專利名稱：帶有夾緊式流量計座的超聲波渦流流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體流量計的改進，更確切地講是涉及在液流管路中配置一非流線形體并利用超聲波傳感電路類型的渦流式流量計。
超聲波渦流流量計是眾所周知的，其工作原理為，放置在直線流動的液體中的一個障礙物，例如一非流線形體，在該障礙物下游側(cè)產(chǎn)生許多向下流動的渦流。這些渦流使得可觀察到的，例如壓力或流速液流參數(shù)產(chǎn)生局部振蕩變化。當發(fā)射超聲波通過渦流傳播時，渦流使得發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生一相位差，該相位差取決于渦流強度和流速。隨后檢測這些相位差利用它們計算液體的流量。
然而，相位差也受其它外部因素例如液體溫度變化的影響，其會使發(fā)射波和接收波之間的相位產(chǎn)生偏離，從而超出相位檢測器的最佳范圍。因此已知的超聲波流量計應(yīng)用復雜且造價高的相位檢測電路，試圖迫使相位差保持在一最佳檢測范圍內(nèi)。
例如，一種已知裝置是利用一鎖相環(huán)路，(PLL)，或者不是緩慢調(diào)節(jié)發(fā)射信號的頻率以保持最佳相位角，或者緩慢調(diào)節(jié)振蕩器的頻率以便鎖定到接收信號上。除了費用高和復雜因素外，PLL設(shè)計的不足在于在控制由液流中較大溫度變化引起的發(fā)射頻率較大變化時易出差誤，并且如果發(fā)射波例如在液流中遇到氣泡而阻滯時，則可能失去鎖定和相應(yīng)的重新獲得時間。重新獲得時間對于大流量計是特別的難題，這是因為鎖相時間常數(shù)必須大于最低渦流流出頻率，例如在1赫茲的量級。
其它已知的超聲波渦流流量計則利用多組發(fā)射器和接收器來試圖克服上述相位異常問題。然而這些裝置只能使檢測電路更復雜、造價更高。
除相位檢測電路問題外，已知流量計裝置還具有流量計座設(shè)計方面的缺陷，即流量計的任何維修必須從液流導管拆卸部件。這種拆卸是非常不希望的，這是因為需要暫時停止依靠液體流動的生產(chǎn)過程，使得液體停止流動。此外，從管路中拆卸流量計會使外部污染物進入管路，因此，更加破壞生產(chǎn)過程或可能犧牲生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量。
所以，本發(fā)明的目的之一是提供一種利用簡單、便宜并可靠的相位檢測器的超聲波渦流流量計。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種超聲波渦流流量計，其可由專業(yè)人員維護檢修而無須拆卸液體配給系統(tǒng)，也不會將液體暴露于外部污染環(huán)境中。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種超聲波渦流流量計，其帶有一個流量計座，允許取下液流傳感元件而不會中斷液體配給系統(tǒng)中液體的流動。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種超聲波渦流流量計，其具有一個流量計座，其整體由耐腐蝕材料制成，并圍繞一液流管路或管線滑動安裝。
根據(jù)這些或其他目的，本發(fā)明提供一種改進的、具有一個流量計座的超聲波渦流流量計，該流量計座包括一與含非流線形體的管路連接器可移動配合安裝的叉形件，該連接器永久性地安裝在需監(jiān)測的液流管路中。一個超聲波發(fā)射器和接收器分別放置于叉形件的兩個支臂內(nèi)以使當液流流動時一超聲波穿過由于位于含非流線形體的管路連接器內(nèi)的非流線形體產(chǎn)生的渦流。滑動安裝的叉形件既無需在維修流量計時停止液體流動，也避免外部污染物進入液體。流量計還利用一簡單的相位檢測器，其由異或門與最佳相位范圍檢測裝置相結(jié)合構(gòu)成。無論何時發(fā)射波和接收波之間的相位差接近0或180度，最佳相位范圍檢測裝置觸發(fā)一個90度移項裝置。
