專(zhuān)利名稱(chēng)：擺梁式渦流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦流流量計(jì)，更具體說(shuō)，是涉及一種裝有一個(gè)擺梁的渦流流量計(jì)用的傳感器。所述擺梁由于隨著渦流在一感測(cè)片上所產(chǎn)生壓差的渦流而作繞軸運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)，提供一個(gè)有關(guān)流動(dòng)的輸出。
目前已有多種壓差敏感型渦流流量計(jì)問(wèn)世。其工作原理是一個(gè)置于流動(dòng)流體中的非流線(xiàn)體或棒，在該非流線(xiàn)體背面將交替出現(xiàn)渦流，引起棒后流體壓強(qiáng)的改變。對(duì)于具有一定外形特征的單根棒的流場(chǎng)，已知其渦流脫落頻率與流速成正比?，F(xiàn)已出現(xiàn)使用產(chǎn)生渦流脫落的非流線(xiàn)體的雙片式壓差型傳感器，如美國(guó)專(zhuān)利N.4475405所示。膜片的相繼撓曲將帶動(dòng)感測(cè)梁的彎曲。已發(fā)現(xiàn)雙片型傳感器對(duì)于管路靜壓的起伏相當(dāng)敏感，除非膜片嚴(yán)格匹配，并在靜壓干擾下保持匹配。這實(shí)際上是受到限制的。已使用的中間通有流體的雙片系統(tǒng)，在高溫條件下使用還有問(wèn)題。使用單片至今尚不實(shí)際，因?yàn)槭褂脝纹蛡鞲衅饕髮⑵浔┞对诖郎y(cè)流體中，而大多數(shù)工業(yè)上用的工作流體會(huì)損壞傳感器。
傳感器抑制靜壓變化能力的度量方法之一是所謂共膜抑制比，它被定義為傳感器每單位壓差的輸出與每單位共膜(靜)壓強(qiáng)之比。該比值應(yīng)當(dāng)相當(dāng)大，最好大于2000。
本發(fā)明涉及一種渦流流量計(jì)用的傳感器，它有一個(gè)置于流動(dòng)流體中的非流線(xiàn)體或棒，以使在其背面形成渦流;特別是涉及這樣一種傳感器，它具有一個(gè)置于棒后流場(chǎng)中的單片壓差傳感器，以感受由于渦流從棒上脫落而在其背面所產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化。該單獨(dú)的感測(cè)片裝在一感測(cè)梁上，其安裝方式使得該感測(cè)梁能在一安裝物件上象樞軸桿那樣作繞軸運(yùn)動(dòng)。此安裝構(gòu)件是該流量計(jì)的密封壁。當(dāng)感測(cè)梁繞軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一腔室內(nèi)部的一個(gè)表面將撓曲。該表面是此梁的一個(gè)隔離的作動(dòng)器部分。由于在單獨(dú)的感測(cè)片上壓差的作用，感測(cè)片作橫向運(yùn)動(dòng)，從而使感測(cè)梁作繞軸運(yùn)動(dòng)，這時(shí)在其作用下，此作動(dòng)器部分就出現(xiàn)邊一邊運(yùn)動(dòng)。以一適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)流場(chǎng)外部的傳動(dòng)部分進(jìn)行感測(cè)，因而，在一參考位置的各個(gè)相對(duì)方位上該梁所作繞曲運(yùn)動(dòng)的頻率即表示出流場(chǎng)中的流速。
本發(fā)明的傳感器特別適用于感測(cè)很寬的流速范圍，并且在僅能提供很低壓差的低流速的檢測(cè)中十分有用。該傳感器的構(gòu)成使其具有很高的共膜抑制比，亦即它對(duì)靜壓的變化相當(dāng)不敏感，然而卻很容易感測(cè)低渦流產(chǎn)生的壓差。
精細(xì)的敏感部件和電連接件都與工作流體隔開(kāi)，同時(shí)還可在不切斷工作管路的情況下對(duì)這些敏感部件進(jìn)行校準(zhǔn)、更換以及其他工作。
最好使用壓電敏感元件作為表面受到流體流動(dòng)場(chǎng)中擺梁作用的敏感部件，雖然也可用其他方法或敏感元件來(lái)測(cè)量擺動(dòng)或繞軸運(yùn)動(dòng)感測(cè)梁的運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生的力。這些敏感元件可包括應(yīng)變計(jì)、光傳感器、磁場(chǎng)傳感器、或電容傳感器。壓電裝置最為簡(jiǎn)單，無(wú)需能源供應(yīng)，并有檢測(cè)微小運(yùn)動(dòng)的能力，以及可在高溫條件下工作。
該傳感器可進(jìn)行加速度補(bǔ)償，并且對(duì)于高溫條件下工作只需使用幾種高溫材料。因?yàn)槊舾胁牧喜恢苯咏佑|待測(cè)流體。安裝傳感器進(jìn)行屏蔽相當(dāng)簡(jiǎn)單，從而避免產(chǎn)生電噪聲問(wèn)題。該傳感器能在不切斷管路的情況下進(jìn)行更換或修理，因?yàn)樗幢弧芭獫瘛保⑶也槐匾驗(yàn)樾蘩矶枧_(kāi)受壓管路密封層。所用部件的數(shù)目較少，膜片和其他運(yùn)動(dòng)組件可在低應(yīng)力下工作，因而壽命長(zhǎng)，可靠性高。此外，單個(gè)膜片能在大動(dòng)壓范圍工作，因而能感測(cè)很寬的流動(dòng)范圍。由于該傳感器能做成一整體，為無(wú)焊接件，因而可減少腐蝕和受應(yīng)力問(wèn)題。


圖1是具有本發(fā)明傳感器的渦流流量計(jì)的前視圖，它是沿圖2的1-1線(xiàn)整體剖視并且順流透視而繪制的，顯示出斷面上的部件和剖視后看見(jiàn)的部件;
圖2是沿圖1的2-2線(xiàn)剖視而成的本發(fā)明傳感器的剖視圖;
圖3是圖2中相同管路主要部分的放大圖，顯示出本發(fā)明傳感器的細(xì)節(jié)部分;
圖4是沿圖3的4-4線(xiàn)剖視的剖視圖;
圖5是沿圖3的5-5線(xiàn)剖視的剖視圖;
圖6是沿圖3的6-6線(xiàn)剖視的剖視圖;
