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专利名称：用于制造并且温度校准科里奥利质量流动速率传感器的方法
技术领域：
本发明总体上涉及基于科里奥利效应的流体质量流动速率和密度测量装置，并且更具体而言涉及用于制造并且校准由弹性聚合体材料(例如PFA-全氟烷基共聚物)构造的改进科里奥利流动速率传感器的方法。
背景技术：
公知科里奥利质量流量计可用于测量经过管线流动的流体的质量流动速率(以及其他属性)。传统的科里奥利流量计采用以受控方式振动的一个或两个管道的各种配置，该方式允许科里奥利引起的偏转(或该偏转在管道上的影响)的测量以作为流经传感器的流体质量流动速率的指示。如美国专利号7，127，815B2(第二栏，第5-25行)中所表述的，现有技术的大多科里奥利流量计涉及使用金属流动管道作为流动敏感元件，但是现有技术还建议可以用塑料替代金属。‘815专利陈述“可以由塑料制造流量计的单纯的声明除了概述可以用塑料替代金属之外什么也没说。其没有教导可以如何构造塑料流量计以生成基于有用操作条件范围的正确信息”。在美国专利号6，776，053B2 (第I栏第58-68行和第2栏第1-10行)中也有类似的陈述。‘815和‘053专利描述了使用用氰基丙烯酸盐粘合剂依附到金属底座的至少一个PFA管道制造科里奥利流量计的方法。任何科里奥利流量计的成功操作的根本在于必须以这样一种方式将流动敏感元件(例如‘815和‘053专利中的管道)固定依附到金属底座(例如支管)，其中在该方式中对于振动敏感元件的末端建立固定的、稳定的并且不变的边界条件。例如，‘053专利在权利要求1(第14栏，第65-67行)中陈述“……所述流动管道装置的末端部分耦合到所述底座以在所述末端部分创建固定节点……”。但是，‘053和‘815专利的缺点在于在在正常操作条件下该管道到该金属底座的耦合的整体不必然是不能弯曲并且不能改变的。而是其可能由于管道的持续振动而随时间恶化，导致粘接接头破裂或退化。另外，不同的构造材料(例如管道、氰基丙烯酸盐粘合剂和金属底座)之间的不同的热扩张/收缩将损坏该管道到该金属底座的耦合的完整性，造成不稳定的边界条件，导致不受控制的振动特性直到达到危及设备的性能的程度。‘815和‘053专利描述了 PFA管道的属性，该PFA管道由于它的制造方法(即挤压)而固有地具有在制造流量计之前必须消除的弯曲或弯折(见‘815的第3栏，第42-55行)。根据‘815和‘053专利，可以通过使PFA管道经受退火工艺(见‘815的第3栏，第30-41行)来减轻该问题以便在制造流量计之前拉直管道。
为了助于氰基丙烯酸盐粘合剂到PFA管道的粘合，必须使该管道经受蚀刻(‘815专利中所涉及的工艺)，其中在该蚀刻中需要在包括乙二醇二醚的热浴中浸没并且逐渐搅动PFA管道。但是，这些退火和蚀刻工艺增加了流量计的制造的成本和复杂度并且可能不必然得适用于制造一致的流量计的管道。美国专利号6，450, 042B1、美国专利号No. 6，904, 667B2以及美国专利申请公开号20020139199A1描述了用于经由注模并且形成来自模仁的流动路径来制造科里奥利流量计的方法，其中该模仁由包括铋、铅、锡、镉和铟的、熔点大约为47摄氏度的混合物的低熔点可熔金属合金构成。‘042专利声称(第2栏，第65-67行)“ ……伴随驱动器和传感器以及情况的可能的例外，通过注模(重点强调)形成流量计的整体”。但是，该制造方法出现了严重的问题和限制。在注模工艺期间，将热塑料以超过350摄氏度高温并且超过5000psi的压力注入到模具中。当制造薄壁或者小直径流动通道(例如直径4_、壁厚度<2_)时，该熔化温度和压力将有可能扭曲相对窄(并且柔性的)的可熔金属仁(有可能熔化其表面)，导致流动通道被变形并且污染到这样一种程度以至于可能致使设备不可用。在半导体、制药、生物制药(或其他苛刻的高纯净度工艺应用)中，重要的是避免乃至极微量的金属污染。但是，与固体仁(例如不锈钢)不同，在注模工艺期间相对软的可熔仁可能部分地熔化或磨损，使得金属原子混合并且变得永久被嵌入到注入的塑料中污染流动通道致使设备不可用于高纯净度应用。