专利名称：Coriolis质量流量计的高温驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来在温度可达到650°F的高温环境中工作的激发系统，尤其涉及在高温环境中工作的Coriolis流量计。本发明还涉及到将Coriolis流量计安置在流量管回路的顶部外侧以使该激发系统的效率最高。
问题的提出众所周知，在1985年1月1日授与J.E.Smith等人的美国专利No.4,491,025和1982年2月11日授与J.E.Smith的丈献号为31,450的专利中，公开了利用Coriolis效应质量流量计来测量流经一管管的物质的质量流量率和其它数据。这些流量计具有一个或多个弯曲构形的流量管。在Coriolis质量流量计中每一流量管构形具有一组自然振动模式，它们可以是简单的弯曲、扭转、辐射或耦合式的。每一流量管被激发来按这些自然模式中的一种进行谐振振荡。充以振动物质系统的自然振动模式部分地由这些流量管和其内物质的综合质量限定的。物质自连于流量计进口侧上的管道流入该流量计。该物质然后经该流量管引导，从该流量计排出，流到连于该出口侧的管道。
激发器施加一个使该流量管振荡的力。当没有物质流过该流量计时，沿流量管的所有地点以同一相位振荡。当物质开始流过该流量管时，Coriolis加速作用使沿流量管的每一点相对于其余的点具有不同的相位。流量管进口侧的相位滞后于该激发器，而出口侧的相位领先于该激发器，在该流量计的两不同地点安置一些传感器来产生代表该流量管在该两点处的运动的正弦波信号。
自该两传感器接收到的两信号的相位差以时间单位计算。该两传感器信号间的相位差与流过该流量管的物质的质量流量率成正比。该物质的质量流量率是由该相位差来以一流量校正系数来决定的。该流量校正系数是由物质性质和该流量管的横截面性质所决定的。
通常用于Coriolis流量计中的一种激发器是电磁激发器。一种普通的电磁激发器具有一磁铁，其第一表面与一线圈相对。该磁铁被(σ)定到一第一流量管上，而该线圈被固定到一第二流量管上。该磁铁和线圈是经过平衡的，以利于振荡。在一个优先实施例中，使该磁铁的磁极连结于与线圈相对磁铁端，以延长该磁铁。对该线圈施加一交流电流，使线圈和磁铁交替地彼此吸引和排斥。这便使流量管振荡。一磁铁保持件将磁铁封闭，将磁道导入线圈绕组。通常采用塑料套筒来使磁铁、磁极、磁铁保持件和线圈对齐。磁极、磁铁和磁铁保持件通常用环氧树脂粘结剂或其它种类的胶粘物彼此固定。
将普通的电磁激发器装入在温度可达650°F的高温环境中工作的Coriolis流量计内是个问题。在这样高温下，用于对齐和固定激发器部件的塑料和粘结剂便会分解，使激发器中产生机械故障。因此，需要一种激发器，它不含在高温环境中分解的物质。
在Coriolis流量计激发装置中存在的第二个问题是需要激发器效率高。在通常用于测量流经3英寸管道的流量的中等尺寸流量计中，激发器效率尤其是个问题。在小的流量计中，效率不是个问题，因为由测量发送机施加于激发器的功率足以产生足够的力来使流量管振荡。在大流量计中，激发器的效率一般不存在问题，因为通常将一放大器加到激发电路上，以增加施加于线圈的功率。这保证了激发器能施加一足够大的力来使大流量管产生振荡。加到大流量计激发器上的放大器是昂贵的，并大大增加了流量计的设计和制造成本。
在中等尺寸流量计中，由测量发送机施加于激发器的功率通常足以激发流量管。然而，激发器须有极高的效率，因为在可用功率和为激发流量管所需的功率之间没有太多的余地。因此特别在这些中等尺寸流量机中需要更有效的流量管激发器。解决方案通过提供一高温激发器，解决了上述和其它的问题，并在该技术领域中向前迈进了一步。该高温激发器由在高温下不分解的材料构成。高温激发器的所有部件由具有匹配的热膨胀系数的材料制成，以允许该材料以相同的膨胀率和收缩率膨胀和收缩，防止因高温而损坏该激发器。