因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一個渦流流量計包括一圍繞液流管路連接的流量計座，一個置于管路中以在流動液體中產(chǎn)生渦流的裝置，一個發(fā)射器，放置于座內(nèi)以通過渦流傳導超聲波，以及一超聲波接收器，放置于座內(nèi)以接收該傳導波。一相位檢測裝置與發(fā)射器和接收器相連接，以產(chǎn)生代表發(fā)射波和接收波之間的任何相位差的輸出信號，以及一個處理裝置，響應(yīng)相位檢測裝置的輸出，用以確定作為由渦流引起的相位差的函數(shù)的液體流量。一個最佳相位范圍檢測裝置與相位檢測裝置相連接，用以檢測相位差是否接近0度或180度，和一個移相裝置，其響應(yīng)最佳相位范圍檢測裝置，當相位差接近0或180度時，用以將提供給檢測裝置的發(fā)射信號的相位基本上位移90度。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，一個渦流流量計包括一帶有一叉形件的流量計座，該叉形件的尺寸適于圍繞一個與液流管路相連接的含非流線形體的管路連接器滑動。非流線形體的配置是為了在液流中產(chǎn)生渦流。超聲波發(fā)射器和接收器配置在該叉形件內(nèi)分別位于含非流線形體的管路連接器的相對兩側(cè)。定位的發(fā)射器發(fā)射一束超聲波通過渦流由一接收器接收。一相位檢測裝置與發(fā)射器和接收器相連接，以產(chǎn)生一代表發(fā)射波和接收波之間的相位差的輸出信號，以及一個處理裝置，其響應(yīng)相位檢測裝置輸出信號，用以確定作為渦流引起的相位差的函數(shù)的液體流量。
通過閱讀下列詳細描述的優(yōu)選實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明會有更全面的了解。


圖1是表示本發(fā)明的超聲波渦流流量計的透視圖；圖2是表示圖1中流量計的軸向正視圖；圖3是表示沿圖2中的剖線3-3所取的剖面圖；圖4是表示沿圖2中的剖線4-4所取剖面圖；圖5是表示本發(fā)明的流量計處理電路的方塊圖；圖6(a)-(c)是表示圖5電路中在不同點處信號處理狀況的曲線圖。
參照圖1-4，該圖表示依據(jù)本發(fā)明的超聲波渦流流量計10，其具有一個由以樞軸旋轉(zhuǎn)方式安裝在一滑動安裝的叉形件16上的計量頭14形成的流量計座12。叉形件16的設(shè)置與一單獨的含非流線形體的管路連接器18滑套配合，并利用一鎖緊異形銷20保持就位。另外，一對橡膠襯套21分別置于在叉形件16內(nèi)側(cè)的相對兩側(cè)形成的空腔23和25內(nèi)，并且使其從叉形件內(nèi)表面稍微向外伸出一點，以便一旦叉形件16滑動時，在叉形件16和該含非流線形體的管路連接器18之間形成摩擦配合。
在最初安裝時，將含非流線形體的管路連接器18裝配到液體管路或管線，在此之后需檢測的流量液體通過第一開口端22進入一含非流線形體的流動通道24，最后通過一個與第一開口端22位置相反的第二開口端26流出。至少有一非流線形體28與管路連接器18固定，以使其在通道24內(nèi)定位并伸向內(nèi)部。
依照本發(fā)明的計量頭14提供兩個隔離的電路間隔30和32。第一間隔30容納有傳感器電路(下面結(jié)合圖5進行描述)并在安裝后用端蓋36密封。第二間隔32利用一可卸端蓋38封閉，且其內(nèi)裝有不同用途的連接件，用于在流量計安裝后將流量計輸出端與外部監(jiān)測和控制電路連接。流量計座的所有元件由例如尼龍、特氟隆、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯或其它適用塑料等耐腐蝕材料制成。使用塑料使本發(fā)明的流量計能具有抗腐蝕、抗酸和抗多數(shù)溶劑，并且其非常適用于有害的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。
超聲波發(fā)射器40和接收器42在每個相應(yīng)的空腔23和25內(nèi)部的橡膠襯套21附近定位。從圖3容易看出，當叉形件適當安裝在該含非線形體的管路連接器18上時，發(fā)射器和接收器將按這樣一種方式定位，即便于一超聲波信號從在含非流線形體的通道24內(nèi)的液流與非流線形體28相碰撞而產(chǎn)生向下流動的渦流43穿過，這一點本技術(shù)領(lǐng)域中一般技術(shù)人員很容易理解。利用一相位檢測電路例如異或門44檢測在發(fā)射波和接收波之間因通過渦流43產(chǎn)生的一相位差，下面結(jié)合圖5中流量計處理電路進行更完整的描述。
如圖5所示，更確切地講，處理電路100包括一振蕩器102，其產(chǎn)生一例如頻率為2兆赫的一基準波。然后該基準波利用例如一個2分頻器103分頻，輸入到發(fā)射器40以便產(chǎn)生發(fā)射波。振蕩器102的輸出通過第二分頻法器(如圖所示2分頻器105)還提供給異或門作為其中的一個輸入，同時接收42的輸出作為異或門44的另一輸入。如圖6(b)所示，異或門44接著產(chǎn)生由一系列具有某一寬度的脈沖組成的輸出信號46，其為圖6(a)中所示發(fā)射波和接收波之間相位差“a”的函數(shù)。