圖7是沿圖3的7-7線(xiàn)剖視的剖視圖;
圖8是本發(fā)明傳感器一種改型的俯視斷面圖，顯示出一種不同類(lèi)型的安裝方式;
圖9是本發(fā)明又一改型的俯視斷面圖，顯示出為減少對(duì)加速度敏感性的一種安排;
圖10是取自圖9中10-10線(xiàn)的用于將擺梁的運(yùn)動(dòng)傳遞到傳感器上的運(yùn)動(dòng)耦合件的側(cè)視圖;以及圖11是取自圖9中11-11線(xiàn)的傳感器的視圖。
一種可提供一輸出、用以指示流體流動(dòng)的渦流脫落型流量計(jì)，以標(biāo)號(hào)10代表其整體。流量計(jì)10裝在一管筒11中，該管筒構(gòu)成流動(dòng)導(dǎo)管的一部分，并與管路即管12連接。管路中有工作流體流動(dòng)，其容積是被測(cè)量。流體流過(guò)管的中心通道13。管筒11具有一個(gè)匹配或稍小尺寸的流動(dòng)通道14，并且通過(guò)使用密封墊15在相對(duì)端以通常方式與管12相連接。管12上有一法蘭盤(pán)16，用適當(dāng)?shù)木o固件，例如圖1中標(biāo)號(hào)17所表示的一組螺栓，可使管筒11夾緊在一定位置。
一凹室20構(gòu)成流量計(jì)10的一部分，用以安裝產(chǎn)生渦流的非流線(xiàn)體或棒。非流線(xiàn)體或棒其整體以標(biāo)號(hào)19代表，它橫向穿過(guò)整個(gè)導(dǎo)管開(kāi)口14。如圖4中所能看到的，它包括頭部21，頭部21有一個(gè)朝前的、通常為平的或陡削的表面22，表面22一般垂直于如圖1中箭頭所表示的流動(dòng)方向。渦流脫落棒還包括一個(gè)中心腹板或體部24以及尾部25。該物體設(shè)計(jì)成可提供一系列穩(wěn)定的并與流動(dòng)相關(guān)的、以線(xiàn)條26表示的渦流。渦流交替地從棒19頭部21的后緣或邊緣脫落。眾所周知，所產(chǎn)生的渦流以一定頻率從頭部21的對(duì)邊交替轉(zhuǎn)換，其頻率是穿過(guò)棒19的流體流動(dòng)速度的函數(shù)。這些渦流穿過(guò)腹板或中心體部向下流動(dòng)。
當(dāng)渦流轉(zhuǎn)換時(shí)，中心腹板或體部24的相對(duì)邊上的壓強(qiáng)出現(xiàn)高低交替變化，由于渦流通過(guò)，從而在中心體部的相對(duì)邊上產(chǎn)生壓差。
凹室20的對(duì)面端裝有支撐塞30，用于支承體件19。體件19包括流動(dòng)管道或管筒11里的部件21，24和25。用合適的緊固件31將塞子30安裝在其位置上。凹室20還具有一頭部32，位于支撐塞30對(duì)面的管筒11上，以便使凹室能非常穩(wěn)固地支承在通道14(即流動(dòng)流場(chǎng))中。用適當(dāng)?shù)拿芊饧?2A、30A將凹室和管筒密封。另外，也可用焊接來(lái)代替密封件30A、32A。
與頭部32相鄰的中心腹板或體部24的上部34被做成薄的感測(cè)片35，其前緣與棒19的頭部21構(gòu)成一體，其周邊與體部構(gòu)成一體。感測(cè)片35實(shí)際上比中心腹板部件24的主體部分要薄。當(dāng)流體通過(guò)頭部21而引起渦流脫落時(shí)，整個(gè)這一流動(dòng)通道就受到一個(gè)振蕩的壓差作用，因而感測(cè)片35就受到影響。由于渦流26(圖4)交替地從非流線(xiàn)體19上脫落而產(chǎn)生的壓差作用在感測(cè)片35上，從而使感測(cè)片35的邊緣趨向如圖5上雙箭頭27所示的撓曲。
一個(gè)可擺動(dòng)或繞軸運(yùn)動(dòng)的感測(cè)梁36與撓曲感測(cè)片35的中心部分連成一體，由圖3、4和5或許能更好地看清楚。可看出，感測(cè)梁36有一伸長(zhǎng)的縱軸38，它垂直于流體流動(dòng)方向，平行于感測(cè)片35所在平面。感測(cè)片35的前部和后部為35A和35B，它們將感測(cè)梁36連接到棒體的頭部21和尾部25，感測(cè)梁36的下端并且與中心腹板部件24相連。感測(cè)梁36包括第一“濕”梁部件36A，它位于導(dǎo)管流通通道14內(nèi)部，因而同工作流體接觸。感測(cè)梁36還包括一隔離梁部件36B，它位于隔離片40的反面，使其與感測(cè)片分開(kāi)。感測(cè)片35的邊緣與隔離片40構(gòu)成一體，而感測(cè)梁36在凹室20內(nèi)與隔離片40也構(gòu)成一體。
凹室20的頭部32有一個(gè)腔室42，它位于隔離片40的反面，與管筒流通通道14隔開(kāi)。因此，由于有隔離片40，腔室42就同導(dǎo)管中流動(dòng)的流體隔離。腔室42有許多部件，但是隔離梁部件36B也是處于此隔離腔室42中的，與其壁面有一定間隙，只通過(guò)隔離片40支承而與其發(fā)生聯(lián)系。
隔離片40相當(dāng)堅(jiān)硬，對(duì)感測(cè)梁36來(lái)說(shuō)構(gòu)成為一個(gè)樞軸，因此當(dāng)感測(cè)梁36繞圖1和圖5中標(biāo)號(hào)為44的軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，梁部件36A能作如圖5中雙箭頭27A所示的運(yùn)動(dòng)。隔離片40需有足夠的強(qiáng)度，以抵抗導(dǎo)管誆課 4的壓強(qiáng);而感測(cè)片35只需經(jīng)受住由于從非流線(xiàn)體或棒19的頭部21產(chǎn)生的渦流作用而在其兩相對(duì)面上造成的壓差。