该高温激发器的线圈组件连结于一第一流量管，其磁铁组件固定于一第二流量管。激发器的磁铁组件按如下方式构形，以避免采用塑料和胶结物来固定或对齐这些组件。在磁铁第一端上的第一表面并列于线圈的第一端。磁极是一固定于磁铁第一表面的金属件，处于磁铁的线圈之间，该第一表面面对线圈。当交流电流作用于线圈时，磁极被线圈交替地吸引和排斥。磁极通过在磁板第二表面上制出的凹口(σ)定于磁铁的第一表面，该凹口接钠磁铁的第一端，盖住磁铁的第一表面。磁性吸力将磁极保持在磁铁的适当位置上。磁铁的第二端被压入磁铁套筒内。然后将磁铁套筒钎焊或焊接到磁铁保持件的表面上。磁铁保持件是一个平台，它是磁铁组件的基座。在磁铁保持件相反侧上的两壁部基本上封闭了该磁铁，从而将磁铁的磁力线导入线圈绕组。磁场的约束保持了磁铁和线圈之间的对准。一些安装架固定于磁铁保持件的第二表面上，并钎焊于将磁铁组件固定于流量管的第二流量管上。
按下列方式来构形线圈组件，以避免在激发器中采用塑料和胶粘物。线圈固定于一线圈架，线圈架固定于线圈间隔件的第一表面。该线圈间隔件具有足够的质量，用作平衡该磁铁组件。一些固定架固定于线圈间隔件的第二表面，从而将线圈固定于第一流量管。
在Coriolis流量计内，通过将激发器固定于流量管回路顶部的流量管外侧上的流量管，该高温激发器同样制成具有较高的效率。该回路外侧的位置是管子振荡幅度最大的位置，它在激发器内产生一大量的反电动势(EMF)。该激发器的位置还增加了激发器和流量管上的支杆间的距离，这为激发器振荡这些流量管带来较大的机械利益即杠杆作用。
下面说明按权利要求书限定的本发明的几个方面。本发明的第一方面是能在高温环境中工作的Coriolis流量计的激发装置具有一磁铁和一与该磁铁的第一端对置安装线圈。该激发装置包括具有第一和第二表面的磁铁保持件。一耐高温装置将磁铁的第二端连接于磁铁保持件的第一表面。该用于连接的耐高温装置(220)包含一磁铁套筒，使磁铁的第二端压配合到磁铁套筒内，而磁铁套筒焊于磁铁保持件。该激发器还包含用以将磁铁保持件连接于流量管的装置以及将线圈连接于流量管的装置。
按照本发明的另一方面，该激发装置还包含一些自磁铁保持件的第一表面向外延伸的壁，它们至少部分地封闭该磁铁，以便引导磁铁的磁力线，使磁铁和线圈的振荡最佳。
按照本发明的另一方面，该激发装置在达到345°F的高温环境中工作。
按照本发明的另一方面，该激发装置由具有匹配的热膨胀系数的材料组成。
按照本发明的另一方面，该激发装置包含一线圈间隔件，后者具有一个固定连接于线圈第二端的第一表面，并具有足够大的质量，构成对磁铁的配重。
按照本发明的另一方面，用以将磁铁保持件连接于流量管的装置是固定于磁铁保持件第二表面的第一组安装架。
按照本发明的另一方面，用以将线圈连接于流量管的装置是固定于线圈间隙件第二表面的第二组安装架。
按照本发明的另一方面，第一组安装架固定于第一流量管的顶侧，而第二组安装架固定于第二流量管的顶侧。
按照本发明的另一方面，第一和第二组安装架各自包含一个用以连接于所述激发装置的基座，一个自该基座大致垂直延伸的翼板；和一个固定连接于一流量管的翼板第一端上的圆弧棱边。
按照本发明的另一方面，该激发装置还包含一磁极，它被加工成能盖住磁铁的第一端，并被磁性吸力保持在磁铁上的适当位置。
详细说明总的Coriolis流量计(
图1)。
图1表示-Coriolis流量计5，包括一流量计组件10的流量计电子部件20。流量机电子部件20经引线100连接于流量计组件10，以提供密度，质量流量率，容积流量率，总质量流量和关于线路26的其它数据。熟悉本技术的人们应当明白，本发明能应用于任何型式的Coriolis流量计，而与激发器的数量及拾取传感器的数量无关。
流量计组件10包含一对法兰101和101＇，岐管102和流量管103A和103B。连接于流量管103A和103B的是激发器104与拾取传感器105和105＇。系杆106和106＇作来界定各流量管103A和103B绕其振荡的轴线W和W＇。
