科里奥利质量流量计

摘要

本发明提供了一种科里奥利质量流量计，包括一根可绕一个旋转轴旋转的测量管和一对振动传感器，测量管由金属玻璃制成，该测量管具有：一段与旋转轴同轴供被测流体流入的进口直管，一段与旋转轴同轴供被测流体流出的出口直管，和一段位于进口直管和出口直管之间且与两者相通的弧形弯管；振动传感器设置在测量管的弧形弯管两端。本发明的质量流量计灵敏度高，能够用于测量流量很小或是流量调节范围很大的质量流量。

权利要求

1.一种科里奥利质量流量计，包括一根可绕一个旋转轴旋转的测量管和一对振动传感器，其特征在于：所述的测量管由金属玻璃制成，该测量管具有：一段供被测流体流入、与所述旋转轴同轴的进口直管，一段供被测流体流出、与所述旋转轴同轴的出口直管，和一段位于所述的进口直管和所述的出口直管之间且与两者相通的弧形弯管；所述的一对振动传感器沿测量管径向对称布置，并设置在所述测量管的所述弧形弯管两端。

2.如权利要求1所述的科里奥利流量计，其中，还包括一根弧形杆，该弧形杆与所述的测量管的弧形弯管沿所述的旋转轴在同一平面内轴向对称，且该弧形杆的两端分别与所述的测量管固定在两个支撑块上。

3.如权利要求2所述的科里奥利流量计，其中，一个马达带动所述的测量管绕所述的旋转轴转动，所述马达的转子夹持所述的测量管的进口直管或出口直管，所述马达的定子固定在该流量计的壳体上。

4.如权利要求3所述的科里奥利流量计，其中，该流量计的壳体分别通过轴承在所述的测量管被测流体的入口端和被测流体的出口端处支承所述的测量管。

5.如权利要求1所述的科里奥利流量计，其中，制造所述测量管的金属玻璃为锆基金属玻璃。

说明书

科里奥利质量流量计

技术领域

[0001] 本发明涉及一种流量计，用于测量流体的质量流量，具体说，涉及一种具有很高灵敏度的科里奥利流量计，它可以测量流量极小的质量流量，或是在流量调节范围很大的情况下测量流量。

背景技术

[0002] 在制药、食品等工业领域中，确定管道中的流量对工艺过程的监测、控制和生产是非常重要的。管道中的质量流量通常用流量计进行测量，目前常用于封闭管道系统中的流量计可分为电磁流量计、超声波流量计、矩阵流量计和科里奥利流量计。

[0003] 与其他流量计相比，科里奥利流量计有很多优点。首先，它能用直接的方法非常准确地测量质量流量，而其他类型的流量计只能测量体积流量，需要进行额外的计算转为质量流量。另外，科里奥利流量计可以用于几乎各种流体的测量，如液体、气体、浆液及混合相的流体。最后，科里奥利流量计的测量原理与流体的物理性能无关，它不会受到流体的压力、密度及温度变化的影响。因此，科里奥利流量计在各个领域有着广泛的用途。

[0004] 通常的科里奥利流量计包括一个用于测量流体的测量管和一个用于振动测量管的驱动头，其振动频率为测量管的谐振频率。当测量管振动时，流体的质量击打测量管的管壁，产生科里奥利力，导致测量管发生弹性变形。多个测量管的运动可将变形放大，以便计算出科里奥利力，从而测定出流体的质量流量。

[0005] 这种科里奥利流量计的一个问题是测量的灵敏度无法明显改善，大多数测量管由不锈钢或哈氏合金制造，这些金属的弹性有限，所以测量的灵敏度很难进一步提高。此外，测量管的形状通常为U形或S形，这样的形状虽可以加大科里奥利力在测量管上产生的弹性变形，但也易于在流体流动到焊接的弯管或分流处产生压力损失，导致测量精度降低。在这种流量计中，测量管形状设计时综合考虑测量的灵敏度和精度是非常困难的。

[0006] 目前科里奥利流量计的另一个问题是对测量管振动的设计。测量管作为一种流体的承载件，在受到振动的时候会产生弯曲，这意味着，测量管要有足够的厚度和强度，以承受流体压力和测量管材料的疲劳。而另一方面，测量管是通过弹性变形来进行测量的，因此测量管的管壁要尽可能薄，这样才能在科里奥利力的作用下产生明显的变形。显然，这两个相互矛盾的要求也限制了测量灵敏度的提高。