隔離腔室42具有一個(gè)擴(kuò)大的部分46，其中安裝了一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器或敏感部件，其整體以標(biāo)號(hào)48表示。該運(yùn)動(dòng)傳感器與感測(cè)梁36的隔離梁部件36B相連接。感測(cè)梁的隔離梁部件36B的上端與一個(gè)軸向繞性片50相連接。片50沿軸38的方向可撓曲，卻有足夠的剛性，可以傳遞邊-邊運(yùn)動(dòng)。片50再順序接到具有外壁53的傳遞管51上，如圖3所示，壁53的下端與片50的周邊機(jī)械連接。管51向上延伸，與運(yùn)動(dòng)傳遞頭54相連接(圖3)，它有如圖6所示的整體形狀。頭54連同窄的鉸接腹板58一起鉸接到傳感器組件48的安裝頭60上。正如所看見(jiàn)的有兩塊鉸接腹板58，兩塊腹板的安裝可使運(yùn)動(dòng)傳遞頭54能繞一個(gè)與樞軸44平行的軸運(yùn)動(dòng)。
頭54相對(duì)于鉸接腹板58的軸的擺動(dòng)使頭54傾斜，圖5上以虛線(xiàn)對(duì)其作了極夸大的描繪，當(dāng)頭54移動(dòng)時(shí)，中心部分55的上表面將傾斜。中心部分55的上表面64的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致一組壓電敏感晶片或盤(pán)的壓力負(fù)荷發(fā)生變化。該晶片或盤(pán)的整體以標(biāo)號(hào)70表示。從圖6和圖7上能看到的這些片或盤(pán)包括兩層，每層基本上都是半圓形的兩個(gè)盤(pán)。單獨(dú)的傳感器盤(pán)在圖7上表示為70A和70B，在圖6上表示為70C和70D。反作用塊74對(duì)著盤(pán)70的上表面安裝，并相對(duì)于安裝頭60被固定住。傳感器盤(pán)加有足夠大的壓力預(yù)載荷，結(jié)果是，表面64的傾斜在對(duì)著塊74的樞軸的一邊，壓電傳感盤(pán)將進(jìn)一步受壓;而在樞軸的另一邊，預(yù)加的壓力負(fù)荷得到緩解。預(yù)加的壓力負(fù)荷足夠高，使得在頭54作繞軸運(yùn)動(dòng)期間傳感器盤(pán)總是處于一定的壓力負(fù)荷作用下。鎖緊銷(xiāo)釘73用于使傳感器盤(pán)70相對(duì)于反作用塊74保持在所需要的位置。這種運(yùn)動(dòng)使壓電傳感器盤(pán)70在一特定方向上受到荷載，其方向取決于隔離梁部件36B的撓曲方向。表面64直接接到隔離梁部件36B，撓曲作為擺動(dòng)感測(cè)梁36的函數(shù)，從而提供一個(gè)電信號(hào)輸出。四塊壓電傳感器盤(pán)按適合的極性連接，使四塊盤(pán)的全部輸出相加，從而得到一個(gè)總信號(hào)輸出。來(lái)自傳感器盤(pán)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)與其連接的引線(xiàn)可被檢測(cè)，以便測(cè)出傳感器盤(pán)輸出的電壓信號(hào)。然后該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)酿侂娧b置78送到遠(yuǎn)處的傳感器上，經(jīng)過(guò)由標(biāo)號(hào)80表示的電路系統(tǒng)，給出輸出信號(hào)。
具有壓電盤(pán)70的運(yùn)動(dòng)感測(cè)部件通過(guò)片50與感測(cè)梁36的隔離部件36B相連接。片50是一薄片，其中心有一個(gè)孔，孔的直徑稍小于感測(cè)梁的隔離梁部分36B的上端的直徑。當(dāng)管51和感測(cè)部件被按壓就位，也就是在此位置上這些部件用隔離梁部件36B上面的有帽螺絲安裝就位時(shí)，片50將在隔離梁部件36B的圓柱端36C上滑動(dòng)，并環(huán)繞開(kāi)口稍呈錐形，以便同梁部件36B相配合。這種連接方式在側(cè)面，亦即垂直于擺動(dòng)感測(cè)梁36的軸38的方向上，其剛度很大;而在感測(cè)梁的軸運(yùn)動(dòng)方向很弱。這種片的連接方式減小了在渦流脫落過(guò)程中由于感測(cè)梁的邊-邊運(yùn)動(dòng)所造成的擺動(dòng)而引起的軸向力，同時(shí)片50也不能向敏感盤(pán)或片70傳遞由于管路中靜壓的變化所產(chǎn)生的軸向力。片50和梁端36C的配合方式使得無(wú)需拆開(kāi)主流管路的任何密封件即可拆除和更換感測(cè)部件。當(dāng)感測(cè)部件(包括管51)被拆除時(shí)，片50恢復(fù)原狀并可拆下，而不會(huì)對(duì)片50或感測(cè)梁的隔離梁部分36B的上端造成損壞。
圖8示出本發(fā)明的一種改型。它和圖1-7所示類(lèi)型的工作原理相同。圖8的視圖實(shí)際上同圖1和圖5相應(yīng)，但它示出了本發(fā)明可利用的一種重要隔離安裝方式。在本發(fā)明這一方案中，以標(biāo)號(hào)90局部表示的導(dǎo)管上有一個(gè)以91表示的開(kāi)口，它一直通到其中有流體流動(dòng)的流通通道92的里面。流體是以垂直于圖紙平面的方向流動(dòng)的。整體以標(biāo)號(hào)94表示的渦流傳感器組件安裝在開(kāi)口91中，并伸到流動(dòng)通道92里。渦流傳感器組件94是渦流脫落棒89的一部分。脫落棒89有一頭部，例如，它可以與圖4中所示的渦流脫落棒的頭部形狀相同。在本發(fā)明的這種方案中，凹室95包括一圓柱形的管筒96，它由整塊材料制成。管筒96塞在開(kāi)口91中，用于形成渦流的棒89可作為管筒96的一個(gè)整體部件用同一塊材料制成。如圖所示，管筒96有一外部凸緣98，被固定在導(dǎo)管表面97上。管筒96的外表面與開(kāi)口91的孔面隔開(kāi)。凸緣98可用六角螺釘99非常牢固的固定就位。
感測(cè)片組件100以上述的同樣方式構(gòu)成，擺動(dòng)感測(cè)梁101與片組件100形成一整體，使之對(duì)感測(cè)片組件100上的壓差作出響應(yīng)，從而趨向前后運(yùn)動(dòng)，如雙箭頭102所示。感測(cè)梁101也安裝在一個(gè)剛性的隔離片104上，它位于管筒96的內(nèi)端。在隔離片的上面，片104和管筒96構(gòu)成了一隔離腔室105。感測(cè)梁101包括一個(gè)感測(cè)梁部件101A和一個(gè)位于片104反面的、與通有工作流體的流動(dòng)通道92隔開(kāi)的隔離梁部件101B。
