关于互补效应的质量流量计的静止线圈 【发明背景】
本发明涉及一种互补效应的质量流量计，尤其涉及一种具有成本低，可靠性好，和性能更好的传感器截止和驱动装置的互补效应质量流量计。
现存问题
用互补效应质量流量计测量质量流量和其它经管道流动的材料的信息是众所周知的。如4,491,025号美国专利(1985年1月1日授予J.E.Smith等人和1982年2月11日授予J.E.Smith的Re 31,450)所记载的那样，这些流量计具有一个或更多的构造为笔直或弯曲的流量管。在互补质量流量计中，每种流量管构造都有一组固有振动模式，流量管构造可以是简单弯曲，扭曲或共轭型(coupled type)。驱动每一个流动管道在这些固有模式的一个谐振频率上产生振动。材料从流量计入口侧的连接管路流入流量计，直接穿过流量管或一些管子，并由出口侧流出流量计。盛装流体的系统振动的固有振动模式由流量管的质量和流量管内的材料一起部分限定。
当没有流体流过流量计时，由于所施加的驱动力，沿流量管的所有点以相同的相位振动。当开始有材料流动时，互补加速度会使沿流量管的每一个点具有一个不同的相位。流量管入口侧地相位落后于驱动器，而流量管出口侧的相位超前于驱动器。在流量管上设置有传感器以产生表示流量管运动的正弦信号。两个传感器信号之间的相位差与材料穿过流量管的质量流速成正比。
向运动的管上的线圈连线会产生一个问题。这通常用两种方式中的一种来处理。在大一些的流量计上，从管的振幅接近零的靠近支撑杆的一点开始将绝缘线用胶带缠在管上并在管上向上延伸到线圈。该方法的缺点在于胶带或胶和导线绝缘材料通常是高减振材料，而这些材料所产生的减振会不可预测地改变时间和温度。改变互补流量计管的减振会导致错误的流量信号。
在小一些的流量计上，减振产生的误差会变得更大，因此，薄的柔软(挠曲)导体会从静止端弓形连接到运动线圈上的端部。这些挠曲减振很小，因为在这些导体上没有绝缘材料或胶带。不幸的是，挠曲导体具有很明晰的固有频率并在固有频率上被激励的相同的低减振装置会导致迅速断裂。而且，它们的尺寸和薄脆使制造非常困难。
本发明通过在每个管上采用一个磁铁并相邻两个磁体设置一个静止线圈以克服将导线连接到动圈所产生的问题。磁体这样取向，即它们每一个具有面对平面线圈相同的极并且管移开或移到一起(异相移动(out-of-phase motion))，这些磁体迅速穿过线圈并在线圈中产生附加电压。采用这种几何结构，管的同相运动(in-phase motion)导致一个磁体朝向线圈中心横穿线圈，而另外的磁体离开线圈中心横穿线圈。这种运动产生的电压彼此相减和抵消。因此，这种新的几何结构只滤出象运动线圈这样的同相运动，而没有将线连接到运动线圈上的问题。
由固定线圈设计产生的正弦信号的幅度与贯穿线圈的磁场成正比。由于场强随离开磁体的距离而减小，所以，保持这个距离随时间不变就变得很重要，特别是在电信号处理采用(非零)电压水平交叉测量来确定Δt的情况。保持这种距离(间隔)不变采用直接靠近将磁体装到管子上和将线圈装到壳体上很难实现，这是因为管子和壳体一般在集合管(manifold)处彼此固定在一起并离开磁体和线圈相当的距离。这样，在壳体-集合管-管子界面处很小的制造公差就会导致间隔的很大变化。很不容易按照需要控制间隔。此外，在运行中产生由外界振动激励的振动模式，其中管子和壳体彼此相反移动。这以周期方式改变间隔并对流量测量产生负作用。
有四种方法可以解决这个问题。在第一种方法中，线圈不是固定到壳体上而是通过片簧固定到管子上。弹簧的取向使管子平行于线圈的平面移动并保持间隔不变。线圈保持不动，这是因为线圈固定在两个相同的弹簧之间，弹簧的远端等距反向移动。管子的同相运动或线圈的振动在电压信号中不明显，这是电压抵消的缘故。
