專利名稱：三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及至少具有一根流通管的科里奧利流量計(jì)，更具體地說，涉及一種流通管大致呈T字形形成并以三次模式彎曲振動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的三次模式(tertiary mode)振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)。
背景技術(shù)：
科里奧利流量計(jì)是利用這樣一種原理的質(zhì)量流量計(jì)，即，當(dāng)對(duì)被測(cè)流體所從中流通的流管的一端或兩端進(jìn)行支撐并圍繞該支撐點(diǎn)在與流管的流動(dòng)方向相垂直的方向上施加振動(dòng)時(shí)，作用在流管(將應(yīng)對(duì)其施加振動(dòng)的流管稱作流通管)上的科氏力與質(zhì)量流量成比例?？评飱W利流量計(jì)是公知技術(shù)，科里奧利流量計(jì)中的流通管的形狀分為直管式和彎管式兩大類。
作為直管式科里奧利流量計(jì)，當(dāng)對(duì)兩端得到支撐的直管的正中部位施加與直管軸線相垂直的方向的振動(dòng)時(shí)，在直管的支撐部和正中部位之間可得到在科氏力作用下產(chǎn)生的直管的位移差、即相位差信號(hào)，根據(jù)該相位差信號(hào)對(duì)質(zhì)量流量進(jìn)行檢測(cè)。這種直管式科里奧利流量計(jì)具有簡(jiǎn)單、緊湊且牢固的構(gòu)造。但是，同時(shí)也存在無法得到高的檢測(cè)靈敏度的問題。
相對(duì)于此，作為彎管式科里奧利流量計(jì)，在能夠?qū)χ荚谟行〕隹剖狭Φ男螤钸M(jìn)行選擇這一點(diǎn)上，要比直管式科里奧利流量計(jì)優(yōu)越，在實(shí)際當(dāng)中，能夠高靈敏度地進(jìn)行質(zhì)量流量的檢測(cè)。而關(guān)于彎管式科里奧利流量計(jì)，具有一根流通管的(例如可參照特公平4-55250號(hào)公報(bào))、具有并列的兩根流通管的(例如可參照特許第2939242號(hào)公報(bào))、以及具有一根呈閉環(huán)狀的流通管的(例如可參照特許第2951651號(hào)公報(bào))已經(jīng)公知。
對(duì)于科里奧利流量計(jì)來說，不使流體通路分支而以單一的流體通路構(gòu)成流通管是解決小口徑傳感器堵塞問題的最好方法。此外，在對(duì)具有壓縮性的流體或密度和粘度不同的不連續(xù)的流體進(jìn)行計(jì)量時(shí)，若流體通路分支則無法穩(wěn)定分流，從這一點(diǎn)來說，流通管也最好由單一的流體通路構(gòu)成。另外，使流通管只在同一平面內(nèi)形成，可使得形狀和結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，因而流通管的制作非常容易，在要求以低成本實(shí)現(xiàn)形狀的再現(xiàn)性的場(chǎng)合非常有用。
但是，現(xiàn)有的由單一的流體通路構(gòu)成的科里奧利流量計(jì)并未做成彼此相向而使振動(dòng)相互抵消的結(jié)構(gòu)，因此，在使流通管以單次模式振動(dòng)或偶數(shù)模式振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)的場(chǎng)合，振動(dòng)會(huì)從固定端向質(zhì)量流量計(jì)的外部泄漏，曾出現(xiàn)過因配管條件改變而發(fā)生零點(diǎn)漂移和量程改變的現(xiàn)象。而且，即便是為了減輕振動(dòng)泄漏而使用了平衡器的振動(dòng)系，振動(dòng)的泄漏也會(huì)隨著密度的變化而變化，儀表誤差增大。
為了減輕振動(dòng)的泄漏，如上所述通常要使用平衡器，而利用單一管的彎曲振動(dòng)的科里奧利流量計(jì)無法避免平衡器方式所存在的受密度、溫度、振動(dòng)等影響的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況而提出的，其目的是提供一種能夠減輕振動(dòng)的泄漏的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，技術(shù)方案1所記載的本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)是一種具有至少一根流通管、對(duì)該流通管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置、對(duì)與作用在所述流通管上的科氏力成比例的相位差進(jìn)行檢測(cè)的一對(duì)振動(dòng)檢測(cè)傳感器的科里奧利流量計(jì)，其特征是，所述驅(qū)動(dòng)裝置以三次模式彎曲振動(dòng)對(duì)所述流通管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述流通管具有大致呈閉環(huán)形狀的本體部，在該本體部的兩個(gè)端部上，有相對(duì)于該兩個(gè)端部的振動(dòng)方向向大致垂直的方向且所述兩個(gè)端部的外側(cè)轉(zhuǎn)向的一對(duì)平行的腿部與之相連，該腿部上形成有對(duì)所述流通管進(jìn)行支撐的固定端部。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，技術(shù)方案2所記載的本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的特征是在技術(shù)方案1所記載的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)中，所述腿部的各固定端部配置在同一平面內(nèi)的相接近的位置上。