隔離腔室105被一個(gè)內(nèi)套110環(huán)繞，一個(gè)消除應(yīng)力的環(huán)形隔離槽112將其與圓柱管筒96分開(kāi)。隔離槽112有一內(nèi)端表面112A，它在管筒96的底面113之上，與其相距的距離大于片104的厚度。腔室105與流動(dòng)導(dǎo)管通道92隔開(kāi)，因而也同導(dǎo)管中可能攜帶的腐蝕性流體隔離。擺動(dòng)感測(cè)梁的隔離梁部件101B以適當(dāng)方式同雙晶(壓電)晶片彎曲梁115相連。連接可包括凹槽116所限定的一個(gè)結(jié)合面，用適當(dāng)?shù)倪B接方法，例如彈性滑動(dòng)配合，或如圖所示用樹(shù)脂填料117去填滿(mǎn)凹槽，使雙晶壓電梁115的一端固定就位，并將各部件固定在一起。雙晶壓電梁的另一端支承在片118上，而片118支承在環(huán)119上，環(huán)119再固定在應(yīng)力隔離套110的上端120上。片118與梁115在其交接處被固定在一起。由于感測(cè)梁在其下端箭頭102所示方向上作繞軸運(yùn)動(dòng)，其上端也將因感測(cè)梁相對(duì)于隔離片作繞樞軸121的繞軸運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)，因而隔離梁部件101B發(fā)生移動(dòng)，這時(shí)雙晶壓電梁115將彎曲，從而輸出一電信號(hào)。在剛性隔離片104的中心，具有與帶雙晶壓電梁115的感測(cè)部件結(jié)合面的隔離部件101B的運(yùn)動(dòng)將使雙晶壓電梁彎曲，從而經(jīng)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線(xiàn)125得到輸出信號(hào)。輸出信號(hào)可耦合到一個(gè)饋電裝置組件126上，從而提供必須的電連接，以使遠(yuǎn)處的電路系統(tǒng)能感測(cè)雙晶壓電梁的輸出信號(hào)。在感測(cè)梁的軸向，片118是柔性的，因此當(dāng)感測(cè)梁101在使用中產(chǎn)生繞軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，可減小由于隔離梁部件101B的軸向運(yùn)動(dòng)而對(duì)雙晶壓電輸出信號(hào)的影響。
因?yàn)闇u流傳感器組件94是用凸緣97裝到導(dǎo)管上的，以及渦流脫落棒和感測(cè)部件是被槽112隔開(kāi)的，因此安裝凹件95時(shí)的裝配應(yīng)力將不會(huì)造成剛性隔離片104兩半部的不平衡，感測(cè)梁的繞軸運(yùn)動(dòng)對(duì)其軸121來(lái)說(shuō)將是對(duì)稱(chēng)的。隔離片104在一邊或另一邊能做得較薄，并能達(dá)到平衡，同時(shí)仍然對(duì)擺動(dòng)感測(cè)梁101提供必要的支承。由于傳感器不受裝配應(yīng)力影響，所以可得到很高的共膜抑制比。使用這種類(lèi)型的傳感器并沒(méi)有特別高的要求，圖示的雙晶壓電梁感測(cè)部件就可提供足夠的頻率信號(hào)輸出。還有，如果雙晶壓電梁115與感測(cè)梁的隔離部件101B表面的連接不是使用環(huán)氧樹(shù)脂，例如使用輕微的壓配合或使用彈性機(jī)械安裝件，則感測(cè)部件可很容易地拆下或更換。
圖9、10和11示出這種傳感器的一種改型。它給出了一種結(jié)構(gòu)，可對(duì)加速度，例如裝有流量計(jì)的導(dǎo)管中的振動(dòng)所引起的加速度進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)它還有相對(duì)于擺梁樞軸的、也有相對(duì)于從擺梁到傳感器元件連線(xiàn)軸的平衡塊。
圖9中的橫斷面實(shí)質(zhì)上是沿與圖1和圖5所示的相同平面剖視的。它包括一個(gè)位于導(dǎo)管內(nèi)的渦流流量計(jì)的凹室170，如同以前所示的那樣。僅局部表示出渦流發(fā)生棒組件或非流線(xiàn)體171，并且是從渦流發(fā)生頭部件172下游示出的。頭部172相應(yīng)于頭部21。這樣，圖9所看到的是沿導(dǎo)管的上游。這時(shí)，在圖9的斷面上可示出中心體部173。體部173的橫斷面與圖4所示的基本相同，在圖4所示頭部21的部位具有頭部172。非流線(xiàn)體171支承在支承頭174中，支承頭174以適當(dāng)方式安裝在流量計(jì)凹室170里。中心體173的上部，也就是鄰近支承頭174的部位具有一薄的感測(cè)片，這里以標(biāo)號(hào)175代表其整體，相應(yīng)于片35。
片175包括一感測(cè)片，當(dāng)通過(guò)非流線(xiàn)體171產(chǎn)生的渦流在感測(cè)片175相對(duì)面上引起壓差時(shí)，感測(cè)片傾向于來(lái)回運(yùn)動(dòng)，如雙箭頭176所示。一個(gè)擺動(dòng)或繞軸運(yùn)動(dòng)的感測(cè)梁177與感測(cè)片175的中心部分連成一體。感測(cè)梁177以感測(cè)片175為中心，并有一伸長(zhǎng)的中心縱軸178，將感測(cè)片分成兩半。感測(cè)片有一以虛線(xiàn)表示的部分175A，把擺梁177連接到渦流發(fā)生頭172，體部173和尾部(類(lèi)似圖4中的尾部25)上，例如以圖4和圖5所表示的那樣。