解决可变间隔问题的第二种方法是每个传感器中采用两个线圈。两个线圈彼此平行设置，固定到壳体上并用导线串接。流量管位于两个线圈之间，每个管具有两个固定其上的径向相对的磁体以使每个磁体朝向一个线圈。所有4个磁体(对于两个线圈)具有朝向他们各自的线圈用相同的磁极(北极或南极)。在这种两个线圈的几何条件下，如果壳体相对于管子移动，到一个线圈的间隔会更小，而到相对的线圈的间隔会等量地变大。由于对于小位移，磁场强度与距离接近线性关系，所以，小间隔一侧所产生电压的增加由大间隔一侧所产生电压的降低所补偿。因此，这种几何结构不受间隔变化影响。
使固定线圈不受间隔变化影响的第三种方法是这样对于管子设置线圈，即对于壳体和管子之间的主要振动模式，间隔不改变。在管子和壳体之间的基本模式是管子和壳体在管子的平面内振动。管子彼此之间同相振动而与壳体异相振动。这被称为壳体横向模式。通常只有一种模式具有足够低的频率，以使振幅明显。系统质量的中心在集合管附近，管子和壳体关于这个质量中心以转动模式振荡。通过使线圈的平面与和质量中心同心的球面相切来对线圈进行取向，尽管有壳体横向模式也确保间隔保持不变。由这种模式产生的最适当的相对速率沿球面的切线并在线圈的平面内。垂直于流量管的切线壳体-管子运动是抵消的同相的管子运动。平行于流量管的切线运动，即壳体横向模式，在幅度足够大的情况下会产生问题。通过使线圈为矩形，在这个方向的振荡会导致磁体沿线圈的直边(straight leg)上下移动，而所产生的电压不发生变化。
最后，线圈还可以以这样的方式取向，即左右传感器之间的间隔可以彼此同相地变大和变小。只要两个传感器所产生幅值的比保持不变，相位测量就不受幅值的影响。在一种“标准”传感器设置中，两个传感器位于弯管外面响应于壳体横向模式，一个间隔增加，而另一个间隔减小。但是，如果一个传感器位于弯管的外侧，另一位于弯管的内侧，左右传感器的间隔将彼此同相改变，而且相位测量不受影响。
为简单起见，直到现在仅讨论了传感线圈。以上推理也适用于驱动器，只是除了一般来说没有考虑驱动信号的线性或相位。这样，驱动器间隔只是在考虑驱动效率时才重要。由于驱动器通常位于管子的顶端，所以，线圈平面一般与中心在质量中心的球面相切，并且不需要再采用措施保持间隔不变。
从以上说明中可以看出，本发明解决了将电连接延伸到驱动器的线圈以及安装到互补效应流量计的振动的管子上的传感器元件所带来的问题。解决这个内部连接问题或者是通过将线圈物理地安装到一个静止部件上以使线圈与物理地安装到振动流量管上相应的磁体磁相配合，或者是通过用一个相对流量管的异相驱动振动保持线圈不动的弹簧装置将线圈物理地附装在振动的流量管上来使线圈保持静止。
通过对下面结合附图所进行的说明的阅读中可以更好地理解本发明的以上和其它优点及特点。
图1揭示的是本发明用弹簧装置将驱动器和传感器线圈连接到一对流量管上的第一实施例；
图2是沿图1的截面2-2所取的横截面图；
图3表示的是线圈和包括固定到一对流量管上的弹簧组件部分的磁体；
图4表示的是一个固定到互补效应流量计机座上的线圈；
图5表示的是本发明另一个可能的实施例，其中两个传感器的磁体和相配合的线圈位于一对流量管相对的表面上；
图6表示的是一种流量计，其具有附装到流量计的固定壳体上的印刷电路线圈和相应的位于一对流量管的顶部和底部上的磁体；
图7是沿图6的线7-7所取的横截面图；
图8表示的是扁平矩形线圈；
图9表示的是一个挠性组件，其包括一对印刷电路线圈，连接电路并安排以装放一个电连接器；
图10表示的是插入互补效应流量计外保护罩开口的图9的挠性连接器；和
图11表示另一个变换实施例，其中传感器线圈与一个中心与流量计质量中心相同的球面相切。
图1所表示的一种典型的互补效应质量流量计10具有两个固定到一个集合管管体30上的悬臂安装的流量管12，14，以便具有基本相同的弹性常数和关于各自的异相弯曲轴W-W和W′- W′的转动惯量。