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，權(quán)利要求3所記載的本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的特征是在技術(shù)方案1或技術(shù)方案2所記載的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)中，若設(shè)所述本體部的寬度為W、所述本體部的高度為H、所述腿部的高度為h t、作為所述固定端部的間隔的固定端寬度為w、所述本體部的高度H與所述本體部的寬度W二者之比為H/W、所述固定端寬度w與所述本體部的寬度W二者之比為w/W、所述腿部的高度h t與所述本體部的高度H二者之比為ht/H，則滿足(1)0.03＜H/W＜1、(2)0.005＜w/W＜0.48、(3)0＜h t/H＜2.75的條件。
根據(jù)具有上述特征的本發(fā)明，流通管大致呈T字形形成，并且對(duì)該流通管以振動(dòng)可在能量消耗最少的狀態(tài)下保持穩(wěn)定的三次模式的彎曲振動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此，能夠使流通管本體部的兩個(gè)端部上的彎曲振動(dòng)在與該兩個(gè)端部相連的腿部上轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此外，根據(jù)本發(fā)明，可在平行排列的腿部上產(chǎn)生方向彼此相反的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以此使振動(dòng)泄漏大致相互抵消。腿部的兩個(gè)固定端部位于同一平面內(nèi)的相接近的位置上，可使得振動(dòng)泄漏更好地相互抵消。再有，根據(jù)本發(fā)明，以滿足既定條件的形狀制成流通管，因而能夠謀求振動(dòng)泄漏的減輕。
以三次模式方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，作為科氏力會(huì)產(chǎn)生四次模式的科氏力，而作為流通管，因需要兼顧的總體剛性，因而將產(chǎn)生二次模式的(扭轉(zhuǎn)振動(dòng))動(dòng)作。要想使其對(duì)于二次模式的(扭轉(zhuǎn)振動(dòng))動(dòng)作的剛性降低，必須減小上、下游固定端之間的距離，而且必須使彎曲剛性降低(起到像自由旋轉(zhuǎn)支撐端那樣的作用)。由此，科氏力的檢測(cè)靈敏度可得到提高。
若從振動(dòng)泄漏的角度對(duì)三次模式彎曲振動(dòng)進(jìn)行分析，要想在流通管的端部使彎曲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最好是使流通管向90°轉(zhuǎn)向。要想高效率減小剩下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最好是使旋轉(zhuǎn)方向相反而平行的旋轉(zhuǎn)軸盡可能接近，其固定端以存在于同一平面上為宜。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，具有減輕振動(dòng)泄漏的效果。此外，具有可使主要起因是配管條件的改變的零點(diǎn)漂移和量程的改變達(dá)到最小的效果。再有，根據(jù)本發(fā)明，具有可提供更好的科里奧利流量計(jì)的效果。


圖1是展示本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的一個(gè)實(shí)施方式的附圖，(a)是外殼的主視圖，(b)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)概略圖。
圖2是涉及三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的傳感器單元、信號(hào)運(yùn)算處理單元、以及激振回路單元的框圖。
圖3是系統(tǒng)展示以三次模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的科里奧利流量計(jì)的分類的附圖(直管形三次模式)。
圖4是系統(tǒng)展示以三次模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的科里奧利流量計(jì)的分類的附圖(U字形三次模式)。
圖5是系統(tǒng)展示以三次模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的科里奧利流量計(jì)的分類的附圖(閉環(huán)形三次模式)。
圖6是展示由圖4(b)派生的形狀例的附圖。
圖7是展示由圖4(c)派生的形狀例的附圖。
圖8是展示由圖5(b)派生的形狀例的附圖。
圖9是展示由圖5(c)派生的形狀例的附圖。
圖10是用來對(duì)幾何學(xué)條件進(jìn)行定義的說明圖。
圖11是涉及管子直徑的說明圖。
圖12是為了展示最佳幾何學(xué)條件的概念系統(tǒng)圖。
圖13是縱橫比H/W的概念說明圖。
圖14是展示FEM解析結(jié)果的曲線圖。
圖15是展示FEM解析結(jié)果的圖(h t/H＝0.50～1.25)。
圖16是展示FEM解析結(jié)果的圖(h t/H＝1.50～2.25)。
圖17是展示FEM解析結(jié)果的圖(h t/H＝2.50～3.00)。
圖18是展示FEM解析結(jié)果的圖(h t/H＝4.00～5.00)。
圖19是對(duì)由FEM解析結(jié)果得到的位移量以及角位移量的結(jié)果進(jìn)行展示的曲線圖。
圖20是將三次模式振動(dòng)產(chǎn)生最大位移時(shí)的動(dòng)態(tài)反映在一根單管上的概念圖。