擺梁177具有一個(gè)處于流動(dòng)導(dǎo)管中的第一“濕”部件177A和一個(gè)第二隔離梁部件177B。隔離片180與擺梁177構(gòu)成一整體，并將隔離部件177B與“濕”梁部件177A分開(kāi)。“濕”部件與流動(dòng)流體相接觸。隔離片180裝上擺梁，以使擺梁相對(duì)于點(diǎn)181所代表的與圖9橫斷面相垂直的樞軸能作來(lái)回繞軸運(yùn)動(dòng)。
在梁支承頭174中，隔離片180使之形成了一個(gè)內(nèi)部腔室182。擺梁的隔離部件177B位于腔室182里。由圖可見(jiàn)，還有一傳感器組件185位于腔室182的外部，腔室182向外，即向其開(kāi)口端擴(kuò)大或成臺(tái)階狀變大直徑。腔室182里的內(nèi)肩186在該腔室的開(kāi)口端上形成一大直徑的孔。傳感器組件185有一可覆蓋在表面186上的肩部，傳感器組件還有一個(gè)作為栓銷(xiāo)用的外帽組件188，用于將傳感器支承組件壓緊到支承頭174上。
傳感器組件185設(shè)計(jì)成用來(lái)將擺梁177的隔離部件177B的邊一邊擺動(dòng)傳遞給實(shí)際傳感元件，使擺動(dòng)發(fā)出一個(gè)指示梁177相對(duì)其樞軸181的擺動(dòng)或振動(dòng)頻率的信號(hào)。傳感器組件185包括一個(gè)管形支承套190，它有一下部表面190A與表面186相疊合，但彼此稍有間隙。支承套190在孔188開(kāi)口端向上擴(kuò)大，并有一外凸緣192，裝配在一個(gè)環(huán)或套管194內(nèi)，構(gòu)成傳感器組件的一部分。
套190還有一個(gè)內(nèi)孔，形成外肩面195，它在支承套190端部構(gòu)成環(huán)繞中心開(kāi)口196的環(huán)形表面。中心開(kāi)口196的尺寸應(yīng)能使運(yùn)動(dòng)耦合套197穿過(guò)。運(yùn)動(dòng)耦合套197是擺動(dòng)傳遞組件198的一部分。組件198包括套197和一個(gè)擺頭199(見(jiàn)圖10)。在俯視圖上，頭199是一環(huán)形的頭，套197的中心在此頭的中心軸上，當(dāng)傳感器組件裝配到支承頭174上時(shí)，該中心軸與軸178重合。頭199的下表面有一對(duì)在套197相邊上排成一直線(xiàn)的樞軸凸緣202，由圖9的剖視部分或圖10中可看出。樞軸凸緣202由管197的壁向外延伸，并有一圓環(huán)形底面，形成繞軸運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)的支承件，從而使頭199能相對(duì)于一條位于凸緣下邊，沿表面195的樞軸而傾斜。凸緣202和運(yùn)動(dòng)傳遞或耦合組件198是以這種可繞軸運(yùn)動(dòng)的方式裝在平行于軸181的一條軸上的。
頭199有一平的上表面204，它平行于凸緣202下面的樞軸，因而也平行于表面195，用以支承四個(gè)壓電敏感晶體形成的傳感器。該傳感器整體以標(biāo)號(hào)205表示。此傳感器包括兩個(gè)傳感器盤(pán)或晶體的迭層，有盤(pán)205A、205B、205C和205D，如圖9所示。
俯視圖11畫(huà)出了這些盤(pán)，可看出在片175被分成兩半的平面的每一邊都有一對(duì)迭層盤(pán)，此平面在圖11上以線(xiàn)207表示。兩對(duì)盤(pán)在頭199的中心被分開(kāi)。頭199中有適當(dāng)?shù)匿N(xiāo)釘210用以固定盤(pán)205A-205D。用一個(gè)蓋帽212將盤(pán)固緊在頭199的表面204上。蓋帽212有一個(gè)端凸起部分213，安裝在套190的內(nèi)孔中。它還有一個(gè)肩表面214圍繞著凸起213。肩表面214覆蓋在套190的凸緣192上。表面214與上表面192A隔開(kāi)，使兩個(gè)表面之間稍有間隙。
蓋帽212還有一個(gè)外邊凸緣216，覆蓋在支承環(huán)194上。凸緣216有一個(gè)表面217，覆蓋在環(huán)194的上表面上，通常它們之間留有間隙。因此，蓋帽212能被加載荷，使凸起部分213的下表面213A壓在壓電傳感器盤(pán)205上，并迫使這些盤(pán)壓緊頭199的表面204，又將載荷加在對(duì)著表面195的凸緣202上。
組件中，表面190A放在一個(gè)支承體上，而運(yùn)動(dòng)傳遞組件198與對(duì)著表面195的凸緣202相連。壓電傳感器盤(pán)205是用銷(xiāo)釘210固定在表面204上;套190放在環(huán)194里，而蓋帽212則放在盤(pán)205上。然后，如箭頭220所指出的，在蓋帽212的上表面上施加壓力負(fù)荷，此壓力負(fù)荷被表面190A上的支承負(fù)荷抵消。晶片205被加壓到所需的程度，再把蓋帽212和支承環(huán)194在外緣焊在一起。焊點(diǎn)用標(biāo)號(hào)221表示。217處的表面間仍可留有間隙，同時(shí)表面214和192A之間也將有間隙，然而在負(fù)荷作用下凸緣192將壓在環(huán)194所具有的內(nèi)肩表面191A上。這樣，壓電傳感器盤(pán)205在壓力作用下受到一個(gè)所需要的預(yù)加負(fù)荷，從而保證了在測(cè)試時(shí)它仍能滿(mǎn)意地工作。使用期間組件190放在支承頭174上，裝配就位時(shí)表面190A和186間將有間隙。
傳感器組件185的組成還可對(duì)壓電傳感器盤(pán)205，支承套以及通常用不銹鋼制成的環(huán)之間熱膨脹系數(shù)的差異進(jìn)行補(bǔ)償，這在下文中還將說(shuō)明。
運(yùn)動(dòng)耦合管197底部有一薄片225，其在外緣226固定在管197的底部。該薄片有一個(gè)中心孔，其直徑稍小于擺梁177的隔離部件177B圓柱形上頭177C的直徑。如前所述，當(dāng)感測(cè)組件195放入支承頭174的部位時(shí)，片225在其開(kāi)孔四周將稍微變形，從而在片225和擺梁間具有摩擦配合。