在塑料注模工艺中，通常建议浇注特征具有类似的厚度，因为否则浇注部件可能无法完全形成。参考‘042专利，该要求意味着本文所述的科里奥利流量计的所有结构特征即管道壁、“撑杆”、入口和出口凸缘、支管壁等等必须全部具有类似的厚度。但是，通过注模来形成整个流量计的结果可能导致可能不利地影响并且/或者限制流量计性能的结构和/或动态设计限制或妥协。管道材料的“弹簧常数”(其与杨氏模量成正比)随着温度而变化并且直接影响科里奥利流量计的准确性。为了维持流动速率测量准确性，科里奥利流量计需要温度补偿，因为流体和/或周围温度改变流动敏感元件的温度。对于现有技术的科里奥利流量计的构造中所使用的几乎全部合金(例如不锈钢或钛)，从N. I. S. T (或其他技术参考)可获得杨氏模量数据对温度。但是用于弹性聚合体的比较数据(例如弹性模量对温度)通常不可获得或以非常少的温度公布。因此，建议或者描述了使用塑料来构造科里奥利流量计并且还提及了用于探测流动敏感元件的温度的装置的现有技术(见‘815的第4栏，第59-67行)没有描述对于任意给定的弹性聚合体材料如何实现基于大范围的操作温度的有效的温度补偿。重要的是，没有该温度补偿，在传感器温度与校准的温度显著不同的应用中该流量计将不可用。

发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种用于从弹性聚合体材料制造科里奥利流量计的方法，其中该弹性聚合体材料具有流动敏感元件，其无机械接点或粘接地整体连接到材料相同的合适的装配底座(或支管)，从而对于振动敏感元件提供不弯曲的、固定的边界条件。在本发明的另一个方面，提供了一种用于从弹性聚合体材料制造科里奥利流量计的方法，其中该弹性聚合体材料具有流动敏感元件，其无粘接或机械接点地整体连接到材料相同的合适的装配底座(或支管)，从而避免不同的热扩张/收缩，否则该不同的热扩张/收缩将在振动流动敏感元件的末端破坏边界条件的完整性和可靠性。在本发明的另一个方面，提供了一种采用不使用管道的流动敏感元件从弹性聚合体材料制造科里奥利流量计的方法，从而避免额外的工艺步骤如退火和蚀刻从而简化流量计制造工艺。在本发明的另一个方面，提供了一种不使用低熔点可熔金属合金来从弹性聚合体材料制造科里奥利流量计并且形成流动敏感元件(以及其中的流动通道)的方法，其中该低熔点可熔金属合金可能永久地污染该流动通道。在本发明的另一个方面，提供了一种用于从弹性聚合体材料制造科里奥利流量计的方法，其中该弹性聚合体材料允许具有相对薄的壁和/或具有相对小的直径的流动通道的流动敏感元件的制造。在本发明的另一个方面，提供了一种用于从任意弹性材料(金属或塑料)制造科里奥利流量计的方法，其中该弹性材料允许该流动敏感元件的弹簧常数在该流量计的任意 有用操作温度范围上的准确的温度补偿。概况地说，本发明的实施方式包括这样一种结构，该结构采用包括两个实质上相同的构件的流动敏感元件，其中将每个构件成形为这样一种矩形“U”形(或能够从直线段制造的其他可能的形状之一的三角形)的形式，其中该矩形“U”从它们所整体连接到的支撑件延伸。流体经由合适的外部流体连接，以液压串行(或并行)的方式流经该流动敏感元件的每个构件。流动敏感元件的“腿”可以具有圆形、椭圆形、矩形、六边形或八边形的横截面。从单片弹性聚合体材料制造该结构。该制造工艺涉及从单片聚合体材料的CNC(计算机数字控制)加工完整结构和钻削该流动通道以作为辅助操作。可选择地，可以通过注模来构造该结构，通过在模具中采用的固体仁和/或在从该模子去除该部分之后的辅助钻削操作的组合来形成该流动通道。这些制作方法在辅助(后成形)操作后生成完整的起作用的(即动态响应)流量计。外部孔(去心或钻孔得到)由合适的辅助程序(例如焊接)填充。对于本领域的熟练技术人员，在阅读附图中所示的各种实施方式的以下详细描述之后，本发明的这些以及其他目的和优点将毫无疑问变得显而易见。