[0007] 由于存在上述问题，目前的科里奥利流量计不适用于如下场合：

[0008] 测量在石化工业中调节范围很大(即最大流量与最小流量之比＞2000∶1)的气体流量，管道中的气体流量可在4克/分钟至8千克/分钟之间变化；

[0009] 测量流量非常低(流量＜50克/分钟)的液体和气体的质量流量，如：半导体工业的化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)，制药工业中的产品研发和试验室分析。

[0010] 作为科里奥利流量计的核心部件，测量管对流量计的性能起着决定性的作用。近年来，人们一直努力试图设计出不同形状的测量管，以提高流量计的性能。

[0011] US 6684716 B2中公开了一种科里奥利流量计，图1所示为此类流量计的一种典型结构。该流量计包括一个直的测量管71和平行地位于直管两侧的两个直杆72a和72b，被测流体流过测量管71，测量管71和直杆72a由振动产生器73a带动振动，另一个振动产生器73b在另一侧带动测量管71和直杆72b振动，测量管71和直杆72a和72b的振动频率相同。测量管71的端部和两根直杆的端部72a和72b固定在共同的支撑块74a和74b上。在沿直管方向的两侧设有振动传感器75a和75b，用以检测测量管71的变形量。

[0012] 尽管这种结构简单、紧凑且坚固，但这种直管的科里奥利流量计的测量灵敏度不高。在谐振的状态下，测量管只能产生很小的弯曲，当流体流经直管时，在垂直于直管方向上产生的科里奥利力很小，测量管的变形也就很小，因此需要优化测量管的结构，以加大测量管的变形的幅度。

[0013] US 2007/0034019 A1公开了另一种类型的科里奥利流量计，如图2所示，它有一个弯曲的测量管81，电磁激励线圈83固定在U形测量管81前端中心82的下方，用以带动测量管作微小的振动。如图2所示，流体从左侧流入，从右侧流出，在两侧产生相反的科里奥利力，扭动U形测量管。在拐弯处，聚集了流体的力，所以测量管的振动得以放大，左右设置的两个测量线圈84测量由此产生的变形。

[0014] 上述现有的科里奥利流量计都是基于测量管的振动而设计的，为了满足承受流体压力的要求，测量管需要有足够的强度，因此不宜造得太薄，但这又影响了测量灵敏度的提高。为解决测量管振动的设计问题，US 5728951 A提出了一种旋转型的科里奥利流量计，如图3所示，其上具有一个相位测量转子系统，该系统带有一个外转子91、一个同轴内转子92(也称科氏转子)和一个弹性扭转杆93，弹性扭转杆93与外转子91和内转子92相连。
测量外转子91和科氏转子92间的转动位移，即可决定流过流量的质量流率。但是，这种流量计测量管的结构复杂，流体分流器的设计也会导致流体的压力损失，进而引起测量误差。

发明内容

[0015] 因此，本发明旨在提供一种能克服上述缺点科里奥利质量流量计，具体来说就是提供一种灵敏度高的科里奥利流量计。

[0016] 本发明的另一个目的提供一种能够减少外界的对测量精度产生影响且经久耐用的科里奥利流量计。

[0017] 为实现上述目的，本发明提供了一种科里奥利质量流量计，包括一根可绕一个旋转轴旋转的测量管和一对振动传感器，测量管由金属玻璃制成，该测量管具有：一段与旋转轴同轴供被测流体流入的进口直管，一段与旋转轴同轴供被测流体流出的出口直管，和一段位于进口直管和出口直管之间且与两者相通的弧形弯管；振动传感器设置在测量管的弧形弯管两端。

[0018] 根据本发明的再一种科里奥利流量计，其中，还包括一根弧形杆，该弧形杆与测量管的弧形弯管沿旋转轴在同一平面内轴向对称，该弧形杆的两端分别与测量管固定在两个支撑块上。

[0019] 根据本发明的另一种科里奥利流量计，其中，一个马达带动测量管绕旋转轴转动，马达的转子在被测流体入口端或被测流体的出口端处夹持测量管的进口直管或出口直管，马达的定子固定在流量计的壳体上。