異或門44的輸出由一低通濾波器進行濾波，該濾波器的截止頻率低于載波頻率，但高于渦流出現(xiàn)的頻率。低通濾波器104從相位檢測器輸出中將載波有效地的除去。因此，如圖6(c)所示典型實施例，如果利用一標準CMOS型異或門，低通過濾器104的輸出包含由一在0到5伏(直流)之間變化的與相位差變化相對應(yīng)的DC電壓分量和一頻率為液流速度的函數(shù)的一小的AC電壓分量。一高通濾波器106分離出AC電壓分量以便輸入到控制處理器108。控制處理器108處理AC分量，用以輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)110。DAC的輸出傳送到一適合的液體流量顯示器112或其它外部監(jiān)測裝置。
依據(jù)本發(fā)明，當發(fā)射波和接收波之間相位差基本上為0或180度時，為補償異或門44的無效狀態(tài)(inability)，當發(fā)射波和接收波之間的相位差基本上為0到180度時產(chǎn)生一輸出量，控制處理器108利用一模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器114監(jiān)測異或門輸出的DC分量的幅值，以確定何時相位差基本上為0或180度。例如上述示例性實施例中，當相位差在一最佳范圍時，DC分量的幅值為2.5伏(直流)，以及當相位差基本上為0或180度時，DC分量的幅值分別為0或5伏(直流)。當處理器108檢測的相位差無論等于或接近0或180度時，處理器108都啟動一開關(guān)116使得振蕩器/發(fā)射器向異或門的輸入利用反相器118進行反相。由于利用分頻器105，這一開關(guān)的設(shè)置在發(fā)射器輸入到異或門44的信號中有效地產(chǎn)生一90度相位移，從而維持發(fā)射波和接收波的相位差在一最佳相位檢測范圍中。
因此，本發(fā)明中的超聲波渦流流量計10比常規(guī)的液體流量計具有顯著的優(yōu)點。特別指出，滑動裝配的叉形件可以解除鎖定而將其迅速卸下、更換，并且在維護流量計時無須將液流管路打開，因此，排除了當需要維修流量計時外部污染物進入液體的可能性。再者，本發(fā)明中監(jiān)測與一最佳相位差檢測范圍的偏差以及后來的90度相位移補償?shù)难b置使得本發(fā)明能利用一簡單、可靠并且便宜的異或門作為一相位檢測器。最后，因為流量計頭的配置隔離了用于流量計電路和現(xiàn)場連接件的各自間隔，對于現(xiàn)場工作人員，在安裝后通過簡單地連接外部監(jiān)測器或其它控制裝置，不再直接檢查和暴露流量計電路。
應(yīng)當理解，上述對本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述僅僅是為了說明本發(fā)明，以及在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和在所提出的權(quán)利要求中限定的范圍的前提下，在此公開的各種不同結(jié)構(gòu)和操作特性允許進行各種改進。
權(quán)利要求
1.一種渦流流量計，它包括一個圍繞液流管路相連的流量計座；一個裝置，放置在所說管路中用以在流動液體中產(chǎn)生渦流的裝置；一個發(fā)射器，放置于所說流量計座內(nèi)，用以通過所說渦流傳送一超聲波；一個超聲波接收器，其放置于所說流量計座內(nèi)，用以接收所說傳送波；一個相位檢測器，與所說發(fā)射器和接收器相連用以產(chǎn)生一代表發(fā)射波和接收波之間相位差的輸出；一個處理器裝置，其響應(yīng)所說相位檢測裝置的輸出，用以確定作為所說渦流引起的相位差的函數(shù)液體流量；一個最佳相位范圍檢測裝置，與所說相位檢測器裝置相連，用以檢測所說相位差是否接近0度或180度；以及移相裝置，與所說最佳相位范圍檢測裝置相連接，用以將提供給所說相位檢測裝置發(fā)射的信號基本上移相90度。
2.如權(quán)利要求1所說的渦流流量計，其特征在于所說相位檢測裝置包含一異或門，其輸出與一個濾波裝置相連，該濾波裝置用于將所述輸出濾波，形成一代表發(fā)射波和接收波之間相位差的直流分量和一代表所說渦流頻率的交流分量。
3.如權(quán)利要求2所說的渦流流量計，其特征在于所說最佳相位范圍檢測裝置響應(yīng)于所說直流的幅值，確定所說相位差是否接近0或180度。
