一种带有防爆外壳的科里奥利流量计 【发明领域】
本发明涉及科里奥利流量计。具体地讲，本发明涉及具有固有安全性的科里奥利流量计。更具体地讲，本发明涉及利用辅助保护外壳来制造满足固有安全性要求的科里奥利流量计。存在问题
如1985年1月1日颁发给J.E.史密斯等人的美国专利No.4.491.025和1982年2月11日给J.E.史密斯的Re.31.450中所披露的，我们知道可以利用科里奥利效应质量流量计来测量从管道中流过物质的质量流量及其它数据。这些流量计包含一根或多根具有弯曲外形的测流量管。科里奥利质量流量计中每一测流量管的构造都具有一套固有振动方式，可以是简单的弯曲、扭转、径向或耦合类型。驱动每根测流量管，使其以这些固有方式中的一种进行共振。充满物质的振动系统的固有振动方式在一定程度上是由测流量管的质量和测流量管中物质的总质量确定的。物质从流量计入口侧的连通管道流入流量计。接着该物质被引导穿过一根或几根测流量管，然后离开流量计到连接在出口侧的管道中。
有一个驱动装置将振动力施加到测流量管上。该振动力使测流量管产生振动。当流量计中没有物质流过时，沿测流量管的所有点以相同的相位振动。当有物质开始流过测流量管时，科里奥利加速度使沿测流量管的各点相对于沿测流量管其它点具有不同的相位。在测流量管入口侧地相位落后于驱动装置，而在出口侧的相位领先于驱动装置。传感器放置在测流量管的两个不同点上以产生代表测流量管在这两点的运动的正弦信号。以单位时间来计算从传感器收到的两个信号的相差。这两个传感器信号之间的相差与流经一根或多根测流量管的物质的质量流速成正比。
如何制造在爆炸性环境中使用的防爆科里奥利流量计是一个问题。特别是如何制造大型防爆科里奥利流量计。对于所讨论的目的来说，大型科里奥利流量计具有直径大于一英寸的测流量管，并以大于一百赫兹的共振频率工作。同样对于所讨论的目的来说，爆炸性环境是一个包含爆炸性物质的系统，如果将火花或过高的热量引入该环境会点燃爆炸物。此外，防爆装置，比如科里奥利流量计，是一个用来确保来自该装置的火花或过高热量不会引爆环境中爆炸性物质的装置。
为了提供一种防爆装置，比如科里奥利流量计，可以使用包括封装、增压、和防火容器等方法。上述每一方法都是将装置封装起来以防止爆炸性物质接触到该装置，以免装置的发热表面或来自装置中电路的火花会引燃爆炸性物质。如果封罩中的物质被点燃，当该物质从封罩中逸出时，封罩中的任何缝隙或开孔必须提供足够长的火焰通道以冷却该物质。高温物质的冷却可防止高温物质引燃封罩外面的爆炸性物质。
第二种解决方法是制造一种具有固有安全性的装置。具有固有安全性的装置是其中所有的电路都在某个低能量水平以下工作的装置。由于工作在某个能量水平以下，即使装置以某种方式失效时，也可确保该装置不会产生能引起爆炸的火花或足够热量。制造具有固有安全性的装置所需的能量水平由管理机构比如美国保险商实验室(UL)、欧洲电工技术标准委员会、加拿大标准协会和日本TIIS来确定。然而，大型科里奥利流量计中振动测流量管的能量要求使得很难设计出具有固有安全性的科里奥利流量计。
一种流量计防爆的方法是将安装在测流量管上以高于固有安全性的能量水平工作的电子驱动系统元件封装起来。传统的驱动系统包括相互对立地安装在测流量管上的一个线圈和一个磁铁。接着将交流电施加到线圈上使磁铁和线圈互相作相反运动。所施加到线圈上的电流超过使驱动系统具有固有安全性所要求的能量水平。因此，通过线圈的电流可能具有足够的能量以产生火花或足够的热量来引燃爆炸性物质。
为了使驱动线圈防爆，将一个套筒安置在线圈周围。套筒是一个包围住线圈的外罩，可以阻挡由线圈产生的火花或热量而引燃的爆炸。将套筒中的任何缝隙设计成具有足够长度的火焰通道以冷却外罩中点燃的物质。这样可以防止外罩中任何点燃的物质引燃外罩外面的物质。