一个驱动线圈和磁体D安装在流量管12，14的顶部130和130′之间的中部，以关于轴W-W和W′-W′异相振动流量管12，14。左传感器L和右传感器R安装靠近流量管12，14顶部各自的顶端以探测流量管12，14的相对运动。这种探测或者可以通过测量流量管12，14的顶端通过它们的零交叉的运动来实现，或者通过测量流量管的运动速率来实现。流量管12和14具有左侧支管131和131′及右侧支管134和134′。侧支管向下相互聚合并固定到集合管元件121和121′的表面120和120′上。将支撑挡板140R和140L钎接在流量管12，14的支管上，起限定轴W-W和W′-W′的作用，当经通路156激励驱动器D时，流量管关于轴W-W和W′-W′异相振动。轴W-W和W′-W′的位置由支撑挡板140R和140L在流量管侧支管131，131′和134，134′上的位移决定。
将温度检测器22安装到流量管14的侧支管131上以测量流量管的温度和在流量管中流动的材料的近似温度。用这个温度信息确定流量管弹性系数的变化。驱动器D，传感器L，R和温度检测器22通过通路156，157，158和159与质量流量测量装置24相连。质量流量测量装置24可以包括一个微处理器，该微处理器处理从传感器18，20和22接收的信号，以确定流经流量计10以及其它仪器的材料的质量流动速率，象材料密度和温度。质量流量测量装置24还经通路156向驱动器D提供驱动信号，以使管12和14关于轴W-W和W′-W′异相振动。
集合管管体30由铸件150，150′组成。铸件部件150，150′可通过法兰盘103，103′连接到供给管路和输出管路(没有示出)上。集合管管体30将材料流从供给管路传送给流量管12，14，然后流回到输出管路。当集合管法兰盘103和103′通过入口端104和出口端104′与一个运载有要测量的处理材料管路系统(没有示出)相连时，材料通过法兰盘103中的进入孔(没有示出)进入集合管管体30和集合管元件110，进入孔经过铸件部件150中截面逐渐改变的通道(没有示出)与流量管12，14相连。由集合管部件121将材料分开并确定路线分别进入流量管14和12的左支管131和131′。然后，材料流经顶部管部件131，131′和右侧支管134和134′，并重新组合成流量管集合管部件121′中的单独一个材料流。流体而后确定线路进入输出铸件部件150′中的通道(没有示出)，然后输出到集合管部件110′。输出端部104′通过具有螺栓孔102′的法兰盘103′与管路系统(没有示出)相连。
在图2中进一步详细地示出了驱动器部件D，图2是沿图1的线2-2所取的截面图。如图2更清楚地所示，驱动部件包括一个右弹簧149，一个左弹簧148，一个横梁147和一个安装在横梁147上的线圈142。这些部件包括一个子部件，将该子部件在弹簧148和149的末端分别装到流量管14和12的外表面上。磁体166固定到流量管12的外表面上，而磁体165被安装到流量管14的外表面上。这样安装磁体，即它们的北极朝向相同的方向(即朝向线圈)。线圈142的下表面具有足够的面积以包围磁体165和166的磁场。当作为一个驱动器工作时，图2的部件响应接收到的AC驱动信号，产生使磁体和附装有磁体的流量管彼此异相振动的电磁场。在这种做法中，使流量管，包括在流量管内流动的材料在流量管结构的谐振频率上彼此向内和向外移动。
左传感器元件L和右传感器元件R包括与图2所示的驱动器元件D的那些元件相似的元件。每个传感器元件的线圈响应流量管和它们相应的磁体的相对移动以产生代表流量管运动的输出信号。来自传感器元件L和R的线圈的输出信号经图1的通路157和158传送给质量流量测量装置部件24，部件24处理这些信号并产生代表对于在流量管12和14内流动的材料要测量的所需特性的输出信息。