在本發(fā)明的這一方案中，擺梁上端部件177C有一個(gè)其尺寸經(jīng)選擇過(guò)的塊177D處于片225之上，從而提供了一個(gè)用以平衡位于樞軸181之下擺梁的下面“濕”部件177A的配重。易于看出，通過(guò)選擇放在運(yùn)動(dòng)傳遞或耦合管197中的部件塊177D的質(zhì)量，使下方“濕”部件177A能被精確平衡，從而對(duì)擺梁上的加速度力的作用進(jìn)行了補(bǔ)償。
同樣，運(yùn)動(dòng)傳遞或耦合組件198的質(zhì)量通過(guò)在關(guān)于樞軸的相對(duì)邊上選擇頭件199的質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償。所述樞軸是由耦合管197到凸緣202的下沿所確定的。
處于凸緣202上的樞軸之下的管197的質(zhì)量必須由處于該樞軸上的頭件199的質(zhì)量進(jìn)行平衡。由于頭件199下邊的凸緣202使樞軸處于鄰近傳感器組件之下的地方，因此不需要外部的即附加的配重，因?yàn)樵撗b置可通過(guò)適當(dāng)選擇頭件199的質(zhì)量而達(dá)到自平衡。
本發(fā)髡庖環(huán)槳傅墓ぷ髟碓謁婕暗降牟飭糠段謨肭笆魷嗤?，也就是用蕦?shí)鋇牡枷 30連接壓電盤(pán)或晶片205A-205D，使之當(dāng)壓電盤(pán)在凸緣202所形成的樞軸的一邊受較大的負(fù)荷壓力，而在樞軸的另一邊的負(fù)荷壓力減小時(shí)輸出一電信號(hào)。如前所述，適當(dāng)選擇壓電盤(pán)205A-205D的極性，使其輸出疊加。
由于本發(fā)明渦流傳感器必須在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，因此會(huì)出現(xiàn)受壓部件之間不同的熱膨脹問(wèn)題。例如，壓電晶片材料的膨脹系數(shù)很低，溫度變化每華氏度變化百萬(wàn)分之一左右，而安裝晶片的不銹鋼管和套的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)高。但是，不同的不銹鋼可有不同的膨脹系數(shù)，然而所有的不銹鋼的熱膨脹系數(shù)都比壓電材料的膨脹系數(shù)大。
因此在測(cè)量時(shí)，由于溫度在很寬范圍內(nèi)變化，不同的膨脹可能減小加在壓電盤(pán)或晶片上的最初壓力，足以造成問(wèn)題。還應(yīng)注意，傳感器盤(pán)總是要受到一定的加壓，即使擺梁出現(xiàn)最大的繞軸運(yùn)動(dòng)時(shí)也應(yīng)如此。
在圖9所示的本發(fā)明的這種方案中，通過(guò)采用其膨脹系數(shù)小于蓋帽212和運(yùn)動(dòng)傳遞組件198頭部199的膨脹系數(shù)的材料制作套190，以及選擇該套的有效軸向長(zhǎng)度使其與傳感器盤(pán)的厚度的比值適當(dāng)，這種影響至少可部分被抵消。蓋帽212的凸起部分213在溫度增加時(shí)以某一速率膨脹，凸起部分沿其軸向的伸長(zhǎng)或縮短將正比于凸起部分的長(zhǎng)度。支承套190沿其軸向的尺寸變化是不同的，它正比于它自己的長(zhǎng)度。選擇套190位于表面191A和195之間的軸向長(zhǎng)度，以便抵消或補(bǔ)償壓電盤(pán)或晶片205的較小膨脹。通過(guò)尺寸選擇，可使壓電盤(pán)上的預(yù)加負(fù)荷保持在設(shè)計(jì)水平上。選擇膨脹系數(shù)大于套190的膨脹系數(shù)的蓋帽212，以便獲得補(bǔ)償。盤(pán)205的膨脹系數(shù)實(shí)際上較低。選擇環(huán)194和運(yùn)動(dòng)傳遞組件198的材料與蓋帽212所用材料相同。
頭件174可焊到流量計(jì)凹室170中，因?yàn)橛泻更c(diǎn)221A使其就位，沒(méi)有密封，就會(huì)損壞本部件。只有把將傳感組件185裝入支承頭174的帽螺栓拆下，并且把片225從擺梁的圓柱體部分177C(即擺梁的被隔離的“不濕”的部分)拔下時(shí)，才能拆下傳感器組件185進(jìn)行修配。
對(duì)于接近零的流速，本發(fā)明的傳感器也可給出滿(mǎn)足要求的輸出，而對(duì)靜壓的變化不大敏感。在低流速下，靜壓的變化是值得注意的，因?yàn)樵诠苈分徐o壓的變化能作為一種脈沖出現(xiàn)，例如在接近泵的位置，產(chǎn)生了有效的壓力脈動(dòng)。在這種情況下，已有技術(shù)中的雙片型裝置比本發(fā)明單片傳感器更可能給出一個(gè)錯(cuò)誤的指示。如果此流量計(jì)處于支流管路中，其流速很低，而主管路中流速較高，這時(shí)與壓差有關(guān)的靜壓的變化會(huì)造成實(shí)質(zhì)性的影響。
由于隔離片被感測(cè)片支承在它們的兩個(gè)交接處，因此所使用的剛性隔離片在感測(cè)梁的軸向具有很大的剛度。這樣，在分析共膜壓力對(duì)這種隔離片的作用時(shí)，此剛性隔離片的響應(yīng)情況就好象它實(shí)際上是兩個(gè)分離的片一樣(其中每一片都是一個(gè)半圓)。與感測(cè)片相比較垂直于其平面的隔離片具有更大的剛性，這意味著隔離片與感測(cè)片相比較實(shí)際上將不受由于渦流形成所造成的壓差的影響。由于靜壓的變化，將有某些運(yùn)動(dòng)引入隔離片，但是由于通過(guò)感測(cè)片對(duì)擺動(dòng)感測(cè)梁的作用與對(duì)隔離片的作用相比較而呈現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)上的優(yōu)點(diǎn)，隔離片的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題實(shí)際上減少了，不會(huì)形成明顯的危害?？赏ㄟ^(guò)研磨隔離片的這一半或另一半到隔離片薄的一邊，及平衡面積比和剛度比的影響來(lái)減輕隔離片的剛性和面積的影響。這樣，隔離片的兩半能做到相當(dāng)精密的匹配，響應(yīng)兩個(gè)不同邊的靜壓變化的不希望的不同運(yùn)動(dòng)即可消除。