[0020] 根据本发明的又一种科里奥利流量计，其中，该流量计的壳体分别通过轴承在测量管的被测流体入口端和被测流体的出口端处支承测量管。

[0021] 根据本发明的又一种科里奥利流量计，其中，制造测量管的金属玻璃为锆(Zr)基金属玻璃。

[0022] 在本发明的科里奥利流量计的测量管由金属玻璃制造，由于金属玻璃强度高、弹性大，具有很好的机械性能，因此可以制造出比现有的不锈钢或哈氏合金性能更好的测量管。另外，由于测量管还带有一段弧形弯管，流体流过弧形弯管时可以产生较大的科里奥利力，径向对称设置的两个振动传感器可以加大测量管上测出的变量幅度，所以这种本发明的流量计具有很高的测量灵敏度。

[0023] 另外由于本发明金属玻璃的测量管无需焊接，因此也消除了由焊接而产生的测量管压力损失，保证了测量精度。

[0024] 为了进一步提高测量精度，在本发明的一个实施例中还提供了一个能对测量管起到平衡作用的弧形杆，这样可以减少测量管转动时受到的外部振动。

[0025] 在本发明中，旋转马达的定子固定在流量计的壳体上，而转子夹住测量管直管部分，可消除测量管受到的弯曲和扭曲，又大大降低了金属玻璃测量管断裂的可能性，提高了使用的流量计使用的可靠性。

附图说明

[0026] 以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

[0027] 图1是现有的一种带有直管的科里奥利流量计的结构示意图；

[0028] 图2是现有的一种带有U形管的科里奥利流量计的立体示意图；

[0029] 图3是现有的一种旋转型科里奥利流量计的结构示意图；

[0030] 图4是本发明的科里奥利流量计中的一种旋转测量管的示意图；

[0031] 图5是本发明的一种科里奥利流量计的结构示意图；

[0032] 图6是钢材、钛合金、木材、聚合物和金属玻璃的机械性能分布图；

[0033] 图7表示了沿本发明图4所示的测量管长度方向，因科里奥利力而产生的变形的分布曲线；

[0034] 图8显示了金属玻璃测量管和不锈钢测量管测量流量时灵敏度的差异。

具体实施方式

[0035] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

[0036] 图4显示了本发明采用旋转测量管的科里奥利流量计的工作原理。如图4所示，测量管1包括一段进口直管11、一段出口直管12和一段弧形弯管13。一股质量为m的流体以速度V从进口直管11的入口端流入、从出口直管12的出口端流出。测量管1绕一个由直管11和12确定的旋转轴(也可参见图5中虚线所示旋转轴)以恒定的角速度ω顺时针旋转。当这股流体处于测量管1的进口直管11或出口直管12时，由于流体的运动方向与旋转轴同向，所以不会产生科里奥利力。而当这股流体在测量管1的弧形弯管13中(例如位置15处)流动时，流体的速度V可以分解为一个平行于旋转轴的速度分量Vx和一个垂直旋转轴方向且向外的速度分量Vy。此时，流体具有一个使其偏离旋转轴的加速度，在这个加速度的作用下，弧形弯管13的壁面上就受到了一个科里奥利力Fc的作用，这个力可以由方程(1)得出：

[0037] Fc＝mAc (1)

[0038] 其中：

[0039] Fc表示作用在测量管上的科里奥利力，

[0040] m表示这股流体的质量，

[0041] Ac表示科里奥利加速度。

[0042] 根据物理学的定律，科里奥利加速度Ac可以表示为：

[0043] Ac＝2(ω×Vy) (2)

[0044] 其中：

[0045] ω表示测量管的旋转角速度，

[0046] Vy表示流体速度V在垂直于旋转轴方向上的速度分量。

[0047] 假设在位置15处测量管的倾斜角为θ，则：

[0048] Vy＝V ×cosθ (3)

[0049] 将方程(2)和方程(3)代入方程(1)后，即可得出在位置15处的科里奥利力为：

[0050] Fc＝2×m×(ω×V×cosθ) (4)

[0051] 从方程(4)可以算出图4所示的科里奥利力Fc，该力与流体的质量m成正比，与这些质量的流体通过测量管1的速度V成正比，与测量管1的旋转角速度ω成正比。根据这一原理，在与位置15相对称的位置16处，科里奥利力Fc的大小相等，方向相反。在这两个力的共同作用下，测量管1产生变形，在位置15和位置16位设置两个振动传感器即可测出由此科里奥利力而产生的变形的幅度，进而确定流体的质量流量。

