具有带保护外层的套管的科里奥利流量计 【发明领域】
本发明涉及密封科里奥利流量计的套管。具体地说，本发明涉及在套管外面、使套管能用于卫生应用场合中的镶面。更具体地说，本发明涉及密封套管并且为套管提供卫生和/或耐腐蚀表面的镶面。
问题
如1985年1月1日授予J.E.Smith等人的美国专利No.4,491,025和1982年2月11日再颁布给J.E.Smith的31,450中所公开的、利用科里奥利效应质量流量计测量流过管道的物质的质量流量和其他信息是众所周知的。这些流量计具有一个或多个弯或直结构的测流管。科里奥利质量流量计中的每种测流管结构都有一组固有振动模式，这些固有振动模式可以是单纯弯曲、扭转、径向或互耦型的。各个测流管被激励而在这些固有模式之一下作共振振荡。振动的物质填充系统的固有振动模式部分地由测流管与测流管内的物质组合的质量来定义。物质从流量计入口侧上连接的管道流入流量计。然后，物质被引导流经测流管或多个测流管，从流量计流出而进入出口侧上连接的管道。
激励器将振动力加到测流管上。该力使测流管振动。当没有物质流经流量计时，沿着测流管地所有点以一致的相位振动。随着物质开始流经测流管，科氏加速度引起沿着测流管的各点相对于沿着测流管的其他点具有不同的相位。测流管入口侧的相位滞后于激励器，而出口侧的相位超前于激励器。测流管上两个不同点的传感器产生表示测流管两个点上运动的正弦信号。以时间单位来计算从传感器接收的两个信号的相位差。两个传感器信号之间的相位差与流经该测流管或多个测流管的物质的质量流率成正比。
测流管一般被密封在套管中。套管防止外力损坏测流管。套管也可以在测流管破裂时用来容纳物质，并且还可用作维持连接测流管与管道的各法兰之间距离的间隔块。
客户有时要求用卫生和耐腐蚀材料制作套管，这是一个问题。若把流量计用于某种系统、如食品加工中的配料输送系统中，则必须用易于清洁的卫生材料制作套管。在把流量计插入含腐蚀材料、比如酸的环境中时，必须用耐腐蚀材料制作套管。
在传统的双环科里奥利流量计中，用卫生或耐腐蚀材料制作套管不成问题。间隔块承受流量计的结构负荷而减少外部振动，并且在入口和出口之间维持适当的间距。测流管的环形结构允许测流管的中间部分因膨胀和收缩而向外向内伸展。因此，在套管和测流管之间，套管必须有允许测流管膨胀和收缩的足够空间。由于这些原因，套管和间隔块都要用卫生材料制作或者涂有卫生材料，以便为流量计提供卫生表面。
但是，对于直管科里奥利流量计，用卫生或耐腐蚀材料制作套管就存在问题。在直管流量计中，套管和间隔块是合在一起的，并且提供同样的承受流量计的结构负荷的功能。随着测流管变热而膨胀，由于直管必定沿径向和轴向膨胀，因此测流管的长度增加。
套管会受到与测流管相同的净轴向载荷，只是套管的轴向载荷与测流管的轴向载荷符号相反。但是，由于测流管的横截面较小，其上的应力会比套管大得多。因此，测流管的轴向膨胀是一个问题，因为在测流管的末端，套管贴在测流管上，并且如果套管与测流管的膨胀率不同，则测流管将会受到应力，应力会破坏测流管的完整性。
一个解决方案是用相同的卫生和耐腐蚀材料制作套管和测流管。但是，耐腐蚀材料、比如钛的成本过高。所以，有必要制造能够承受因不同金属的热膨胀而施加的应力、同时生产成本效益高的套管。这将使得可以较为便宜地生产直测流管科里奥利流量计。
解决方案
通过为密封在卫生或耐腐蚀材料的镶面中的科里奥利流量计提供套管来解决上述和其他问题，并且对现有技术作出改进。对本发明来说，镶面是密封材料层或者被涂在套管表面而覆盖表面材料。本发明的镶面使套管能够承受流量计的结构负荷，同时镶面实现提供卫生表面的功能。
本发明的第一个优点是，使用卫生或耐腐蚀材料的镶面来密封套管，减少了生产科里奥利流量计所需的卫生或耐腐蚀材料的数量，这降低了生产成本。所需的卫生材料的量减少是因为套管不必用卫生或耐腐蚀材料制造。第二个优点是套管材料可具有与测流管基本相同的热膨胀系数。因此，套管和测流管的膨胀和收缩以基本相同的比率发生，这减小了热膨胀引起的结构应力。
以下列方式构造本发明的套管，从而提供上述优点。套管密封科里奥利流量计的测流管。套管被固定在测流管的两个相对端。用镶面密封套管的外表面。镶面固定在外壳端部，后者由特性与镶面材料基本相同的材料制成以便固定。镶面的进一步膨胀和收缩可不受套管膨胀和收缩的影响。