感測(cè)片可以很薄，因?yàn)樗恍璩惺軠u流發(fā)生器所引起的壓差。另一方面，隔離片卻必需經(jīng)受得住它所處的管路中的靜壓。因此隔離片應(yīng)小于和厚于感測(cè)片。
本發(fā)明的另一重要優(yōu)點(diǎn)是該傳感器可在高溫下工作。例如，使用壓電晶片，可經(jīng)受700到1000·F的溫度。因?yàn)闇u流脫落棒和擺動(dòng)感測(cè)梁無(wú)需焊接(部件可用一塊料制成)，其強(qiáng)度不會(huì)減小，也不會(huì)增加因焊接引起的腐蝕。所用的材料數(shù)目可減少，結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化?？紤]到在高溫下工作，這也是有利的。
如果需要的話(huà)，擺梁傳感器也能做成可更換的模件連接到隔離器和感測(cè)片上。在某些情況下這可能有些好處。但是，如果解決擺梁和中心體部24的界面密封問(wèn)題以及解決脫落棒，片25的密封問(wèn)題很困難，則需花費(fèi)較大的代價(jià)。
壓電晶片或其他對(duì)壓力、彎曲、剪切敏感的檢測(cè)部件在本發(fā)明中也能使謾 當(dāng)渦流流量計(jì)作旋轉(zhuǎn)式的振動(dòng)時(shí)，擺梁和傳感器組件的每一個(gè)相對(duì)于凹室都要作旋轉(zhuǎn)式振動(dòng)。這在傳感器的輸出中可能造成不必要的噪聲。但是，旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響可以通過(guò)選擇傳感器的機(jī)械參數(shù)以提供補(bǔ)償力的方法予以減小。擺梁相對(duì)于其樞軸P1的振動(dòng)，對(duì)擺梁和傳感器組件之間的耦合施加了第一個(gè)力P1。傳感器組件相對(duì)于其樞軸P2的振動(dòng)，對(duì)擺梁和傳感器組件之間的耦合施加了第二個(gè)力F2。然而，如果力F1和F2達(dá)到平衡實(shí)際上大小相等和方向相反，則傳感器輸出中的噪聲就被減小，力F1正比于擺梁的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量除以樞軸P1和耦合軸P3之間的力矩臂R1。力F2和耦合軸P3之間的力矩臂R2。力F2正此于傳感器組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量除以樞軸P2和耦合P3之間的力矩壁R2，力矩臂R1和R2的長(zhǎng)度能通過(guò)改變機(jī)械尺寸加以調(diào)整，以平衡所述力。如上所述，對(duì)于因?yàn)樵跀[梁或傳感器組件上的所選擇的部位加入或去掉物質(zhì)所造成的平移(非轉(zhuǎn)動(dòng))振動(dòng)，擺梁和傳感器組件也能被平衡?？傊?，通過(guò)選擇一定量的配重和選擇樞軸P1、P2及耦合軸P3之間的間距，就可對(duì)流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)和平移振動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
雖然對(duì)本發(fā)明是以最佳實(shí)施例為參考作的說(shuō)明，但是對(duì)于熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的工作者來(lái)說(shuō)，都能認(rèn)識(shí)到在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)如何作出形式上和細(xì)節(jié)上的改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，給出一輸出信號(hào)，用以指示流體的流動(dòng)，包括一個(gè)凹室，包括一個(gè)體件，用以在流體中引起作為流動(dòng)函數(shù)的渦流，凹室內(nèi)部有一個(gè)隔離腔室；一個(gè)感測(cè)片，構(gòu)成于體件中，并同流體接觸，以產(chǎn)生撓曲運(yùn)動(dòng)，對(duì)由體件所形成的渦流作出響應(yīng)；一根梁，與感測(cè)片連接，并延伸到位于隔離腔室中的隔離梁表面，以便將感測(cè)片的撓曲運(yùn)動(dòng)耦合到隔離梁表面；感測(cè)部件，與隔離梁表面相連，用以感測(cè)其撓曲，并給出一輸出信號(hào)，用以指示流體的流動(dòng)；以及一個(gè)隔離片，構(gòu)成于凹室中，并同所述梁密封連接，用以把隔離腔室和流體隔開(kāi)，從而使感測(cè)部件不接觸流體。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中感測(cè)片連接到隔離片上。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述梁與隔離片整體連接，并相對(duì)于隔離片作繞軸運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中撓曲運(yùn)動(dòng)是經(jīng)過(guò)梁通過(guò)使梁相對(duì)樞軸連接點(diǎn)擺動(dòng)而耦合的。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中隔離片作為流體中共膜壓力的函數(shù)是可動(dòng)的，而感測(cè)部件被安裝成對(duì)這種運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上不敏感。