具體實(shí)施例方式
下面，就本發(fā)明的實(shí)施方式結(jié)合附圖進(jìn)行說明。
圖1示出本發(fā)明所涉及的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的第1實(shí)施方式。
圖1是展示本發(fā)明所涉及的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的一個(gè)實(shí)施方式的附圖，(a)是三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的外殼的主視圖，(b)是三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)概略圖。此外，圖2是展示三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)的傳感器單元、信號(hào)運(yùn)算處理單元、以及激振回路單元的關(guān)系的框圖。
在圖1和圖2中，本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1具有外殼2、被容納在該外殼2內(nèi)的一根流通管3、驅(qū)動(dòng)裝置4、具有一對(duì)振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5和溫度傳感器6的傳感器單元7、依據(jù)來自傳感器單元7的信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量流量等的運(yùn)算處理的信號(hào)運(yùn)算處理單元8、用來對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置4進(jìn)行勵(lì)振的激振回路單元9。下面，對(duì)上述各構(gòu)成部分進(jìn)行說明。
上述外殼2對(duì)于彎曲和扭轉(zhuǎn)具有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。此外，外殼2以能夠容納流通管3、以及相對(duì)于形成該流通管3自身的面平行地配置的靜止部件10的大小形成。再有，外殼2以能夠?qū)α魍ü?等流量計(jì)的重要部分進(jìn)行保護(hù)而形成。在這種外殼2的內(nèi)部填充了氬氣等惰性氣體。惰性氣體的填充可防止流通管3等部件上形成結(jié)露。本實(shí)施方式的外殼2以與流通管3的形狀相符的外觀形狀形成(作為一個(gè)例子)。
平行配置上述流通管3的靜止部件10呈平板狀形成，其局部被固定在外殼2上。在該靜止部件10上，以適當(dāng)機(jī)構(gòu)安裝有用來對(duì)流通管3的流入口端和流出口端進(jìn)行支撐和固定的支撐部11。
上述流通管3具有大致呈閉環(huán)形狀(大致為長(zhǎng)圓形形狀)的本體部12、與該本體部12的兩個(gè)端部13、13相連的一對(duì)平行的腿部14、14，從俯視角度看過去呈T字形形成(做成T字形形狀的理由在后面說明)。腿部14、14是以相對(duì)于兩個(gè)端部13、13的振動(dòng)方向向大致垂直的方向且向兩個(gè)端部13、13的外側(cè)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)進(jìn)行連接的。編號(hào)15代表與兩個(gè)端部13、13相連的1/4圓弧的終端頸部。這種腿部14、14具有對(duì)流通管3本身進(jìn)行支撐的固定端部16、16。兩個(gè)固定端部16、16配置在同一平面內(nèi)的相接近的位置上。
流入上述流通管3的某一腿部14的被檢測(cè)流體流經(jīng)本體部12從另一腿部14流出。流通管3的材質(zhì)使用的是不銹鋼、耐蝕耐熱鎳基合金、鈦合金等本技術(shù)領(lǐng)域中所通常使用的材質(zhì)。
構(gòu)成上述傳感器單元7的上述驅(qū)動(dòng)裝置4用于使流通管3以三次模式的彎曲振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)，以具有線圈(其編號(hào)省略)和磁鐵(其編號(hào)省略)而構(gòu)成。這種驅(qū)動(dòng)裝置4順著流通管3的中心線S1配置。換言之，驅(qū)動(dòng)裝置4配置在本體部12的正中以位于三次模式振動(dòng)所產(chǎn)生的三個(gè)波腹之中的中間那個(gè)波腹的范圍內(nèi)。
上述驅(qū)動(dòng)裝置4的上述線圈安裝在靜止部件10上。此外，雖未特意圖示，但從上述線圈上引出了導(dǎo)線或FPC(柔性印刷線路)。驅(qū)動(dòng)裝置4的上述磁鐵是用專用的安裝用具安裝在流通管3上的。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置4產(chǎn)生吸引作用時(shí)上述磁鐵插入上述線圈中，其結(jié)果，流通管3將相對(duì)于靜止部件10與之靠近。相對(duì)于此，當(dāng)產(chǎn)生排斥作用時(shí)，流通管3將相對(duì)于靜止部件10與之遠(yuǎn)離。驅(qū)動(dòng)裝置4以能夠在垂直于圖1的紙面的方向上交替改變作用方向?qū)α魍ü?進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而構(gòu)成。
