關(guān)于材料和幾何形狀基本上也與其結(jié)構(gòu)相同的盲管形成。
[0008]此外，為了主動(dòng)激勵(lì)出有效振蕩，振動(dòng)型測量變換器具有至少一個(gè)在運(yùn)行中由提及的驅(qū)動(dòng)電子器件生成且相應(yīng)地調(diào)制的、即具有相應(yīng)于有效頻率的信號頻率的電驅(qū)動(dòng)信號，例如利用能以調(diào)節(jié)的電流驅(qū)控的、大多作用在測量管的中心的機(jī)電振蕩激勵(lì)器。通常按照振蕩線圈的類型構(gòu)建的，也就是電動(dòng)力的振蕩激勵(lì)器大多具有在外部固定在測量管上的，即測量管的在運(yùn)行中不與要測量的介質(zhì)接觸的側(cè)上的，例如安裝在其管壁上的且借助棒形永磁體形成的第一激勵(lì)器組件以及與其相對置地放置的與該第一激勵(lì)器組件相互作用的第二激勵(lì)器組件，并且該振蕩激勵(lì)器用于將借助驅(qū)動(dòng)信號供給的電功率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械功率，并且由此生成引起測量管的有效振蕩的激勵(lì)力。在上述僅具有唯一的管的測量變換器中，大多借助螺線管形成的、也就是與電聯(lián)接線路連接的該第二激勵(lì)器組件通常安裝在提及的內(nèi)承載元件上，從而使振蕩激勵(lì)器差動(dòng)地(differentiell)作用到承載元件和測量管上，因此內(nèi)承載元件在運(yùn)行中可以實(shí)施如下振蕩，這些振蕩相對于測量管正好相反地，也就是頻率相同但相位相反地構(gòu)造。如尤其在開頭提及的US-A 55 31 126中提出的那樣，在傳統(tǒng)的振動(dòng)型測量變換器中，振蕩激勵(lì)器也可以按照如下方式構(gòu)造，即，使其差動(dòng)地作用到內(nèi)和外承載元件上，也就是間接地激勵(lì)出測量管的有效振蕩。
[0009]為了檢測測量管的輸入側(cè)振蕩和輸出側(cè)振蕩，尤其是具有有效頻率的振蕩，提到類型的測量變換器還具有兩個(gè)大多結(jié)構(gòu)相同，通常也按照與振蕩激勵(lì)器相同的作用原理工作的振蕩傳感器，其中，輸入側(cè)振蕩傳感器放置在振蕩激勵(lì)器與測量管的輸入側(cè)管端部之間，而輸出側(cè)振蕩傳感器放置在振蕩激勵(lì)器與測量管的輸出側(cè)管端部之間。其中每個(gè)例如電動(dòng)力的振蕩傳感器用于將測量管的振蕩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成代表測量管的振蕩運(yùn)動(dòng)的振蕩信號，其例如是具有依賴于有效頻率或振蕩運(yùn)動(dòng)的振幅的測量電壓。為此，其中每個(gè)振蕩傳感器具有在外部固定在測量管上的，例如與其管壁材料鎖合地(stoffschlUssig)連接和/或借助永磁體形成的第一傳感器組件以及與其相對置的與該第一傳感器組件相互作用的第二傳感器組件。在上述僅具有唯一的管的測量變換器中，大多借助螺線管形成的，也就是與電聯(lián)接線路連接的該第二傳感器組件通常以如下方式安裝在提及的內(nèi)承載元件上，即，使其中每個(gè)振蕩傳感器分別差動(dòng)地檢測測量管相對于第二承載元件的運(yùn)動(dòng)。
[0010]在提到類型的測量變換器中，如尤其也在US-A 60 47 457或US-A 2003/0084559中提及的那樣，還常見的是，固定在測量管上的激勵(lì)器組件或傳感器組件分別保持在額外為此安裝到相應(yīng)的測量管上的環(huán)狀或環(huán)盤狀的金屬緊固元件上，其基本上沿著虛擬的圓形的圓周線分別牢固地圍緊測量管。相應(yīng)的緊固元件例如可以材料鎖合地、例如通過釬焊和/或力鎖合地(kraftschlUssig)、例如通過從外部的壓緊、通過測量管內(nèi)部的液壓擠壓或乳制或者通過熱縮套裝固定在測量管上，例如也可以按如下方式，即，使該緊固元件持續(xù)承受彈性變形或混合式塑性彈性變形，并且因此關(guān)于測量管永久地在徑向上預(yù)緊。
[0011]除了用于使這樣