[0052] 图5所示为采用上述原理的一种本发明的科里奥利流量计的具体应用实施例。如图所示，本实施例的流量计的测量管1包括一段进口直管11、一段出口直管12和一段位于这两个直管部分之间的弧形弯管13，被测流体从进口直管11的入口端流入，经过弧形弯管13，最后从出口直管12的出口端流出。测量管1的流体进口端或流体出口端上装有一个旋转马达3，在图5所示的示例中，旋转马达安装在流体出口一端。旋转马达3包括一个转子
31和一个定子32，定子32固定在流量计的壳体5上，转子31夹住测量管1直管的管壁，从而带动测量管1以一定以角速度旋转。流量计的壳体5可以分别通过轴承支承测量管1，如图所示，该轴承可以设置在测量管1被测流体的入口端和被测流体的出口端处。

[0053] 在图5所示的流量计中还带有一根弧形杆7，弧形杆7与测量杆1的弧形部分13沿转动轴在同一平面内呈轴向对称，以平衡测量管1弧形弯管13转动时受到的力。弧形杆2的两端和测量杆1分别由支撑块41、42支撑，以保证旋转更加平稳。

[0054] 当流体流过旋转的测量管1时，测量管1的弧形弯管13中的流体产生科里奥利力，使测量管发生变形。测量管1弧形部分13的两端分别装有振动传感器14a和14b，这两个传感器沿测量管径向对称布置，测量管壁变形的振幅。

[0055] 在产生同样科里奥利力的情况下，测量管弹性变形的幅度越大，流量计的测量灵敏度越高，从图6所示的各种不同材料的机构性能分布图可以明显看出，金属玻璃便具有这样优异的机械性能，它强度高、弹性大。在本发明中，测量管1由金属玻璃制造，这种由金属玻璃制造的科里奥利管能在很大的流量调节范围内和极低的流量的情况下测量流体的质量流量。

[0056] 根据本发明一个实施例，带有弧形弯管的测量管由Zr基金属玻璃制造。与使用不锈钢制成的测量管相比，金属玻璃具有更高的强度和更大的弹性。例如：Zr基金属玻璃管的受拉屈服强度是不锈钢管的1.6倍，Zr基金属玻璃管的杨氏模量是不锈钢的五分之二，Zr基金属玻璃管的厚度可以仅有不锈钢管厚度的四分之一。而且Zr基金属玻璃管对氯气和液态氯化物等的耐化学腐蚀性也非常强。

[0057] 在发明中，旋转马达的定子32固定在流量计的壳体5上，而转子31夹住了测量管1的直管部分，消除了测量管1受到的弯曲和扭曲，大大降低了金属玻璃测量管断裂的可能性。

[0058] 图7表示了在科里奥利力的作用下，测量管1沿x轴方向(即图4中的x轴方向)的变形分布图。从图中可以看出，在测量管1的不同位置上因科里奥利力而产生的变形有所不同，但在弧形弯管13上，测量管1的变形量有了明显的增加。为了提高测量的灵敏度，振动传感器要设置在能够产生最大变形量的位置处，即靠近弧形弯管的两个端部。振动传感器可采用压电元件。

[0059] 图8对用玻璃金属和不锈钢制作测量管时测量灵敏度进行了比较，其中实线部分表示本发明的金属玻璃测量管，虚线部分表示不锈钢测量管。科里奥利质量流量计主要是通过测量管的弹性变形量的幅度δ来确定流体的质量流量，变形幅度δ越大，则测量计越灵敏。变形幅度可由方程(5)计算得出：

[0060] δ＝4FcL3/3πE(d24-d14) (5)

[0061] 其中：

[0062] Fc表示科里奥利力，

[0063] E表示杨氏模量，

[0064] d1表示测量管的内径，

[0065] d2表示测量管的外径，

[0066] L表示测量管的长度。

[0067] 在实际使用中，由于测量管的长度受测量计体积的限制，振动幅度δ主要受测量管的壁厚和杨氏模量的影响。也就是说，流量计中测量管所用的材料越薄、杨氏模量越小，则流量计的测量灵敏度越高。目前金属玻璃测量管的杨氏模量大约是不锈钢测量管的五分之二，本发明的测量管的厚度是不锈钢管厚度的四分之一，根据方程(5)的计算，金属玻璃测量管的测量灵敏度能达到不锈钢管的30倍以上。

[0068] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。