構(gòu)成上述傳感器單元7的上述振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5是對(duì)流通管3的振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)與作用在流通管3上的科氏力成比例的相位差進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，各自以具有線圈(其編號(hào)省略)和磁鐵(其編號(hào)省略)而構(gòu)成(但不限于此，只要是加速度傳感器、光學(xué)的機(jī)構(gòu)、靜電電容式傳感器、應(yīng)變式(壓電式)等對(duì)位移、速度、加速度之某一物理量進(jìn)行檢測(cè)的機(jī)構(gòu)即可)。
這樣構(gòu)成的振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5順著本體部12的長(zhǎng)度方向的中心線S2配置。振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5配置在上述中間波腹的兩個(gè)相鄰波腹的范圍內(nèi)的、能夠?qū)εc科氏力成比例的相位差進(jìn)行檢測(cè)的位置上。振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5配置在相對(duì)于使流通管3以三次模式振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的波節(jié)與之錯(cuò)開的位置上。
上述振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5的上述各線圈安裝在靜止部件10上。此外，雖未特意圖示，但從上述各線圈引出了導(dǎo)線或FPC(柔性印刷線路)。振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5的上述各磁鐵用專用的安裝用具安裝在流通管3上。
在本實(shí)施方式中，由于驅(qū)動(dòng)裝置4以及振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5的上述各線圈具有適度的重量，而且未圖示的導(dǎo)線或FPC(柔性印刷線路)的配線(圖中省略了配線系)也是必須有的，因此，是如上所述安裝在靜止部件10的既定位置上的。以此來盡可能減輕對(duì)流通管3的振動(dòng)的影響。
在本發(fā)明中，上述線圈和上述磁鐵的安裝也可以相反(將上述線圈安裝在流通管3上，將上述磁鐵安裝在靜止部件10上)。
雖未特意圖示，但在本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1的內(nèi)部設(shè)置有電路板等。此外，在該電路板上連接有向三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1的外部引出的成束導(dǎo)線。
構(gòu)成上述傳感器單元7的一部分的溫度傳感器6是為了對(duì)三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1進(jìn)行溫度補(bǔ)償用的，以適當(dāng)機(jī)構(gòu)安裝在流通管3上。具體地說，例如安裝在流入口端的、得到支撐部11、11支撐和固定的部分的附近，即固定端部16、16附近。此外，從溫度傳感器6上引出的未圖示的導(dǎo)線或FPC(柔性印刷線路)連接到未圖示的上述電路板上。
對(duì)上述信號(hào)運(yùn)算處理單元8進(jìn)行了必要的配線和連接，以能夠分別輸入來自某一振動(dòng)檢測(cè)傳感器5的與流通管3的變形有關(guān)的檢測(cè)信號(hào)DA、來自另一振動(dòng)檢測(cè)傳感器5的與流通管3的變形有關(guān)的檢測(cè)信號(hào)DB、以及來自溫度傳感器6的與流通管3的溫度有關(guān)的檢測(cè)信號(hào)DT。在這種信號(hào)運(yùn)算處理單元8中，能夠依據(jù)從傳感器單元7輸入的檢測(cè)信號(hào)DA、DB、DT進(jìn)行質(zhì)量流量Qm以及密度ρ的計(jì)算。此外，在信號(hào)運(yùn)算處理單元8中，能夠?qū)⑼ㄟ^運(yùn)算求得的質(zhì)量流量Qm和密度ρ向顯示器17輸出。
上述激振回路單元9具有平滑濾波單元20、比較單元21、目標(biāo)設(shè)定單元22、可變放大單元23、驅(qū)動(dòng)輸出單元24。此外，激振回路單元9在使流通管3以三次模式振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)構(gòu)成了正反饋閉環(huán)回路。平滑濾波單元20的配線使其能夠從某一振動(dòng)檢測(cè)傳感器5(或另一振動(dòng)檢測(cè)傳感器5)取出檢測(cè)信號(hào)DA。此外，平滑濾波單元20具有能夠?qū)λ斎氲臋z測(cè)信號(hào)DA進(jìn)行整流濾波并且輸出與其振幅成比例的直流電壓VA的功能。比較單元21具有能夠?qū)碜云交瑸V波單元20的直流電壓VA和目標(biāo)設(shè)定單元22輸出的目標(biāo)設(shè)定電壓Vm進(jìn)行比較、以及對(duì)可變放大單元23的放大倍數(shù)進(jìn)行控制將共振振動(dòng)的振幅控制至目標(biāo)設(shè)定電壓的功能。