为了使套筒和线圈能够承受住爆炸产生的压力，套筒和线圈必须用金属制成。这就成为一个问题，因为当金属处于磁场中时会产生涡流电流。涡流电流是由穿过金属套筒和线圈架中导电介质的磁场交变而引起的。这些涡流电流导致驱动测流量管的可用功率减少。由涡流电流引起的能量损失可能相当大，以致于不可能制造出具有足够能量以驱动某一质量、刚度或频率的测流量管的驱动装置。此外，由于要使用更多昂贵的金属部件，驱动装置的部件成本会增加。
另外，为了使流量计可以防爆，将驱动器和传感器连接到流量计电子装置上的导线也必须隔绝，以防止导线上因导线断路产生的火花引起爆炸。隔绝导线的一个方法是将密封材料制成的导管安置到测流量管上。导线封闭在密封导管中。然而，测流量管上的密封导管会在流量计中引起零点稳定性问题。此外，密封导管很昂贵且制造费时。
根据上述理由，在科里奥利流量计的技术领域中需要有更好的方法，使制造的科里奥利流量计可以工作在爆炸性环境中，而其工作的能量水平超过具有固有安全性的极限。解决方案
通过提供用于科里奥利流量计的辅助保护外壳，将其作为防爆容器，可以解决上述及其它问题，并使相关技术得到发展。辅助保护外壳将流量计的测流量管及固定在测流量管上的驱动器、传感器和导线封装起来。辅助防爆外壳是由能够承受外壳中爆炸性物质被引燃所产生爆炸压力的材料制成的辅助保护外壳。防爆外壳中的任何缝隙或开孔都提供了具有足够长度的火焰通道以冷却从外壳中逸出的任何火焰或高温材料。通过将辅助保护外壳用作防爆外罩，可以去掉驱动系统中线圈周围的罩子。因此，驱动器可以用价格比较低廉的材料制成，并可以工作在较高的能量水平以提供更多的动力来振动测流量管。此外，外壳中的导线也不必封装在测流量管上的密封导管中，从而改善流量计的零点稳定性。
为了承受由爆炸产生的压力，对辅助外壳的设计进行了改进，使其可以承受爆炸的压力。外壳设计成可以将流量计的测流量管封闭在一个密封舱中。外壳在紧贴测流量管入口侧有一入口底板，在紧贴测流量管出口端带有一出口底板。入口和出口底板设计成可使测流量管从底板延伸的平台，并构成封闭测流量管两端的端壁。在优选实施例中，入口和出口底板属于流量计的入口和出口歧管的一部分。
在外壳的第一端和第二端之间，外壳管壁所形成的U形弯曲部分构成了拱形结构。外壳管壁中的拱形结构将爆炸压力分布到整个拱形结构上，并减少了外壳中薄弱点比如接缝的数目，这些薄弱点在爆炸压力的作用下很容易受到破坏。
防爆外壳还必须带有至少一个开孔，使导线可以穿过外壳而将外壳中的驱动器和传感器与外壳外面的测量电子装置连接起来。该开孔必须提供足够长度的火焰通道以冷却爆炸时经开孔逸出的任何高温气体或火焰。有一种解决方法是将导线密封在外壳的侧壁中，以减少导线穿过外壳的火焰通道。为了将导线密封在外壳中，在优选实施例中使用了导线套管。在本发明中，导线套管由可以承受爆炸的材料制成。导线密封在导线套管的开孔中。密封材料可以防止爆炸通过导线套管逸出，并减少火焰通道的长度到穿过导线套管的那段导线的长度。接着将导线套管装入外壳中的开孔，并用焊接或其它某种方法将其固定在穿过外壳的开孔中。附图简要说明
在下面的详细说明和附图中介绍了带有防爆外壳的科里奥利流量计的上述及其他特征：
图1示出了本发明的科里奥利流量计；
图2示出了附加在科里奥利流量计上的防爆外壳；
图3示出了封装在防爆外壳中的科里奥利流量计的分解图；
图4示出了装在防爆外壳中的科里奥利流量计的横断面图；
图5示出了带有防爆外壳的科里奥利流量计中歧管的示范性实施例；
图6示出了示范性歧管的流道沿图5中剖面6的剖视图；
图7示出了用于防爆外壳的导线套管的示范性实施例；
图8示出了示范导线套管沿剖面8的剖视图；
图9.示出了科里奥利流量计的驱动装置；
图10示出了带有加强肋的外壳的一部分；
图11示出了传统型线圈架的剖视图；和
图12示出了另一种可供选择的线圈架的剖视图。优选实施例详细介绍一般的科里奥利流量计(图1)