当作为传感器工作时，部件L和R的磁体响应流量管12，14的异相运动以产生代表流量管彼此相对的相对速率的附加信号。关于同相振动由传感器的两个磁体的每一个所产生的信号相抵消，这样导致在传感器L和R的导线157或158上没有输出产生。
图3表示了关于一个线圈142及一对磁体165和166和流量管12和14的一个变换实施例。在图2的实施例中，磁体165和166直接固定到流量管12和14的外表面上。这需用一种办法(钎接，焊接等)将磁体固定到流量管上。图3的实施例与图2的实施例不同之处在于将线圈和磁体固定到包括横梁147和弹簧部件301…309的一个单独弹簧子组件上。以和图2所示相同的方式将线圈142固定到横梁147上。分别将磁体165和166固定到U型弹簧部件304和301的右转角端部306和302上。弹簧部件301具有180°弯曲部分308，由此弹簧部分301包括部分303，部分303在其另一端90°弯曲，弹簧部分301还包括部分302。磁体166固定到弹簧部分302的一侧，而弹簧部分302的另一个表面通过焊接或钎接固定到流量管12上。还将弹簧部分303的一个表面固定到流量管12上。弹簧部件304与弹簧部件301相似。
图3的实施例优于图2的实施例的地方在于其能允许事先将线圈和磁体作为分离的子配件进行制造，然后通过任何合适的附装装置固定到流量管12和14上。选择具有所需弹性和挠性的弹簧部件301和304，以使横梁147及其延伸到线圈142的缆线156关于流量管12和14的异相振动基本静止和不运动。为此，导体156不受振动影响，反过来，导体156的刚性，减振或其它机械特性不会对流量管12和14的异相振动产生不利影响。
和图2的情况一样，所示的由图3的实施例组成的部件包括图1的驱动器D。但是，除了线圈142的特性之外，驱动器D的部件与图1的左和右传感器L和R的部件相同或类似。因此，传感器部件L和R的结构与图2和3所示的结构相同。
图4表示了将一个非运动线圈142与固定到振动流量管12和14上的磁体165，166相联的另一个变换的设置安排。磁体165和166直接固定到流量管12和14上。线圈142所在的平面与磁体165和166的表面接近但分开一定间隔，以在线圈142的平面和磁体165及166之间形成一个预定间隔。线圈142通过任何象螺钉S这样的适宜装置固定到具有元件402-406的支架上。支架的腿部404和405固定到流量计外壳401的内表面上。外壳401包住图1的流量管组件12和14。
图4的实施例具有比图2和图3的实施例复杂性低一些的优点；但是，图4的实施例附带的缺点是支架和线圈必须关于外壳401精确定位，而后必须将外壳401精确安装到测量计组件上，以使磁体165和166与线圈142之间的间隔相等。当流量计处于工作状态和受到环境温度影响时，由于温度变化不会等同地影响磁体和线圈142之间的间隔大小，所以，还需要延伸壳体或外壳401。
此外，会存在一个潜在的问题，即当壳体相对管子振动时形成周期改变的间隔。
图5的实施例在所有方面与图1的实施例相同，只是除了关于流量管14的右侧传感器R及其相应的象线圈143和磁体158这样的部件是安装在流量管内侧部分，而不是象图1那样将传感器R及其相应的部件安装在外侧部分。
在图5中应注意到左传感器部件L的磁体和线圈与右传感器R的磁体和线圈分别位于流量管12和14的内表面和外表面。这种设置的优点在于，对于流量管的横向同相振动或运动，由于如果传感器部件L和R向左移动，它们各自的线圈和磁体之间的间隔就会增大，所以，间隔是同时增加而且增加的大小相同。另一方面如果传感器部件L和R向右移动，每一个传感器的磁体和线圈之间的间隔同时减小。这种设置防止了在一个传感器的间隔增加的同时，而另一个传感器的间隔减小。如果是这种情况，来自每个传感器的输出信号的相对幅值不再相等，并且使质量流量测量部件24的信号处理功能更困难。