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中隔離片和感測(cè)片彼此有實(shí)際上互相垂直的平面，隔離片構(gòu)成隔離腔室的一個(gè)壁面部分。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中運(yùn)動(dòng)感測(cè)部件安裝在所說(shuō)凹室中，處于同感測(cè)片相對(duì)的隔離片的反面;所說(shuō)的梁具有和感測(cè)部件位于隔離片同一邊的隔離梁表面;所說(shuō)的感測(cè)部件包括耦合到所述隔離梁表面并且當(dāng)感測(cè)片撓曲時(shí)隨所述隔離梁表面而運(yùn)動(dòng)的部件，以及構(gòu)成感測(cè)部件一部分的壓電部件，用以提供對(duì)隔離梁表面的運(yùn)動(dòng)作出響應(yīng)的一個(gè)輸出信號(hào)。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述的梁包括一根擺梁，它與感測(cè)片整體連接，并支承在凹室中，使之相對(duì)于位于所述隔離片上的，通常與感測(cè)片的平面平行的軸作繞軸運(yùn)動(dòng)，所述擺梁具有一個(gè)處于同感測(cè)片相對(duì)的隔離片反面的隔離梁部件;一個(gè)可傾斜部件，裝在所述凹室中，與感測(cè)片相隔開(kāi)，與隔離梁部件之間留有間隙，所述可傾斜的梁相對(duì)于通常平行感測(cè)片平面的軸進(jìn)行鉸接并與其找平;以及包括與可傾斜部件和梁部件相耦合的部件，它有一個(gè)中心開(kāi)孔的薄片和一個(gè)外緣部分，該外緣部分在隔離梁部件的相對(duì)邊上的留有間隙的位置與可傾斜部件相連接，所說(shuō)的隔離梁部件通常為園柱形，以及所述薄片的開(kāi)孔的直徑小于隔離梁部件的尺寸，因此當(dāng)裝配傳感器時(shí)，薄片被壓到隔離梁部件上;在薄片和隔離梁部件之間形成壓配合，以便將運(yùn)動(dòng)傳遞給可傾斜部件。
9.一種裝置，給出一輸出信號(hào)，用以指示流體的流動(dòng)，包括一個(gè)凹室;一個(gè)裝在凹室中的體件，伸到流體的流場(chǎng)中;它有一個(gè)頭部，用以在流體中引起作為流動(dòng)函數(shù)的渦流;凹室有壁部件，在其內(nèi)部確定出一個(gè)隔離腔室，隔離腔室與流動(dòng)流體成流體性隔離，壁部件包括一個(gè)具有隔離片的部件;一個(gè)單一的感測(cè)片，構(gòu)成于體件中，并處于體件頭部的下游，安裝成可對(duì)頭部形成的渦流作出響應(yīng)而產(chǎn)生撓曲運(yùn)動(dòng);固定在隔離片上的梁部件，具有連接到感測(cè)片上的第一梁部件，以便將感測(cè)片的撓曲運(yùn)動(dòng)傳遞給隔離腔室中至少一個(gè)表面上;以及與流動(dòng)流體隔離的感測(cè)部件，耦合到該表面上，用于感測(cè)其撓曲運(yùn)動(dòng)，并提供一輸出，以便指示流過(guò)體件的流體的流動(dòng)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述表面位于一個(gè)與第一梁部件相齊的第二梁部件上，它同隔離片形成一體;以及用于將傳感部件耦合到第二梁部件的部件包括一個(gè)柔性片，它有一個(gè)通常與隔離片的平面相平行的平面，并且該柔性片實(shí)際上不妨礙通常垂直于隔離片平面的軸向運(yùn)動(dòng)。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所說(shuō)的感測(cè)部件包括壓電晶片部件，安裝在與第二梁部件存在間隙的部位;以及耦合部件，它包括一個(gè)具有一表面部件的繞軸運(yùn)動(dòng)桿，耦合到所述第二梁部件，當(dāng)?shù)诙翰考\(yùn)動(dòng)，所說(shuō)的繞軸運(yùn)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)表面部件趨于改變?cè)谒f(shuō)繞軸運(yùn)動(dòng)桿的樞軸相對(duì)邊上的壓電晶片上的負(fù)荷。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所說(shuō)的感測(cè)部件至少包括第一，第二和第三部件，所說(shuō)第一部件具有一個(gè)支承件;所說(shuō)第二部件具有一個(gè)相對(duì)所述支承件作繞軸運(yùn)動(dòng)的繞軸運(yùn)動(dòng)桿;所說(shuō)第三部件具有一個(gè)保持與所說(shuō)第一部件相對(duì)應(yīng)的蓋帽部件;當(dāng)?shù)谝缓偷谌考粔涸谝黄饡r(shí)，所說(shuō)壓電晶片部件在所說(shuō)第二部件和第三部件之間的壓力作用下受到負(fù)荷。
全文摘要
一種用于渦流流量計(jì)上的渦流傳感器，具有一個(gè)單獨(dú)的平行于流動(dòng)方向的感測(cè)片，對(duì)與其相連的渦流脫落棒的渦流脫落產(chǎn)生的壓差作出響應(yīng)。一根梁與其連，并將由壓差造成的感測(cè)片的撓曲運(yùn)動(dòng)傳遞到流動(dòng)通道外部的傳感器。傳感器輸出一信號(hào)，指示出由于梁的繞軸運(yùn)動(dòng)所引起的梁的運(yùn)動(dòng)。梁最好是相對(duì)于一個(gè)剛性密封隔離片作繞軸運(yùn)動(dòng)。梁的一端位于隔離片的外面。感測(cè)片可抑制靜壓變化所造成的誤差。
文檔編號(hào)G01F1/32GK1032861SQ88107158
公開(kāi)日1989年5月10日 申請(qǐng)日期1988年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月15日
發(fā)明者洛厄爾·A·克埃恩, 加里·P·科普恩 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司