图1示出了包括流量计组件10和测量电子装置20的科里奥利流量计5。测量电子装置20经由导线100连接到流量计组件10，并通过线路26提供密度、质量流速、体积流速、累计质量流量、温度及其它数据。本领域的专业人员应当知道本发明可以用于任何类型的科里奥利流量计，而不论驱动装置的数目、拾取传感器的数目、振动的工作方式。
流量计组件10包括一对法兰101和101′；歧管102和102′；驱动装置104；拾取传感器105-105′；以及测流量管103A和103B。驱动装置104以及拾取传感器105和105′连接到测流量管103A和103B。
法兰101和101′固定到歧管102和102′上。歧管102和102′固定到定位架106的两端。定位架106保持歧管102和102′之间的间距以防止测流量管103A和103B中出现不想要的振动。当流量计组件10插入输送所测物质的管路系统(未示出)中时，被测物质通过法兰101进入流量计组件10，穿过将被测物质导入测流量管103A和103B的入口歧管102，流经测流量管103A和103B后返回到出口歧管102′，从那里通过法兰101′流出流量计组件10。
测流量管103A和103B经挑选后适当地安装到入口歧管102和出口歧管102′上，使其相对弯曲轴W-W和W′-W′分别具有基本上一样的质量分布、惯性矩和弹性模数。测流量管从歧管上以基本平行的方式向外伸展。
测流量管103A-B在驱动器104的驱动下相对各自的弯曲轴W和W′以相反方向和称为测流量管的第一无弯曲模式振动。驱动装置104可以通过任何一种所熟悉的方式，例如磁铁，安装到测流量管103A上，并将相对布置的线圈安装到测流量管103B上。交流电流过相对的线圈使两根管子产生振动。测量电子装置20通过导线110将适当的驱动信号施加到驱动装置104上。图1的介绍只是作为科里奥利流量计操作的一个示例，并不打算用来限定本发明。
测量电子装置20从导线111和111′上分别接收右侧和左侧的速度信号。测量电子装置20在导线110上产生驱动信号，使驱动装置104振动测流量管103A和103B。如这里所介绍的，本发明可以产生用于多个驱动装置的多个驱动信号。测量电子装置20对左右速度信号进行处理以计算质量流速。线路26提供了可使测量电子装置20与操作人员相互联系的输入输出手段。测量电子装置20的电路说明对于理解本发明的防爆外壳并不是必需的，为了简便起见在本说明书中略去。防爆外壳(图2)
图2示出了将科里奥利流量计5的测流量管103A和103B封装起来的防爆外壳。通常来说，科里奥利流量计带有一个将测流量管103A和103B(在图1中示出)封装起来的辅助保护外壳，如果测流量管103A和103B中的一根或两根发生破裂时，可以防止物质逸出。
在本发明中，可以承受外壳200里面爆炸性物质爆炸的防爆外壳200将测流量管103A-103B、驱动装置104和传感器105-105′封装起来(见图3)。防爆外壳200还可以防止由流量计组件10的元件产生的火花和高温引燃外壳200外面的爆炸性物质。对于讨论的目的来说，爆炸性物质是可以由火花或热量的作用而点燃的任何气体、液体或固体。为了可经受住爆炸，外壳200必须比传统的辅助保护外壳更坚固，以承受由电子元件火花所引起外壳200中爆炸性物质爆炸所产生的压力。外壳200里面的电子元件可以包括但不局限于驱动装置104、传感器105-105′和导线110、111-111′(见图3)。
通过提供防爆外壳200，驱动装置104(在图9中详细示出)无须有线圈外罩。外罩一般是一个装在线圈架和线圈线周围的金属套管。金属套管一般会在磁场中引起涡流，降低驱动装置的功率。由于在防爆外壳200中不需要金属套管，在科里奥利流量计5中可以使用更大功率的驱动装置，因而能够制造具有更大流量的测流量管。
使用防爆外壳200的另一个优点是不必将密封导管附着在测流量管103A和103B上。密封导管是一种将导线110、111和111′封装起来的绝缘材料，以防止导线引燃外壳里面的气氛而引起爆炸。密封导管会导致测流量管103A和103B的零点稳定性问题。密封导管的取消消除了因导管引起的零点稳定性问题。
