專利名稱：一種跳繩曲線型振管及采用該振管的科氏力質量流量計的制作方法
技術領域：
本發明屬于測量儀器，具體涉及一種科氏力質量流量計及其振管。
背景技術：
科里奧利力(以下簡稱科氏力)質量流量計是一種新型質量流量計，它可以直接測量介質的質量流量、密度、溫度，配合智能變送器，用戶還可得到其他計算參數，如質量總量、體積流量、體積總量等。目前，已有多種型式的科氏力質量流量計。從振管型式分有單管式、雙管式。從形狀上分有直管式和彎管式。而彎管又分為U型管、T型管、水滴型管、箭頭型管、雙環路型管、弓型管、Ω型管、S型管、B型管和螺線型管等管型。
彎管式質量流量計的振管一般為如圖1中標號3所示的只在一個平面內上下或左右彎曲的管體，且左右對稱，而在前后方向上沒有任何彎曲。對雙管式科氏力質量流量計，這樣的振管有前、后兩個，相互分開一定距離平行設置，圖1中后面的振管被前面的擋著，因而未能畫出。振管3(兩振管共同)穿經隔振板2后其端部到達軸向連接座9，隔振板、軸向連接座分別與振管焊接連接。每個振管的兩個管口分別與軸向連接座內的左右兩個分水器連通，再由分水器連通到軸向連接座兩端的法蘭或接頭8，由此與外部管道相連通。被測流體即沿著外部管道流進法蘭、分水器、振管、分水器、法蘭，再流進另一側的外部管道。
上述隔振板、軸向連接座、分水器和法蘭可合稱為輔助機械裝置。
振管的形狀一般以管體的中心線的形狀來定義，又分為振管橫截面的質量重心所連接成的質量中心線、按截面幾何中心所連接成的幾何中心線。這里所涉及的都是質量沿振管橫截面徑向均布的振管，因此其質量中心線與幾何中心線相同，以下統稱為中心線。對管徑均勻的振管來說，振管的內側或外側管壁的彎曲形狀與振管的中心線形狀相同，只有較小的比例變化。
現有技術的科氏力質量流量計除了包括振管和前述輔助機械裝置以外，還包括激勵振管產生機械振動的激振裝置、測取振管振動信號的檢測裝置，以及將檢測到的振動信號變換為所需形式的測量結果的變送器。
目前所有彎曲振管的管型，其彎管中心線形狀均為規整的幾何形狀，如1、U型管中心線形狀是一半圓形和兩條直線的組合。(肖素琴、韓厚義主編的《質量流量計》，中國石化出版社，1999年3月第一版。)2、T型管中心線形狀是半圓形、90度圓弧和直線的組合。(T型管質量流量計，中國專利號96209992.9，實用新型專利，中國測試技術研究院。)3、箭頭型管中心線形狀是圓弧和直線的組合。(科氏力質量流量計用箭頭型振動管，中國專利號98249891.8，實用新型專利，中國測試技術研究院。)4、水滴型管中心線形狀是曲線、圓弧和直線的組合。(科氏力質量流量計用水滴型振動管，中國專利號98249890.X，實用新型專利，中國測試技術研究院。)5、弓型管中心線形狀是段圓弧。(科里奧利質量流量計，中國專利號00129058.4，發明專利，株式會社橢圓(日本)。)6、雙環路型管中心線形狀近似三角形。(雙環路型科里奧利質量流量計，中國專利號98803311.9，發明專利，微動公司(美國)。)當彎管振動時，除了沿振管曲線切線方向所受的應力，和管中介質流動使振管扭轉的科里奧利力外，還會產生慣性力。切向應力和慣性力處于同一平面，科里奧利力與上述力的平面垂直。理論上，科里奧利力不受切向應力和慣性力的影響，但如果振管平面內的應力和慣性力不能處于平衡狀態，力的長期作用，將使振管形狀發生微小改變。如振管截面因長期受力不均，會由圓形變為橢圓。如果雙管式振管的兩振管形變不一致，將使兩管所產生的科里奧利力不對稱，因而會引起振動偏差，使測量結果出現誤差，導致質量流量計的長期穩定性變壞，使用一段時間，其不確定度指標會偏離出廠的檢定結果。而目前所有彎管式科氏力質量流量計的缺點即在于此。
發明內容
本發明的目的就是要提供一種應力和慣性力在各處都相互平衡，從而能使形狀保持長期穩定不變的振管，進而提供一種采用該振管，能保持長期精度穩定性的質量流量計。
本發明實現上述目的的技術方案一種科氏力質量流量計的振管，其特征是所述振管的中心線形狀全部或部分為跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。
一種科氏力質量流量計，包括振管、輔助機械裝置、激振裝置、檢測裝置和變送器，其特征是所述振管的中心線形狀全部或部分為跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。
采用上述技術方案，本發明突出的技術進步在于振管的中心線形狀是依據振管在振動時的應力和慣性力相平衡計算出來的，具有長期穩定性、重復性及工藝性好等特點，振管形狀能保持長期穩定不變，采用該振管的質量流量計能保持長期的精度穩定性。
圖1、現有科氏力質量流量計的機械結構示意2、曲線型振管受力分析示意3、本發明的跳繩曲線型振管的中心線示意4、本發明的科氏力質量流量計機械結構示意圖具體實施方式
實施例1本實施例專門涉及振管部分，經過下述分析計算，獲得類似跳繩時的柔性繩索的曲線函數式，并提出使振管彎制成其中心線類似上述跳繩曲線的加工方法。