雖然從上述平滑濾波單元20到驅(qū)動(dòng)輸出單元24的部分的構(gòu)成與現(xiàn)有的以正反饋閉環(huán)回路對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制的構(gòu)成相同，但在本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1中，為了獲得三次模式振動(dòng)，還能夠?qū)φ答侀]環(huán)回路的信號(hào)波形進(jìn)行倒相。即，在圖2的A部中，將來自驅(qū)動(dòng)輸出單元24的輸出線反向接線而使輸出波形倒相。在圖2的B部中，將輸入給激振回路單元9的檢測(cè)信號(hào)DA的信號(hào)線反向接線而使信號(hào)波形倒相。而在圖2的C部中，將來自可變放大單元23的配線反向連接而使放大波形倒相。另外，在圖2的A部中，將驅(qū)動(dòng)輸出單元24的輸出用倒相器倒相。在圖2的B部中，將輸入給激振回路單元9的檢測(cè)信號(hào)DA用倒相器倒相。而在圖2的C部中，將可變放大單元23的輸出用倒相器倒相(更具體地說，將驅(qū)動(dòng)裝置4以及振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5配置在前述位置上，并且，使得驅(qū)動(dòng)裝置4的位移極性和振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5的位移極性彼此成反相關(guān)系，并對(duì)激振回路單元9進(jìn)行轉(zhuǎn)換而使得在其正反饋閉環(huán)回路中成上述反相關(guān)系的各位移極性變成同相關(guān)系)。
在上述構(gòu)成中，當(dāng)被測(cè)流體流入流通管3的同時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置4工作而使得流通管3以三次模式彎曲振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，根據(jù)振動(dòng)檢測(cè)傳感器5、5處的科氏力產(chǎn)生的流通管振動(dòng)的相位差分，在信號(hào)運(yùn)算處理單元8計(jì)算出質(zhì)量流量Qm。在本實(shí)施方式中，還計(jì)算出密度ρ。
如以上結(jié)合圖1和圖2所述明的，本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1，其流通管3大致呈T字形形成，而且對(duì)于該流通管3以振動(dòng)可在能量消耗最少的狀態(tài)下穩(wěn)定的三次模式彎曲振動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此，能夠使流通管3的本體部12的兩個(gè)端部13、13上的彎曲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為與該兩個(gè)端部13、13相連的腿部14、14上的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。通過在平行排列的腿部14、14上產(chǎn)生方向彼此相反的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，能夠使振動(dòng)泄漏大致相互抵消。因此，本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1與現(xiàn)有技術(shù)相比，可減輕振動(dòng)泄漏。另外，從后面的說明也可知，若將腿部14、14的兩個(gè)固定端部16、16設(shè)置在同一平面內(nèi)的相接近的位置上，還能夠使振動(dòng)泄漏更好地相互抵消。
除此之外，本發(fā)明的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)1由于其流通管3是單一的流體通路而不存在平衡器，因此，即時(shí)密度改變振動(dòng)泄漏也不會(huì)改變，能夠始終保持平衡。此外，由于不需要找平衡，因而不僅能夠降低制造成本，而且能夠使品質(zhì)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。此外，由于流通管3是單一的流體通路，因而不需要公知的支撐桿。而且，因不需要支撐桿故而不需要進(jìn)行錫焊，其結(jié)果，能夠降低制造成本。
作用在兩個(gè)固定端部16、16上的應(yīng)力為扭轉(zhuǎn)方向，而且在管子的圓周方向的整周上是均勻的，因此，與配管或固定器之間的連接可采用機(jī)械密封方式進(jìn)行。而且，由于能夠以簡(jiǎn)易的機(jī)械密封方式進(jìn)行連接，因而能夠做成可僅對(duì)流通管進(jìn)行拆裝的結(jié)構(gòu)。除此之外，若兩個(gè)固定端部16、16使用貫通型隔板插接器，則能夠構(gòu)成液體接觸部分可完全進(jìn)行更換的流通管，做成適用于醫(yī)療和食品相關(guān)產(chǎn)業(yè)的科里奧利流量計(jì)。
下面，結(jié)合圖3至圖20對(duì)流通管(以下稱作流管)的最佳幾何學(xué)條件進(jìn)行說明。
圖3(a)～圖9(d)系統(tǒng)地展示了以三次模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的科里奧利流量計(jì)的分類。圖3(a)是直管形三次模式，圖4(a)是U字形三次模式(固定端在同一平面上)，圖5是閉環(huán)形三次模式(固定端在同一軸線上向相反方向延伸的例子)。
對(duì)應(yīng)于圖3(a)的直管形三次模式，兩個(gè)端部的振動(dòng)方向垂直于圖3的紙面，而附加了與這種場(chǎng)合下的振動(dòng)方向相垂直的管路的例子示于圖3(b)。所附加的管路隨著端部的彎曲振動(dòng)而進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。但在實(shí)際當(dāng)中，彎曲振動(dòng)直接傳播到所附加管路上的情況很多見。
圖4(a)的U字形三次模式(固定端在同一平面上)的兩個(gè)端部的振動(dòng)方向垂直于圖4的紙面，而附加了與這種場(chǎng)合下的振動(dòng)方向相垂直且向內(nèi)的管路的例子示于圖4(b)，附加了向外的管路的例子示于圖4(c)。所附加的管路均隨著端部的彎曲振動(dòng)而進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。作為由圖4(b)派生的形狀例，示于圖6(a)～圖6(d)。此外，作為由圖4(c)派生的形狀例，示于圖7(a)～圖7(f)。