为了使镶面的膨胀和收缩不受套管膨胀和收缩的影响，会有一个由镶面的内表面与套管的外表面之间的间隙定义的空间。这个空间使套管能够在镶面内自由地膨胀和收缩。
作为选择，或者与间隙结合，在镶面的相对端的周边，镶面可以具有波纹管。在表面镶面中，波纹管是弯管，可随着镶面材料膨胀而弯曲并随镶面收缩而被拉直。
镶面和套管外表面之间的间隙可以用隔热材料填充。隔热材料使测流管温度保持更加均匀。间隙也可以容纳为测流管提供加热夹套的加热元件。另一种可能性是蒸汽或其他流体可流经该间隙以调节测流管的温度。所有这些选择方案都可用来减小沿测流管的温度梯度造成的测流管上的轴向应力。
上述外壳提供本发明的下列方面。本发明的一个方面是密封科里奥利流量计组件的外壳，所述流量计组件有测流管；固定到测流管上、振动测流管的激励器；以及固定到测流管上、测量所述管的振动、从而测量通过测流管的材料流的特性的传感器。所述外壳是实质上固定在测流管的入口端和出口端上、用于从入口端到出口端密封测流管的套管。固定在套管外表面的相对端上的镶面密封套管的外表面，为套管提供卫生表面。
本发明的另一方面是镶面以不同于套管的比率膨胀和收缩。
本发明的另一方面是允许镶面不受套管外表面的影响而膨胀和收缩的镶面中的波纹管。
本发明的另一方面是响应套管的膨胀和收缩而膨胀和收缩的镶面中的弯管。
本发明的另一方面是所述套管的所述外表面与所述镶面之间的间隙封住所述套管的所述外表面。
本发明的另一方面是隔热材料填充镶面与所述套管的外表面之间的间隙。
本发明的另一方面是加热元件安装在间隙中以提供加热夹套。
本发明的另一方面是测流管是连接到入口法兰和出口法兰的直测流管。然后套管的第一端固定在所述入口法兰上。而套管的第二端则固定在出口法兰上。镶面的第一端固定在最接近入口法兰的套管的第一端，其中镶面的第一端包围套管的所述第一端。最后，所述镶面的第二端固定到最接近出口法兰的套管第二端，其中镶面的第二端包围套管的第二端。
本发明的另一方面是套管和测流管是用热膨胀系数基本相同的材料制成的。
本发明的另一方面是测流管是用钛制成的。
本发明的另一方面是套管是用碳钢制成的。
本发明的另一方面是，镶面是用热膨胀系数与测流管材料的热膨胀系数明显不同的材料制造的。
本发明的另一方面是镶面是用不锈钢制成的。
附图描述
通过详细描述以及下列附图可以理解本发明的上述及其他特点：
图1举例说明密封封装直管科里奥利流量计的套管的外表面的镶面的横剖视图；
图2举例说明带密封流量计的镶面的套管的示意图；
图3是说明套管与镶面之间的间隙中的隔热材料的科里奥利流量计的横剖视图；
图4是说明套管与镶面之间的间隙中的加热元件的科里奥利流量计的横剖视图；以及
图5是说明在套管与镶面之间的间隙中流动的流体的科里奥利流量计的横剖视图。
详细描述
以下参照示出本发明实施例的附图、更全面地描述本发明。本领域的技术人员应明白，本发明可以用许多不同形式来实施，而不应该认为本发明仅限于此处给出的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开更加彻底和全面，并且向本领域的技术人员传达本发明的范围。在图中，类似的标号指的是所有图中类似的元件。
图1公开了一种直管科里奥利流量计5。尽管结合直管科里奥利流量计5来说明，但本领域的技术人员应认识到，本发明也可用于容纳具有弯曲或环状结构的测流管。科里奥利流量计5包括科里奥利检测器10和相关的仪表电子装置20。
科里奥利检测器10具有密封测流管101和周围的平衡杆102的套管103。测流管101包括其命名为101L的左端部和命名为101R的右端部。测流管101及其端部将流量计的整个长度从测流管101的输入端107延伸到测流管的输出端108。平衡杆102的末端通过撑板121连接到测流管101。
测流管101的左端部101L固定到入口法兰122上，而右端部101R固定到出口法兰122’上。套管103的端部128从套管的各端轴向伸出，并且将套管103连接到入口法兰122和出口法兰122’上。入口法兰122和出口法兰122’将科里奥利检测器10连接到某个管道上。