以振管的中心線繪出的曲線如圖2所示，該振管的振動可看成繞X軸以角速度ω轉動。因為該曲線對Y軸對稱，這里僅取X為正的右半部來分析。將振管視為完全柔性，則圖2中曲線頂部水平張力為F0，切向張力S的兩個分量為Sy＝S·sinθ ------------------------(1)Sx＝S·cosθ ------------------------(2)在曲線上取一微小長度dl，其上作用著慣性力dPydPy＝-γ·dl·y·ω2---------------------(3)γ跳繩曲線振管的線密度，單位kg/m；ω跳繩曲線振管的轉動角速度，單位1/s；由幾何關系知dl=1+(dydx)2·dx---(4)]]>對跳繩曲線來說，在以上各力的作用下，該曲線各處都應處于上述各力平衡狀態，因此得∑Fx＝0；Sx-F0＝0 -------------(5)ΣFy=0;Sy-∫0XdPy=0---(6)]]>由圖1可知曲線邊界條件為
x＝0時；dydx=0---(7)]]>x＝0時；y＝-H---------------------(8)由上述公式(1)至(8)聯立求解，可獲得跳繩曲線上斜率與縱坐標高的幾何關系dydx=±[K2H2(1-y2H2)+1]2-1---(9)]]>式中K=γ·ω2F0,]]>單位1/m2；由(9)式積分得x(y)=∫-HY±1[K2H2(1-y2H2)+1]2-1·dy---(10)]]>根據邊界條件，y＝0時，dydx=tgθ0,]]>代入(9)式得tgθ0=±(K2H2+1)2-1---(11)]]>或K2H2=tg2θ0+1-1=1cosθ0-1---(12)]]>將式(12)代入式(10)得x(y)=∫-Hy±1[(1cosθ0-1)·(1-y2H2)+1]2-1·dy---(13)]]>(13)式即為跳繩曲線函數式的積分表達公式。由該式可知，只要確定了曲線的起始角θ0和高H，就可通過數值積分獲得唯一的跳繩曲線，而與振管的線密度和水平張力無關。
若選取起始角為60度，曲線高為168.6mm時的跳繩曲線計算公式如下x(y)=∫-168.6y±1{[1cos(60·π180)-1]·(1-y2168.62+1)}2-1·dy]]>圖3為用該組數據和相應函數式繪出的跳繩曲線的完整圖形，圖中底部所標為X坐標數值，左側所標為Y坐標數值。
起始角θ0和高H的選取原則為
1、根據彎管工藝所能彎曲的最小弧度，或彎管進出口之間的最大距離，來初步確定起始角θ0；2、依據振動頻率、彈性模量和慣性矩等計算出的振管長，來初步確定高H；跳繩曲線的線長由下式確定2×∫-H01+{1[(1cosθ0-1)(1-y2H2)+1]2-1}2·dy;]]>3、通過多次試算，最后確定滿足上述1、2兩條的起始角θ0和高H。
由跳繩曲線的推導過程可知，該曲線各處的應力和慣性力都相互抵消平衡，因此以該曲線為中心線的振管也不會再受不平衡力的影響。
應用中，振管的中心線可以全部為跳繩曲線，也可以只在其中某一部分采用跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段，如將U型管的直管段和少部分圓弧過渡段保留，大部分圓弧段改為跳繩曲線，等等。
實際上，不僅是中心線，振管的內側或外側管壁的彎曲形狀也可以全部或部分是跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。
加工制造中心線為跳繩曲線的振管的方法有兩種，方法1通過對(13)式的數值積分，可得到等間隔的曲線上各點坐標數值。采用適當的工裝和數控彎管機等設備，可制成中心線為跳繩曲線型的振管。方法2采用圓弧和分段直線來使振管中心線逼近跳繩曲線。
實施例2采用實施例1中所述的跳繩曲線型振管，和其他必要組成部分如輔助機械裝置、激振裝置、檢測裝置和變送器等相結合，即構成本發明的科氏力質量流量計，附圖4為本發明的科氏力質量流量計的機械結構示意圖。圖中標號說明(為能看清內部結構，圖4中未畫殼體部分)1、溫度探頭，2、隔振板，3、跳繩曲線型振管，4、檢測裝置組件，5、穩定塊，6、支撐桿，7、激振裝置組件，8、法蘭，9、軸向連接座。
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權利要求
1.一種科氏力質量流量計的振管，其特征是所述振管的中心線形狀全部或部分為跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。
2.如權力要求1所述的一種科氏力質量流量計的振管，其特征是所述振管的內側或外側管壁的彎曲形狀全部或部分為跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。
3.一種科氏力質量流量計，包括振管、輔助機械裝置、激振裝置、檢測裝置和變送器，其特征是所述振管的中心線形狀全部或部分為跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。
4.如權力要求3所述的一種科氏力質量流量計，其特征是所述振管的內側或外側管壁的彎曲形狀全部或部分為跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。
全文摘要
一種跳繩曲線型振管及采用該振管的科氏力質量流量計。前述振管的中心線形狀全部或部分為跳繩曲線或跳繩曲線的一部分線段。前述科氏力質量流量計包括上述跳繩曲線型振管、輔助機械裝置、激振裝置、檢測裝置和變送器。該技術主要用于測量流體的質量流量。本發明突出的技術進步在于振管形狀能保持長期穩定不變，采用該型振管的質量流量計能保持長期的精度穩定性。
文檔編號G01F1/76GK1580713SQ0314999
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月4日 優先權日2003年8月4日
發明者黃加 申請人:黃加