一种可以用来加强外壳200，使其经受住外壳200中爆炸的方法是在外壳200的弯曲部分采用拱形结构203。一般的辅助保护外壳是由若干单独的片段组成，在有坡口的接头处将它们焊合以形成外壳的弯曲部分。每个接缝都是薄弱点，爆炸所产生的足够大的压力会在接缝处将外壳的各部分撕开。拱形结构203将施加到外壳上的所有压力分布到拱形结构的整个表面，并可以减少外壳中因爆炸产生的压力而可能被撕裂的接缝数目。防爆外壳中的科里奥利流量计的分解图(图3)
图3示出了在防爆外壳200中的科里奥利流量计5的示范性实施例的分解图。将测流量管103A和103B封装起来的防爆外壳包括第一端和第二端。在优选实施例中，第一端是一块固定到流量计5的入口侧歧管102上的铸造板303，第二端是一块固定到歧管102′上的铸造板304。本领域的专业人员应当知道虽然对防爆外壳的一种特定设计进行介绍，但可以有许多方法用来封装测流量管。例如，本领域的专业人员应当知道防爆外壳200的底板可以固定到也可以不固定到入口和出口歧管102-102′上。在优选实施例中，铸造板303和304是作为歧管102和102′的一部分来铸造的。然而，本领域的专业人员应该认识到铸造板303和304也可以用焊接或其它方法固定到歧管102和102′上。
外壳200也有第一半部分301和第二半部分302，它们是外壳200的第一和第二半侧。第一半部分301和第二半部分302是在第一边沿390和第二边沿391之间的弯曲管壁部分，当两半部分合起来时形成圆筒形的外壳。第一半部分301和第二半部分302也向里弯曲，在第一端393和第二端394之间基本上成U形，以与测流量管103A和103B的弯曲部分一致。
图10示出了带有加强肋1010的半部分的外圆周的一部分。加强肋1010在外壳的半部分301或302的外表面上凸起。加强肋1010可以充当外壳的每一半部分301或302的支撑件。应当认识到每个半部分例如半部分301或302可以在半部分的外圆周上带有任意多个加强肋1010。
为了便于结合第一半部分301和第二半部分302，沿第一半部分301的每一边沿可以带有一条凸缘1001(图10)，而外壳200的另一半部分302沿每一边沿可以带有一条凹槽(未示出)，以容纳第一半部分边沿上的配对凸缘。如图3所示，第一半部分301和第二半部分302围绕测流量管103A和103B配合，并焊接在一起或以其它方式加以固定。当两个部分相互固定时，第一半部分301和第二半部分302的第一端通过焊接或其它方式固定到到铸造板303上。第一半部分301和第二半部分302的第二端也是通过焊接或其它方法固定到铸造板304上，使测流量管103A-103B、驱动装置104和传感器105-105′封装在外壳200里面。
导线110、111和111′穿过开孔308(未在图3中示出)和开孔309，将驱动装置104和传感器105-105′连接到测量电子装置20上。开孔306(未在图3中示出)和307必须提供具有足够长度的狭窄火焰通道以冷却被加热或被点燃的爆炸性物质。为了将开孔的宽度减小到导线的尺寸，导线110-111′一般密封在外壳200的管壁中。有一种使开孔小到导线尺寸的方法是使用导线套管。在优选实施例中，导线套管308和309是装在开孔306和307中的装置，以防止爆炸物通过防爆外壳200中的开孔308和309逸出。导线套管308(未在图3中示出)和309使导线110、111和111′可以穿过开孔306和307。虽然开孔306和307是在铸造板303和304中示出，本领域的专业人员应当知道外壳200中开孔306和307的位置无关紧要，可以留给防爆外壳200的设计师自己处理。导线套管308和309的示范性实施例在图7-8中示出，并在下面加以介绍。为了将导线套管306和307装入开孔中，还可以使用转接件。