以众所周知的常规方式把激励器104、左拾取装置105和右拾取装置105’与测流管101和平衡杆102耦合。激励器104经通道110从仪表电子装置20接收信号，从而使激励器104以填充测流管101的物质的谐振频率、反相振动振动测流管101和平衡杆102。振动的测流管101连同其中的物质流的振动包括测流管中众所周知的方式下的科氏偏转。拾取装置105和105’检测这些科氏偏转，而这些拾取装置的输出经导线111和111’发送到仪表电子装置20。以众所周知的方式，这些拾取装置的输出信号之间的相位差表示有关测流管101内物质流的信息。仪表电子装置20经导线111和111’接收拾取信号，以众所周知的方式处理这些信号，产生加到导线26上、表示物质流的各种参数的输出信息。这些参数可包括密度、粘度、质量流率以及其他有关物质流的信息。
如这里所描述的，本发明可以为多个激励器产生多个激励信号。仪表电子装置20处理左和右速度信号，计算质量流率。通道26提供允许仪表电子装置20与操作者接口的输入和输出装置。仪表电子装置20的电路的说明对于理解本发明的套管103和镶面150而言是不必要的，为本描述的简洁起见，将其省略。
本发明涉及套管103，它具有密封套管103外表面151的镶面150。在本发明中，套管103承受套管的结构负荷，并且分开的镶面150为套管103提供卫生或耐腐蚀表面。套管103由第一种材料制成。在最佳实施例中，第一种材料不是卫生材料，也不是耐腐蚀材料。
在最佳实施例中，镶面150由与第一种材料不同的第二种材料制成。对本讨论来说，不同意味着两种材料具有不同的特性、如不同的热膨胀系数。在最佳实施例中，第二种材料是耐腐蚀材料、如不锈钢。镶面150密封外表面151，并且为检测器10提供卫生和/或腐蚀掩盖物。
如图2所示，镶面150以下列方式固定在套管103(图1)的外表面151上。通过轨迹焊接部位201把镶面150固定到套管103的端部103L和103R。在把镶面150的包在套管103外面之后，纵向焊接部位202用来密封重叠边镶面150。也可能将镶面150镀在外表面151上，将镶面150涂在外表面151上，或者以其他方式用镶面150覆盖外表面151。
在最佳示例性实施例中，套管103是由热膨胀系数与制造测流管101的材料基本相等的材料制成的。例如，测流管101可以由热膨胀系数为4.6e-6/兰金温度的钛制成，而套管103由系数为6.5e-6/兰金温度的碳钢组成，对于大多数操作，这是足够相等的。
但是，如果耐腐蚀镶面150是由比如热膨胀系数为9.6e-6的不锈钢之类的材料制成的，则镶面150和测流管101或套管103的热膨胀系数之间的差异可能太大。为了防止由热膨胀系数的差异引起的破坏应力，镶面150可以是带内表面和外表面的独立结构。镶面150可具有将镶面150固定到套管103的右端103R和套管103的左端103L的末端。
在镶面150的内表面和套管103的外表面151之间可以形成间隙170。间隙170使套管103能够在镶面150内膨胀和收缩而不会给镶面150施加任何应力。作为替换或者与间隙170相结合，镶面150可具有在套管150的相对端处的波纹管191(见图3-5)。波纹管191是镶面150表面中、能够膨胀和收缩的弯管，所以随着下面的套管103膨胀和收缩，波纹管152弯曲和伸直，从而防止对镶面产生应力。
在一些实施例中，间隙170可以包括如图3所示的隔热材料300。隔热材料300使镶面150内的温度保持得更加均匀。隔热材料300可用来保持套管150中的热量。这种贮热能力减小了由科里奥利检测器10内部的温度梯度造成的轴向应力。加热元件400(见图4)也可以安装到间隙170的内部。加热元件400提供加热夹套，它加热套管150，从而减小由测流管101的膨胀和收缩引起的科里奥利检测器10的轴向应力。在第三个备选方案中，流体500(见图5中的箭头)可流经间隙170，从而调节科里奥利检测器10的温度。
以上描述的是具有由卫生或不锈材料制成的镶面的套管。可以预见，本领域的技术人员能够并且将会设计用于科里奥利流量计的替换套管，这些或者按照字面或者通过等效原则侵犯了下面权利要求书中陈述的带镶面的套管。