当将流量计组件10插入到一输送被测量的物质的管道系统(未示)内时，物质经法兰101进入流量计组件10，通过岐管102，在那里，引导该物质进入流量管103A和103B，流过流量管103A和103B，而后返回到岐管102，在那里，经法兰101＇流出流量计组件10。
选择流量管103A和103B，并适当地安装于岐管102上，以便分别用绕弯曲轴线W-W和W＇-W＇基本上具有相同的质量分布，惯性矩和弹性模数。这些流量管以基本上平行的方式自该岐管向外延伸。
流量管103A-B由高温激发器104沿相反的方向绕它们各自的被称作流量计的快速输出弯折(first not of bcnding fato1)弯曲轴线W和W＇激振。高温激发器104是包括一个安装于流量管103A的磁铁和一个安装于流量管103B的对置线圈的激发装置。一交流电激发信号由流量计电子部件20经引线110作用于激发器104，促使激发器104振荡流量管103A-B。
为使高温激发器104的效率最高，将激发器104安装于由流量管103A和103B构成的回路的外侧。将高温激发器104安置于回路的外侧，是因为在那里流量管的振幅最大。随着振幅的增加，在线圈和磁铁之间产生的反电动势增加。反电动势的增加提高了激发器104的效率。
反电动势的增加是激发器104内线圈和磁铁之间运动的较大幅值在起作用。下列方程式决定了由激发器104产生的反电动势量。
EMFback=(B*V)*L(1)其中B=磁道密度；V=线圈相对于磁铁的速度；L=线圈长度。
根据上面所述，方程式V可由下式确定V=2*A*ω(2)其中由磁铁和线圈两者振荡，故等以2；A=线圈和磁铁之间位移幅度；
ω=线圈相对于磁铁的角速度。
已知ω=2*II*F其中F=管子频率将方程式(2)和(3)代入方程式(1)，产生下列方程式EMFback=B*4*A*II*F*L(4)可以假定，在一给定的激发器中，B和L为常数。因此，为使反电动势增加只能增加A或F。为增加该幅值，必须将磁铁和线圈安置在流量管上适当的位置，在这个位置上，流量管顶部移离最大的距离。
将激发器104安装在流量管回路外侧的第二个优点是系杆106-106＇和激发器104之间的距离加大。距离的增加对于激发器104振荡流量管103A-B来说产生了较大的机械利益，即使轴线W-W＇的杠杆作用。该较大的机械利益还提高了激发器104的效率。下面是激发器104在流量管顶部上的位置提高了激发器104效率的证明。
已知为移动诸如流量管的悬臂所需的力F用下面方程式表示F=(-3*Y*E*I)/L3(5)其中Y=流量管的偏移；E=弹性模数；I=惯性矩；L=悬臂长度，它是激发器距系杆或流量计流量表的距离。
随着长度的增加，为振荡这些流量管所需的力减小。这确保了所有Y保持不变。由于为振荡这些流量管所需的力减小，为振荡这些流量管的功率减小。所需功率的减小是得到下列方程式验证的功=2{(F*A)-(F*-A)}(6)其中A=管子振荡的距离功率=功/时间(7)将方程式(6)代入方程式(7)，产生如下方程式功率=2*{(F*A)-(F*-A)}/时间(8)重整方程式(8)产生
功率*时间=2*(F*A)2(9)由方程式(9)可以看到，随着F减小，每单位时间内为振荡流量管所需的功率减小。由方程式(6)可以看到随着机械悬臂长度增加，力减小。因此，将激发器安置于回路的顶侧由于增加了悬臂的长度便减小了为激发流量管所需的功率。