图4是防爆外壳200的剖视图。空腔400是测流量管103A和103B周围被外壳200包围的空间。空腔400提供了防爆外壳200的管壁和流量计组件10元件之间的空间。该空间可防止元件的热量施加到外壳200的管壁上，又可以防止热量施加到外壳200外面的爆炸性物质上。为了使外壳200在爆炸的时候保持结构完整性，空腔400中可以包含的爆炸性物质的体积必须小于发生可使外壳200管壁产生裂缝的具有足够压力的爆炸所需的爆炸性物质体积。带有防爆外壳的科里奥利流量计中的歧管(图5)
图5示出了可以用作输入歧管102或输出歧管102′的歧管500的优选实施例。在优选实施例中，歧管500在制造过程中是整体铸造的。然而，本领域的专业人员应当知道歧管500的各个元件可以分开铸造或制作，然后组装成一个整体。为简单起见和降低成本，歧管500作为入口歧管102和出口歧管102′是可以互换的。然而，入口歧管102和出口歧管102′也可以单独制造。
测流量管连接件502和503通过轨道焊接或其它方法固定到测流量管103A和103B(在图1中示出)上。测流量管连接件502-503从测流量管103A和103B接收物质，或将物质导入测流量管103A和103B中(如图1所示)。歧管500中的流道将测流量管连接件502-503与入口/出口505连接起来。入口/出口505连接到法兰101或101′(如图1所示)，并从管道中接收物质或将物质送到管道中。歧管500通过具有与定位架106配合结构的定位架连接件501固定到定位架106上。虽然定位架连接件501是作为一个圆形环部件示出，本领域的专业人员应当知道部件501的形状必须与定位架106的形状一致。
铸造板504是固定在歧管500上的防爆外壳200的底板。在优选实施例中，铸造板504是与歧管500一起铸造的，这样可减少将防爆外壳200固定到科里奥利流量计5上的焊接数量。将铸造板504铸造在歧管500中还可以减少流量计5中必须检查的焊接数量。
歧管500的另一个优点，是使用加强肋，比如加强肋505。加强肋减少了铸造歧管500所需的材料数量。这样不但可以减少歧管500发生爆裂的危险性，而且降低了歧管500的成本。通过歧管500的流道的横断面视图(图6)
图6示出了歧管500沿图5中截面6的剖视图。流道600穿过歧管500输送物质。流道600在被分成第一测流量管分支601和第二测流量管分支602之前的体积最小。在分成两个测流量管分支之前的最小体积是通过将隔板604移动到紧接入口/出口505来达到的。隔板604是突出到流道600中的管壁部分，用来将物质流分成第一测流量管分支601和第二测流量管分支602。这就解决了因体积较大而在隔板604前形成“池”的问题。如果允许物质成“池”，物质流中的旋涡会降低流经测流量管103A和103B的物质的压力。在物质进入第一测流量管分支601或第二测流量管分支602以后，测流量管分支601和602弯曲以形成穿过歧管500而进入或离开测流量管103A和103B的流道。(见图1)一种用于防爆外壳200的导线套管(图7和8)
图7示出了用于防爆外壳200的导线套管的实施例。导线套管700是使防爆外壳200里面的导线可以穿过壳体与防爆外壳200外面的电子装置相连，而同时又可以保持防爆外壳200密封性的开孔。(见图3)导线套管700的两个示例是图3中示出的导线套管308和309。有一种导线套管可简单地将实心导线密封在防爆外壳管壁的开孔中。然而，将导线密封在外壳中并不是理想的，因为密封过程中的任何差错都必须要报废整个外壳。使用导线套管使导线成为火焰或热的爆炸性物质能够从外壳200中逸出的唯一通路。导线套管和外壳管壁之间的任何其它缝隙都提供了足够长的火焰通道来冷却火焰或高温气体，以防止引燃外面的环境。虽然下面给出了作为一个示例的导线套管700，本领域的专业人员应当知道任何带有导线的开孔只要能提供足够长的火焰通道都可以设计用于防爆外壳200中。