图5只是图1的测量计的前视图，因此只表示了流量管14及其磁体145，155和158。在图5中没有示出流量管12，但应知道流量管12就紧挨在流量管14之后，还应知道必须在流量管12上固定有与图1所示相同的磁体和其它部件。
图6，7和8一起表示了本发明另一个实施例，其中每一个都含有三个线圈的一对印刷电路(PC)板位于装备有相配合的磁体的一对流量管的上部支管的上面和下面，以实现图6的实施例的驱动器和传感器功能。在图6中，将上部PC电路板称为部件604。PC板604位于流量管12和14之上。下部PC线路板是部件608并位于流量管12和14的上部支管之下。每块PC线路板具有一个埋入其中部的扁平线圈以及在其端部的每一个中的扁平埋入线圈。PC线路板604的中部线圈是602，左和右端线圈是601和603。虽然在图6中不能清楚看见，但是，下部PC线路板608具有三个与PC线路板604上的线圈相对应的线圈，PC板608的三个线圈平行于板604的相对应的线圈并紧挨在这些对应线圈的下面。
在图6中，磁体611，612和613位于并固定到流量管14的下部，以分别与下部PC印刷线路板608的左端，中部和右端的线圈相配合。磁体614，616和617固定到流量管14的上部表面，以分别与印刷线路板604的线圈601，602和603相配合。
图7是沿图6的线7-7所取的截面图，并进一步详细地表示了与驱动器D相关的结构部件。在图7中进一步详细表示的部件包括在PC板604上的线圈602和在PC板608上与其相对应的线圈602A。在图6中没有表示与流量管12相联系的磁体。但是，关于驱动器部件D这些磁体表示在图7中，是部件712和714。
应注意埋入线路板604和608中的线圈是矩形而不是圆形。这些线圈详细地表示在图8中，其中假定所表示的线圈是图10的驱动线圈602。前面的磁体616固定到流量管14的上部。相对应的磁体没有表示在图6中，但固定到流量管12上，并在图8中表示为部件714。线路板604的其它线圈601和603以及线路板608的三个对应线圈也是矩形的并与图8所示的线圈602相同。
还应注意到用一个单独磁体代替磁体612和614，类似地对磁体712和714也这样，可以简化组件。这些更长的单片磁体能够附装到管12和14的外侧而不是上部和底部。这些磁体的工作情况与两部分组件的工作情况相同。一般来说，两个管子的物理距离决定了实际的线圈大小，尤其是线圈的宽度。将磁体设置在管子的侧面还能够扩展PC线圈的宽度，由此降低线圈对同相运动和振动的灵敏性。沿管轴的方向，在磁体和PC线圈的长的平行导体之间的相对运动不会产生任何电压或不会影响由管振动产生的电压。
扁平矩形线圈埋入PC线路板的优点在于与由磁性线制成的分立的线圈相比，成本更低而受环境温度的影响更小。图8的线圈比分立的线圈更容易密封。而且，对于埋入的线圈，在制造和组装过程中没有薄导线要处理。与埋入线圈的分立的对应物相比，埋入线圈还具有体积和重量更小以及其它的优点，这主要是由于制造过程非常容易重复。
在图8上示出了磁体616和714和相关的线圈606。这些磁体在工作过程中沿竖直方向彼此异相运动。这的确不用考虑图8所示的特定结构是代表驱动器，还是代表传感器。关于图8应注意到，磁体的运动能使磁体所产生的磁场与基本是直线的导体相交，而不是与弯曲的导体相交。在线圈和磁体作为传感器工作时这会消除谐波，并通过减少谐波的数量来改善信号的线性，如果相应的磁体的磁场与弯曲导体而不是直线导体相交，就会在传感器的输出信号中产生这种谐波。
在图6和7上没有示出图6和7的线圈之间的内部连接和相应的电子部件。图9和10表示了本发明的优选实施例，其中线路板对604和608的相应的线圈彼此串联连接。图9和10还表示了这些线圈能与质量流量测量部件24相连的方式。