仪表电子部件20接收分别出现在引线111和111＇上的左右速度信号。仪表电子部件20在引线110上产生激发信号，它促使激发器104去振荡流量管103A和103B。仪表电子部件20处理左、右速度信号来计算流经该流量管的物质的质量流量率和其它的参数。线路26构成允许仪表电子部件20与操作器连系的一输入和一输出装置。高温激发器系统104(图2和3)在图2和3中表示了高温激发器104。为便于讨论高温激发器104部件之间的关系，在下面的讨论中，将断续地参照图2和3。高温激发器104并不具有任何在温度显著高于环境温度并可达到650°F的高温环境中会分解的塑料部件。在现有技术激发器中通常用于彼此固定部件的环氧树脂和其它粘结剂不用于高温激发器104中，因为这些粘结剂往往会在高温环境中分解。本发明的观点是采用一耐高温的装置来将磁铁230连结于一磁铁保持件。在图2和3所示的优先的示例性实施例中，连结该磁铁和磁铁保持件210的装置是磁铁套筒230。然而，可以想象，可采用包含一锁定装置，一螺钉和支承开口，或和磁铁压配合的凹穴，但不限于上述措施的其它方法来将磁铁230连结于磁铁保持件210。
高温激发器104的部件由具有大致相同的热膨胀系数(CTE)的材料制成。该大致相同的CTE允许该材料在温度变化时以相同的膨胀率和收缩率膨胀和收缩，而不会损坏高温激发器104。高温激发器具有磁铁组件201和线圈组件202。磁铁230和线圈250彼此对置以形成激发器104的振荡。磁铁组件201的基座是磁铁保持件210。磁铁保持件210有一大致椭圆形平台211，平台带有第一表面212和第二表面312。壁213和214自第一表面212的大致圆形端向外伸出。壁213和214各自具有一个自壁端217向内伸出的边缘。壁213和214控磁铁230磁场的尺寸和方向，以保持磁铁230和线圈250对准。
安装架281固定于磁铁保持件210的第二端211。安装架281有一基板和一垂直于该基板延伸的翼板283。该翼板有一底缘，它呈弧形，和流量管配合。翼板283的弧形底缘钎焊或焊接于流量管，将磁性组件201固定于这些流量管。螺钉282穿过垫圈284、安装架281的开口285和磁铁保持件210的开口313，将安装架281固定于磁铁保持件210。
磁铁230为大致圆柱形，具有第一端231和第二端232。磁铁230与磁铁套筒220成压配合。磁铁套筒220由能被钎焊或焊接到磁铁保持件的第一表面212上的材料制成，将磁铁230固定于磁铁组件201。在该示例性优先实施例中，磁铁套筒220是一碳钢环，有一开口221，其半径尺寸定得略小于磁铁230的半径。
磁极240由磁性材料制成，固定于磁铁230的第一端231。磁极240被线圈250吸引和排斥，使高温激发器104振荡。磁极240具有一个自表面342的边缘向外延伸的壁343界定的内穴341。内穴341接纳磁铁230的第一端231，构成磁铁230的罩帽。磁极240和磁铁230之间的磁性吸力将磁极240保持在适当位置上。
线圈250用作一电磁体。当交流电流作用于线圈250时，线圈的极性发生变化。线圈250中极性的变化使磁极240与线圈250交替地吸引和排斥。当磁极240被线圈250排斥时，磁铁组件201被推离线圈组件202。当磁极240和线圈250吸引时，磁铁组件被拉向线圈组件202。
线圈250用绕线圈架260绕制。线圈架260是一绝缘的绕线管，用作线圈250的支架。在该优先实施例中，线圈架260是一具有一开口262的平台261。电线(未示)对线圈250输送电流。螺栓294经线圈间隔件270的开口271和线圈架260的开口264插入，将线圈架260固定于线圈间隔件270。
线圈间隔件270是线圈组件202的基座。磁铁组件201和线圈组件202须有相同的质量，使得当电流作用于线圈250时激发器104的振荡交替。线圈间隔件270具有足够大的质量，用作磁铁组件201的配重。对线圈组件202须加一配重，因为磁铁230和磁铁组件201的其它组件的质量大于线圈组件202的质量。间隔件272自线圈间隔件270的第一端372向外延伸。间隔件272固定于线圈架270，并增加了线圈组件202的宽度。该附加的宽度为将线圈250安置在贴紧磁极240的位置上是需要的。安装架291固定于线圈间隔件270的第二端272。