在优选实施例中，导线套管700是装在开孔，比如防爆外壳200的铸造板303和304中的开孔306或307，里面的圆筒形金属件。导线套管700是一个包括第一端和第二端的圆筒形部件。导线套管700的第一端带有一个从第一端圆周向外突出的圆筒形部件701。导线套管700的第二端是一个从部件701的中心向外延伸的圆筒形凸台702。圆柱形凸台702装入开孔中，使开孔侧面与圆柱形凸台702外圆周之间的空隙最小。当导线套管700插入开孔中时，凸台702贯穿开孔，部件701连接到开孔周围的管壁上。接着用焊接或其它某种方法将部件701固定到靠近开孔的管壁上。
图8示出了导线套管700的剖视图。该横断面视图显示了导线套管700的组成部分。导线套管700的第一端上有一个凹进去的空腔801，至少基本上贯穿导线套管700直至导线套管700的第二端的底部802。底部802上带有开孔(未示出)，若干根导体803从空腔801穿过底部802中的开孔。导体可以包括但不限于导线110、111和111′。接着把封装材料804注入到空腔801中，也可以注入到底部802的开孔中。封装材料804填满导体803之间的空隙使导体803保持在原位，并密封导线套管700以防止爆炸物通过导线套管700中的开孔逸出。
导线套管700用下面的方法装在开孔800中。部件701靠在邻近开孔800的防爆外壳200管壁811的侧面上。用焊接或其它某种方法将部件701固定到管壁811上。接着将凸台702穿过开孔。然后将外壳中的每根导线连接到导线套管700中导体803的第一侧。接着将与测量电子装置20相连的对应导线连接到每一导体803的第二侧。一种用于科里奥利流量计的驱动系统(图9、11和12)
图9示出了用于科里奥利流量计5的优选实施例中的驱动系统104。在优选实施例中，驱动装置104是一个线圈和磁铁的组合件。本领域的专业人员应该知道其它类型的驱动系统也可以用于本发明的防爆外壳200中。
驱动装置104包括一个磁铁组件910和一个线圈组件920。支架911从磁铁组件910和线圈组件920上以相反的方向向外延伸。支架911是从平板底座向外延伸的翼板，并在底侧带有基本上弯曲的边缘以容纳测流量管103A或103B。接着将支架911的弯曲边缘990用焊接或其它某种方法固定到测流量管103A和103B上，从而将驱动装置104安装到科里奥利流量计5上。
磁铁组件910带有一个作为底板的磁铁保持架902。支架911从磁铁保持架902的第一侧面延伸出来。侧壁913和914从磁铁保持架902的第二侧面的外缘向外延伸。侧壁913和914控制磁铁903的磁场方向使其垂直于线圈904的绕线。
磁铁903是一个包括第一端和第二端的大体上是圆柱形的磁铁。磁铁903装在磁铁套筒(未示出)中。磁铁套筒和磁铁903固定到磁铁保持架902的第二侧面上，使磁铁903固定在磁铁组件910中。磁铁903一般带有一个固定在其第二端上的磁极(未示出)。磁极(未示出)是装在磁铁903第二端上的一个盖子，用来将磁场导向线圈904中。
线圈组件920包括线圈904和线圈架905。线圈架905固定在支架911上。线圈架905包括一个从第一侧面上突出来的线轴，线圈904绕在线轴周围。线圈904安装在与磁铁903相对的线圈架905上。线圈904连接到将交流电施加于线圈904的导线110上。交流电导致线圈904和磁铁903相互吸引和排斥，这转而又导致测流量管103A和103B相互反向振动。
图11示出了可用作线圈架905的传统型线圈架1105的横断面(见图9)。传统型线圈架1105是用实心棒材比如铝棒经机械加工而成。图12示出了可用作线圈架905的另一种可供选择的线圈架1205(见图9)。另一种可供选择的线圈架1205是模铸成型的，因此可以是空心的。这使线圈架1205可以具有比传统型线圈架1105小得多的质量。
上面所介绍的是带有防爆外壳的科里奥利流量计。可以预见，完全根据下面权利要求书中所阐述的防爆外壳，或是按照等效原则，本领域的专业人员将能设计出其它可供选择的用于科里奥利流量计的防爆外壳。