圖5(a)的閉環(huán)形三次模式(固定端在同一軸線上向相反方向延伸的例子)的兩個(gè)端部的振動(dòng)方向垂直于圖5的紙面，而附加了與這種場(chǎng)合下的振動(dòng)方向相垂直且向外的管路的例子示于圖5(b)，附加了向內(nèi)的管路的例子示于圖5(c)。所附加的管路均隨著端部的彎曲振動(dòng)而進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。作為由圖5(b)派生的形狀例，示于圖8(a)～圖8(k)。此外，作為由圖5(c)派生的形狀例，示于圖9(a)～圖9(d)。
在圖3～圖9的例子中，能夠做到科氏力的檢測(cè)靈敏度高、上下游的固定端在同一平面內(nèi)相接近、管子的彎曲次數(shù)少、管子頻率較高的形狀是圖8(b)。
特別是對(duì)于采用單根流通管結(jié)構(gòu)以減輕振動(dòng)泄漏并為了確保達(dá)到儀表誤差要求而進(jìn)行三次模式驅(qū)動(dòng)的科里奧利流量計(jì)(三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì))，作為能夠?qū)澢鷳?yīng)力在固定端附近轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力并能夠減輕振動(dòng)泄漏的流管(流通管)形式，選擇了作為最為優(yōu)異的例子的圖8(b)所示的T字形，為了對(duì)其幾何學(xué)條件進(jìn)行定義，將結(jié)合圖10進(jìn)行說明。該流管形狀的具體的幾何學(xué)條件如下所述。
作為從包含有流入口和流出口的平面向垂直方向延伸的流管，設(shè)流管的寬度(流通管的本體部的寬度)為W、流管的高度(流通管的本體部的高度)為H，則其縱橫比H/W在0.03(根據(jù)管子彎曲半徑和振動(dòng)頻率等決定)＜H/W＜1(從容易使后述所附加的管路產(chǎn)生角位移、以及容易提高頻率且更容易得到相位差的必要性考慮，使之為橫向上長(zhǎng)的形狀)的范圍。
作為所附加管路(成對(duì)的腿部)的固定端處的寬度w相對(duì)于流管寬度W的比例的下限，從寬度w不小于管子直徑D、以及W/D的上限從流管整體的剛性和頻率等考慮以W/D＜200為宜考慮，設(shè)定為1/200(＝0.005)。而作為其上限，由于通過FEM解析證明，若在0.48以下則流管的彎曲位移能夠高效率轉(zhuǎn)換為角位移，其結(jié)果固定端附近的位移減輕，因此，將w/W的條件定為1/200(＝0.005)＜w/W＜0.48。
當(dāng)在上述條件下設(shè)定所附加的管路的長(zhǎng)度h t時(shí)，選擇w/W＝0.19、H/W＝0.21、W/D＝48.68、t/D＝0.046，通過FEM解析設(shè)定了其最佳值。其結(jié)果得知，當(dāng)所附加管路的高度h t的、相對(duì)于流管高度(本體部的高度)H的比例h t/H為2.50程度時(shí)，彎曲振動(dòng)向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率高，而且可得到穩(wěn)定的特性。此外還得知，若使h t/H達(dá)到2.75以上，則所附加的管路、即腿部的彎曲剛性降低，因而難以得到流管所需要的三次模式振動(dòng)。另一方面，h t/H的下限可以設(shè)定成0＜h t/H。在這里，由于H/D＜50并且h t的最小值是與彎曲半徑的最小值相同的3D，因而是3/50＝0.06。因此，h t/H的條件是0＜h t/H＜2.75，作為最佳條件，設(shè)定為0.06＜h t/H＜2.75。
對(duì)上述條件進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
對(duì)于流管的彎曲半徑R，一般來說，高壓氣體保管協(xié)會(huì)是從耐壓的觀點(diǎn)出發(fā)，將R＝4D(管子直徑)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的，但我們知道，在實(shí)用上，若達(dá)到R＝3D的程度，則作為科里奧利流量計(jì)在壓力特性上基本上不會(huì)發(fā)生問題。由此，將流管的彎曲半徑R的下限定在3D以上。在這里，作為流管的寬度W的條件，若以管子直徑D為基準(zhǔn)，由于固定端之間的距離w不小于管子直徑D，因而是13＜W/D(參照?qǐng)D11)。而作為W/D的上限，從流管總體的剛性和頻率等考慮以W/D＜200為宜。因此，流管的寬度W的條件為13＜W/D＜200。
作為流管的高度(本體部的高度)H的條件，若以管子直徑D為基準(zhǔn)，其下限將為6＜H/D。而作為H/D的上限，從流管總體的剛性和頻率等考慮以H/D＜50為宜。因此，流管的高度(本體部的高度)的條件為6＜H/D＜50。
作為所附加管路(腿部)的固定端處的寬度w，若以流管的寬度W為基準(zhǔn)，則由于如前所述寬度w不小于管子直徑D、以及W/D的上限從流管總體的剛性和頻率等考慮以W/D＜200為宜，因而是1/200(＝0.005)，作為其下限，由于200＜W/D、D＝w，因而是1/200(＝0.005)＜w/W。而作為其上限，若在0.48以下則流管的彎曲位移能夠高效率轉(zhuǎn)換為角位移，其結(jié)果固定端附近的位移減輕，這一點(diǎn)通過FEM解析也得到證明，因此，將w/W的條件定為1/200(＝0.005)＜w/W＜0.48。
在這里就圖12進(jìn)行說明。圖12是為了展示根據(jù)固定端處的寬度w與流管的寬度W二者之比w/W、以及所附加的管路的高度h t與流管的高度H二者之比h t/H而決定的最佳幾何學(xué)條件的概念系統(tǒng)圖。在這里，示出H/W＝0.5的例子。圖中用框圍起來的就是最佳幾何學(xué)條件。