4.如權(quán)利要求2所說的渦流流量計，其特征在于所說移相裝置包含一個用于將提供給所說相位檢測裝置的所說發(fā)射信號反相的裝置，和一將所說反相信號2分頻的分頻器。
5.如權(quán)利要求1所說的渦流流量計，其特征在于所說流量計座包含一叉形件，其尺寸適合圍繞一連接到所述液流管路上的含非流線形體的管路連接器滑動安裝。
6.如權(quán)利要求5所說的渦流流量計，其特征在于所說叉形件利用一鎖緊機構(gòu)圍繞所說含非流線形體的管路連接器以可拆卸方式固定。
7.如權(quán)利要求5所說的渦流流量計，其特征在于所說發(fā)射器和接收器安裝于所說叉形件內(nèi)以使其分別放置于所說含非流線形體的管路連接器相對兩側(cè)。
8.如權(quán)利要求5所說的渦流流量計，其特征在于所說流量計座還包括與所說叉形件以樞軸旋轉(zhuǎn)方式連接的一電路間隔盒。
9.如權(quán)利要求8所說的渦流流量計，其特征在于所說電路間隔盒包含一容納流量計電路的第一部分和一隔開的用于容納外部易于現(xiàn)場裝配的連接件的第二部分。
10.一種渦流流量計，它包括一個流量計座，其包含一叉形件，該叉形件尺寸適于圍繞一連接到液流管路上的含非流線形體的管路連接器滑動安裝，配置所說非流線形體的目的在于在流動液體中產(chǎn)生渦流；一個超聲波發(fā)射器和接收器，置于所說叉形件內(nèi)，使其分別位于所說含非流線形體的管路連接器的相對兩側(cè)，所說發(fā)射器通過所說渦流傳送一超聲波，由所說接收器接收；一個相位檢測裝置與所說發(fā)射器和接收器相連接，用以產(chǎn)生一代表發(fā)射波和接收波之間相位差的輸出信號，以及一個處理器裝置，響應(yīng)所說相位檢測裝置的輸出信號，用以確定作為所說渦流產(chǎn)生相位差的函數(shù)的流量值。
11.如權(quán)利要求10所說的渦流流量計，還包括一個最佳相位范圍檢測裝置，其與所說相位檢測裝置相連接，用于檢測所說相位差是否接近0度或180度；以及一個相移裝置，其與所說最佳相位范圍檢測裝置相連接，用于將提供給所說相位檢測裝置的發(fā)射信號的相位基本上移90度。
12.如權(quán)利要求1所說的渦流流量計，其特征在于所說相位檢測裝置包含一異或門，異或門的輸出端連接到一濾波裝置，對所述輸出信號濾波形成代表發(fā)射波和接收波之間相位差的一個直流分量和代表所說渦流頻率的一個交流分量。
13.如權(quán)利要求12所說的渦流流量計，其特征在于所述最佳相位范圍檢測裝置響應(yīng)所說直流分量的幅值，用于確定所說相位差是否接近0或180度。
14.如權(quán)利要求1所說的渦流流量計，其特征在于所說移項裝置包括一個用于將提供給所說相位檢測裝置的所說傳送信號反相的裝置和用于將所說反相信號2分頻的分頻器。
15.如權(quán)利要求10所說的渦流流量計，其特征在于所述叉形件利用一鎖緊機構(gòu)圍繞所說含非流線形體的管路連接器以可拆卸方式緊固。
16.如權(quán)利要求10所說的渦流流量計，其特征在于所說流量計座還包括與所說叉形件以樞軸旋轉(zhuǎn)方式連接的一個電路間隔盒。
17.如權(quán)利要求16所說的渦流流量計，其特征在于所說電路間隔盒包含隔開的用于容納流量計電路的一個第一部分和用于容納易于現(xiàn)場裝配的連接件的一個第二部分。
18.如權(quán)利要求10所說的渦流流量計，其特征在于所說流量計座全部由耐腐蝕材料構(gòu)成。
全文摘要
一種改進的超聲波渦流流量計(10)包括:一種具有一滑動安裝的叉形件(16)的流量計座(12),該叉形件與一永久安裝于需監(jiān)測的管路中的含非流線形體的管路連接器(18)以可動方式相配合。一超聲波發(fā)射器(40)和接收器(42)分別置于叉形件的二叉臂,以便使超聲波通過由于液體流動時經(jīng)過非流線形體(28)所產(chǎn)生的渦流(43)?；瑒影惭b叉形件既無需在流量計維修時停止液體流動,也可防止外部污染物進入液體。這種流量計還利用由一個異或門(44)與一個最佳相位范圍檢測裝置(108)結(jié)合構(gòu)成的一個簡單相位檢測器。當發(fā)射波和接收波相位差接近0或180度時,最佳相位范圍檢測裝置形成90度相位移。
文檔編號G01F1/32GK1173635SQ9711495
公開日1998年2月18日 申請日期1997年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月12日
發(fā)明者D·W·馬希, L·O·羅斯恩, E·J·羅斯恩 申請人:阿薩希美國有限公司