安装架291有一基板和一自该基础大致垂直延伸的翼板293。翼板293制有一弧形底缘，与流量管的弧度相配合。该弧形底缘钎焊或焊接于流量管。线圈组件202由螺栓294保持在一起，螺栓穿过开口292,271和262。将螺母295和垫圈296拧在经开口262伸出的螺栓294的端部，以紧固螺栓294。应当指出，熟悉该技术的人们会考虑，可采用诸如将这些部件钎焊或焊接在一起的其它方法来固定线圈组件202的部件。
上面所述是Coriolis流量计中固定于回路顶侧的高温激发器的一个示例性实施例。可以设想，在不背离由所附权利要求书限制的本发明的精神和范围内，熟悉该技术的人们能够并且将会设计另一种高温激发器或等同物。
权利要求
1．一种能在高温环境中工作的Coriolis流量计(5)的激发装置(104)，具有一磁铁(230)和一与所述磁铁(230)的第一端(231)以对置方式安装的线圈(250)，该激发装置包括一个磁铁保持件(210)具有一第一表面(212)和一第二表面(213)；耐高温装置(220)，用以将磁铁(230)的第二端(232)连结于磁铁保持件(210)的第一表面(212)，其中用以连结的耐高温装置(220)包含一磁铁套筒(220)，使磁铁(230)的第二端(232)在配合外磁铁套筒(220)内，磁铁套筒(220)焊接于磁铁保持件(210)；用以将磁铁保持件(210)连结于Coriolis流量计(5)内的流量管装置(103A-103B)的装置(281)；用以将线圈(250)连结于流量管装置(103A-103B)的装置(291)。
2．按权利要求1所述的激发装置，其特征在于还包括自磁铁保持件(212)的第一表面(212)向外延伸并至少部分地封密该磁铁(230)以引导磁铁(230)的磁力线，使磁铁(230)和线圈(250)的振荡最佳的壁(213-214)。
3．按权利要求2所述的激发装置(104)，其特征在于所述高温环境达到650°F。
4．按权利要求1所述的激发装置(104)，其特征在于激发装置(104)由具有匹配的热膨胀系数的材料组成。
5．按权利要求1所述的激发装置(104)，其特征在于还包括一个线圈间隔件(270)，其第一表面固定连接于所述线圈的第二端，具有足够大的质量以构成所述磁铁(230)的配重。
6．按权利要求5所述的激发装置(104)，其特征在于所述用以将磁铁保持件(210)连结于流量管装置(103A-103B)的装置(281)包括一固定于磁铁保持件(210)的第二表面(211)的第一组安装架(281)。
7．按权利要求6所述的激发装置(104)，其特征在于所述用以将线圈(250)连结于流量管装置(103A-103B)的装置(291)包括一固定于线圈间隔件(270)的第二表面的第二组安装架(291)。
8．按权利要求7所述的激发装置(104)，其特征在于所述第一组安装架(281)固定于第一流量管(103A)的顶侧，而第二组安装架(291)则固定于第二流量管的顶侧。
9．按权利要求8所述的激发装置(104)，其特征在于所述第一和第二组安装架各包括一个用以连结所述激发装置的基座；一个自所述基座大致垂直延伸的翼板(293)；一个在固定连接于所述流量管的所述翼板第一端上的弧形边缘。
10．按权利要求1所述的激发装置(104)，其特征在于还包括一个经机加工能盖住磁铁(230)第一端(231)并由磁铁的磁性吸力保持就位的磁极(240)。
全文摘要
一种用于高温环境中的激发装置(104)。该激发装置(104)由能经受高温而不分解的材料制成。在该激发装置(104)中不使用塑料或环氧树脂粘结剂。通过将该增发系统安置在进、出口之间的流量管回路的流量管外侧道使该激发装置具有更高的效率。
文档编号G01F1/84GK1314993SQ99810078
公开日2001年9月26日 申请日期1999年8月11日 优先权日1998年8月26日
发明者D·L·坎贝尔, J·R·麦卡斯, K·L·麦科尔米克, D·P·麦努尔蒂 申请人:微动公司