圖13是流管的不同寬度W和高度H進(jìn)行組合的概念圖?？v橫比H/W相同的組合用從左上方向右下方繪制的虛線表示。越靠右下方，在幾何形狀保持不變的情況下流管的相對(duì)尺寸越大。
作為縱橫比H/W，由于上述條件13＜W/D＜200、6＜H/D＜50，因而是0.03＜H/W＜3.85，但對(duì)于其上限，從提高頻率且更容易得到相位差等關(guān)鍵問題考慮，需要具有橫向上長(zhǎng)的形狀，將其值定為1。因此，設(shè)定為0.03＜H/W＜1。在設(shè)定所附加的管路的固定端處的寬度w與管路的寬度W二者之比w/W、以及所附加的管路的長(zhǎng)度h t時(shí)，作為幾何學(xué)條件，選擇滿足上述條件的H/W＝0.21、W/D＝48.68、原材料SUS316L，通過FEM解析決定其最佳值。
圖14是相對(duì)于所附加管路的寬度w，頸部A和固定端附近B處的位移和角位移的、通過FEM解析求得的結(jié)果。“頸部A”所涉及的A部和“固定端附近B”所涉及的B部的位置示于圖10。圖14的橫軸是固定端處的寬度w與流管的寬度之比w/W。作為幾何學(xué)條件的典型例，縱橫比H/W＝0.21、所附加管路的高度h t與流管的高度H之比h t/H為2.42且固定不變。將流管的橫向端部的振幅設(shè)定為1mm。固定端附近B處的位移量很微小，因而將其放大10倍示出。使固定端處的寬度w之相對(duì)于流管的寬度W的比例w/W從0.02改變到0.58。
頸部A的位移受固定端處的寬度w與流管的寬度W之比w/W的影響很大，隨著寬度比w/W的增大，從0.024mm增加到0.4mm的程度。另一方面，作為頸部A的角位移，當(dāng)固定端處的寬度w與流管的寬度W之比w/W在0.02～0.58的范圍時(shí)，在0.8°～0.85°的范圍內(nèi)且大致不變，但通過仔細(xì)觀察可知，在w/W＝0.2～0.48的程度時(shí)角位移減小。
關(guān)于固定端附近B(距固定端1/4H的位置)處的位移(圖中放大10倍繪出)，在w/W＝0.02時(shí)為很小的0.006mm的程度，而當(dāng)w/W增大而達(dá)到0.48的程度時(shí)，將逐漸接近于一定的值0.015mm。另一方面，固定端附近B處的角位移基本上不依存于w/W而被抑制在0.1°的程度。
固定端附近B的位移小對(duì)于減輕振動(dòng)泄漏和減小振動(dòng)根部的應(yīng)力非常重要，因此，w/W的最佳條件為1/200(＝0.005)＜w/W＜0.48。
圖15(a)～圖1 8(b)是T字形管子的三次模式驅(qū)動(dòng)模型的FEM解析結(jié)果。示出使流管的寬度方向端部的振幅為固定的1mm而改變T字形管子的腿部長(zhǎng)度h t時(shí)的最大振幅的狀態(tài)(圖中振幅的描繪有所夸張)。在這里，流管的寬度為W、流管的高度為H時(shí)的縱橫比H/W為0.21，固定端處的寬度w相對(duì)于流管的寬度W的比例w/W為0.19且固定不變。
圖15(a)是h t/H＝0.50時(shí)、圖15(b)是h t/H＝0.75時(shí)、圖15(c)是h t/H＝1.00時(shí)、圖15(d)是h t/H＝1.25時(shí)、圖16(a)是h t/H＝1.50時(shí)、圖16(b)是h t/H＝1.75時(shí)、圖16(c)是h t/H＝2.00時(shí)、圖16(d)是h t/H＝2.25時(shí)、圖17(a)是h t/H＝2.50時(shí)、圖17(b)是h t/H＝2.75時(shí)、圖17(c)是h t/H＝3.00時(shí)、圖18(a)是h t/H＝4.00時(shí)、圖18(b)是h t/H＝5.00時(shí)的情形。
當(dāng)圖18(a)的h t/H＝4.00、圖18(b)的h t/H＝5.00時(shí)，與h t/H小于4.00時(shí)相比，流管的頂端的直線部幾乎未發(fā)生撓曲。在作為科里奧利流量計(jì)的流通管而振動(dòng)時(shí)，由于只有發(fā)生角位移才開始有科氏力產(chǎn)生，若流管只平行移動(dòng)則不會(huì)產(chǎn)生科氏力，因此，圖18(a)的h t/H＝4.00、圖18(b)的h t/H＝5.00不適合作為科里奧利流量計(jì)。
當(dāng)增大h t/H而附加管路、即腿部變長(zhǎng)時(shí)，三次模式中的兩個(gè)波節(jié)各自從上述頂端的直線部向上游和下游的固定端方向移動(dòng)，但兩個(gè)波節(jié)的位置能夠從管子的最大寬度部通過是當(dāng)h t/H在3.00和h t/H在4.00之間時(shí)。以該條件為邊界，若h t/H小則兩個(gè)振動(dòng)的波節(jié)向頂端的直線部一側(cè)接近，若h t/H大則振動(dòng)的波節(jié)向上游和下游的固定端一側(cè)接近。
圖19是圖15(a)～圖17(c)所示尺寸的T字形管子的流管的寬度方向端部的振幅設(shè)定為固定的1mm的情況下，頸部A和固定端附近B(距固定端1/4H的位置，相對(duì)于流管的距離會(huì)改變，參照?qǐng)D10)處的位移量和角位移量的、通過FEM解析求得的結(jié)果。固定端附近B處的位移量很微小，因而將其放大10倍示出?？v橫比H/W設(shè)定為0.21，固定端處的寬度w相對(duì)于流管的寬度W的比例w/W設(shè)定為固定的0.19。h t/H在0.50～3.00的范圍內(nèi)階段性增大。
頸部A處的位移量在h t/H從h t/H＝0.05增大時(shí)，從0mm緩慢地增大，一旦超過h t/H＝2.50附近(0.2mm)便急劇增大，在h t/H＝3.00處達(dá)到1.55mm。另一方面，作為頸部A處的角位移量，h t/H一增大便從0°急劇上升，在h t/H＝2.50左右處達(dá)到0.83°，之后急劇降低而在h t/H＝3.00處降低到0.43°左右。