图9表示了线路板对604和608，在每块线路板中埋入有三个线圈。线路板604的线圈是601，602和603。线路板608的相应线圈用相同的标号加上后缀A来表示。两块线路板相对应的线圈串联连接。驱动线圈602和602A象传感器线圈的601和603组那样串联连接。两块线路板的线圈通过连接在板604和板608之间的挠性线路901而内部连接。挠性线路901在其中部902与关于连接器插头的连接器PC底座903相连。这些插头适于与底板连接器相配合，以使线路板的线圈线路与驱动信号源和电子部件24的输入端相连。
图10表示了图9的线路板和连接器插头怎样与流量计的结构相接。图10表示了流量计外壳1001的部分细节。这个外壳具有一个装放连接器1002及其插头1003的开口。壳1001固定到一对支架1004和1005每一个的一条腿上，而两块线路板固定到每个支架的另外的腿上。例如，关于支架1004，其左腿与流量计的壳1001相连，而其另一条腿通过其底部表面与包含线圈602的PC板604相连。图10是一个截面图。印刷线路板604包含其有效平面平行于磁体712和612上部表面的线圈602，磁体712和612又固定在流量管12和14上。磁体712，612和线圈602之间的间隔在工作中保持均匀一致。这对于驱动部件及线圈和传感器部件相应的磁体都是如此。
与线圈602A的平面相配合的磁体714和614分别固定到图10的流量管12和14的底部。
图11表示了另一个实施例，其使因振动或固定到流量管上的磁体和固定到流量计的静止部件上的传感线圈之间的相对运动产生的间隔大小的改变的问题最小。图11的实施例在结构上与图1相似的地方在于其包括流量计10的机壳30，在机壳30上固定有一对流量管14和12，而在图11上只能看见流量管14。在流量管基本为直线的上部130的左端和右端分别具有左传感器L和右传感器R。磁体1103和1104和图11上的管12的它们对应物(没有示出)一起固定到流量管上。由支架1420和1421将左线圈1101和右线圈1102固定到静止部件(没有示出)。
在工作中，流量管和相连的磁体可以关于刚性固定到流量计上的传感器线圈L和R同相振动。不用再说，由象流量计是其一部分的系统的振动的这样的环境条件所产生的振动能够导致线圈和磁体之间的距离(间隔)产生变化。这种变化会影响线圈L和R的信号幅度，进而使信号处理功能出现问题或变差。通过如图所示这样安装传感器L和R，即使它们与中心CM是流量管系统的动态质量的球心的环1120相切，图11的实施例使磁体和线圈的这种相对移动的影响最小。由于如图8所示线圈1101和1102是矩形，所以，流量管和磁体关于线圈的相对运动，使它们以半径1121和1122关于质量的球心CM移动。这种相对运动不改变间隔大小，而只是磁体关于线圈有横向移动。对于在流量管上部130每一端的一对磁体，这个横向位移是同相的。这种同相移动有效地抵消了由每个磁体所产生的信号，而使每个线圈不产生输出信号作为这种同相横向移动的结果。图11的结构实质上是球形，使流量管的上述同相相对移动在线圈L和R没有产生输出信号，而不管流量管运动的方向，即如图11所示左或右，内和外。
图11的实施例的优点限于这样一种结构，其中线圈1101和1102刚性固定到外面部件上。图11的实施例的优点不适用于图2和3的实施例，因为图2和3的实施例本来就会阻止磁体和线圈有同相相对运动。
从以上说明中能够知道，本发明有益地提供了以非可移动方式安装互补流量计的传感器和驱动线圈的装置，以使在磁体和线圈所关联的流量管异相振动时，线圈不移动。线圈的这种非可移动安装使线圈能够通过其特性不会改变互补流量计在工作时所产生的输出信息的性能或精度的电导体与相对应的电子部件相连。
要清楚地知道，所要求的本发明不限于最佳实施例的说明，而是包括在本发明的范围和主题内的其它改进和变化。