固定端附近B處的位移量在h t/H從h t/H＝0.75(最小值)增大時(shí)，從0mm緩慢增大，但其位移量很微小(圖中放大10倍示出)。由圖可知，即使在h t/H＝3.00處，其位移量也停留在0.038mm左右，一直到h t/H＝2.50之前，更具體地說是一直到h t/H＝2.75之前，其位移量被抑制在0.01mm以下。另一方面，固定端附近B處的角位移量在h t/H＝0.75(最小值)時(shí)達(dá)到最大的0.23°，而隨著h t/H的增大，角位移大致呈線性減小，在h t/H＝3.00時(shí)減小到0.07°左右。
在h t/H＝2.50時(shí)，頸部A的角位移達(dá)到最大，固定端附近B處的角位移和位移變小，頸部A處的位移也達(dá)到較小的值，由此可知，彎曲方向的振動(dòng)高效率轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，傳播到固定部的位移、角位移很微小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因，是由于所附加的管路(腿部)在三次模式振動(dòng)時(shí)不是單純發(fā)生倒伏，而是越靠近流管(本體部)越向倒伏方向的反方向(中立方向)產(chǎn)生位移的緣故(參照?qǐng)D17(b)、圖17(c))。由此可知，h t/H＝2.50左右是所附加管路的高度的最佳條件。此外還可知，當(dāng)h t/H大到2.75以上時(shí)，由于所附加的管路(腿部)的彎曲剛性降低，因而不容易得到流管所需要的三次模式振動(dòng)。另一方面，作為h t/H的下限，由于H/D＜50并且h t的最小值是與彎曲半徑的最小值相同的3D，因而是3/50＝0.06。因此，將h t/H的最佳條件設(shè)定為0.06＜h t/H＜2.75。
圖20是將T字形流通管的三次模式振動(dòng)產(chǎn)生最大位移時(shí)的動(dòng)態(tài)反映在一根單管上的概念圖。是從FEM解析結(jié)果大致照搬過來的。自上而下按順序示出從h t/H＝0.50到h t/H＝5.00的變化。由圖可知，在h t/H＝3.00以上時(shí)，彎曲位移傳播到了兩個(gè)固定端附近。此外還得知，h t/H＝2.50左右時(shí)，固定端附近的彎曲位移小。
毋庸置疑，除了以上所述明的之外，本發(fā)明還可以在不改變本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行種種改變而加以實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)，具有至少一根流通管、對(duì)該流通管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置、對(duì)與作用在所述流通管上的科氏力成比例的相位差進(jìn)行檢測(cè)的一對(duì)振動(dòng)檢測(cè)傳感器其特征是，所述驅(qū)動(dòng)裝置以三次模式彎曲振動(dòng)對(duì)所述流通管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述流通管具有大致呈閉環(huán)形狀的本體部，在該本體部的兩個(gè)端部上，有相對(duì)于該兩個(gè)端部的振動(dòng)方向向大致垂直的方向且所述兩個(gè)端部的外側(cè)轉(zhuǎn)向的一對(duì)平行的腿部與之相連，該腿部上形成有對(duì)所述流通管進(jìn)行支撐的固定端部。
2.如權(quán)利要求1所記載的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)，其特征是，所述腿部的各固定端部配置在同一平面內(nèi)的相接近的位置上。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所記載的三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)，其特征是，若設(shè)所述本體部的寬度為W、所述本體部的高度為H、所述腿部的高度為h t、作為所述固定端部的間隔的固定端寬度為w、所述本體部的高度H與所述本體部的寬度W二者之比為H/W、所述固定端寬度w與所述本體部的寬度W二者之比為w/W、所述腿部的高度h t與所述本體部的高度H二者之比為h t/H，則滿足(1)0.03＜H/W＜1、(2)0.005＜w/W＜0.48、(3)0＜h t/H＜2.75的條件。
全文摘要
一種三次模式振動(dòng)式科里奧利流量計(jì)(1)，具有流通管(3)、對(duì)該流通管(3)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置(4)、對(duì)與作用在流通管(3)上的科氏力成比例的相位差進(jìn)行檢測(cè)的一對(duì)振動(dòng)檢測(cè)傳感器(5)。驅(qū)動(dòng)裝置(4)以三次模式彎曲振動(dòng)對(duì)流通管(3)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。流通管(3)具有大致呈閉環(huán)形狀的本體部(12)。在該本體部(12)的兩個(gè)端部(13、13)上，有以相對(duì)于兩個(gè)端部(13、13)的振動(dòng)方向向大致垂直的方向且兩個(gè)端部的外側(cè)轉(zhuǎn)向的一對(duì)平行的腿部(14、14)與之相連。腿部(14、14)上形成有對(duì)流通管3進(jìn)行支撐的固定端部(16、16)。
文檔編號(hào)G01F1/84GK101023325SQ20058003116
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
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