图I是从弹性聚合体材料制造的无内部流动通道的部分构造科里奥利流动传感器子组件的图。图2是从弹性聚合体材料制造的、具有通过钻削形成的内部流动通道的部分构造科里奥利流动传感器子组件的图。图3是从弹性聚合体材料制造的、具有用于内部流动通道的密封钻孔的部分构造科里奥利流动传感器子组件的图。图4是具有激励磁线圈组件和运动传感磁/线圈组件的部分组装科里奥利流动传感器的图。图5是从连接到计量电子装置的弹性聚合体材料制造的部分组装科里奥利流动传感器的图。图6是从由PFA构造的科里奥利流动传感器获得的频率对温度数据。图7是与弹性聚合体材料结合的温度传感装置的图。图8是流动敏感元件的附加实施方式的图。
具体实施例方式附图和下文仅以说明的方式描述特定实施方式。本领域的熟练技术人员将从下文的描述容易认识到，在不脱离本文所示的原理的前提下，可以采用所示结构和方法的可替换的实施方式。现在详细参考多个实施方式，其中在附图中示出了实施方式的实例。要注意到，只要可行就可以在附图中使用相似的或相同的附图标记并且可以指示相似的或相同的功能。 图I根据一个实施方式示出了由单块弹性聚合体材料CNC加工的聚合体材料的固体片110。子组件110的流动敏感元件包括两个正方形“U”型组件120和130。但是，子组件110没有流动通道以允许流体流经该结构。也可以由注模形成子组件110，但是与CNC加工一样，不提供流动通道。通过本质上是如何制造结构110的(即CNC加工或注模)，将每个“U”整体连接到“隔离板”175、180和185、190 (其建立用于“U”型结构120和130的振动的边界条件)，并且又被整体连接到支撑件115。重要的是，将子组件110构造成为一个没有机械接点、粘接或者不使用任意金属支撑件的固态部分。图2根据一个实施方式示出了具有流动通道240和260的子组件210，其中沿着每个“U”的“端截面”的中心线完全端到端横向地钻削流动通道240和260。类似地，完全沿每个“U”的侧腿的中心线钻通流动通道245、250、265和270并通到离开支撑件255 (未显示)的最后端。另外，根据一个实施方式，为了完成经过每个“U”的流体通道的制造，如图3中所示地密封钻削开口，其中将塑料通过焊接或熔化到通道340、345、350和360、365、370的钻削入口中来密封在末端“U”处的每个孔。根据一个实施方式，为了防止在密封或焊接操作期间阻塞流动通道，在密封孔之前沿每个通道的长度插入具有圆顶的芯轴，以允许塑料熔化以形成倚着芯轴的圆顶的平滑表面，从而防止流动通道的内部阻塞。在块355的后面配置的管件连接(未显示)允许流体以液压串行或并行的方式流经每个“U”。流动敏感元件的构件不限于图I和2中所示的正方形“U”型，并且可以具有可以由直线段制造的其他形状。图8示出了用于流动敏感元件的四个示例性形状三角形(选项(A)和(E))、正方形(选项(B))、梯形(选项(C))和直线(选项(D))。图4根据一个实施方式描述了具有整体附着到支撑块455的一对敏感元件420和430的科里奥利流量计的子组件410。在块455的后面引入流体材料并且将流体材料引导为以液压串行或并行(即分流)的方式在相同方向中流经每个流动敏感元件420和430。流动敏感结构420和430延伸经过隔离板475、480、485、490到支撑块455。整体连接支撑块455、流动敏感结构420和430以及隔离板475、480、485、490，因为它们全部是由单片弹性聚合体材料制造的。图4公开了磁体和线圈“驱动器”，其包括分别固定依附到流动敏感元件420和430的永磁体492和线圈494，其导致流动敏感元件420和430反相振动，类似于音叉的叉。图5示出了通过路径524由从计量电子装置522接收的信号赋能的驱动器线圈510。流经振动的流动管道的材料生成科里奥利力，由位于流动敏感结构520和530的相对侧面的磁体/线圈感应“传感器”(或“速率传感器”)检测科里奥利力。这些传感器响应于在流动敏感结构520和530的侧腿中由于流动引起的科里奥利力而产生的运动而产生信号。通过路径526和528向计量电子装置522传输这些磁体/线圈感应传感器的输出信号，其中计量电子装置522处理这些信号并且在路径529上应用指示流体材料流动速率的输出信息。元件520和530在它们的固有频率上的反相振动与音叉的振动叉类似并且可以被建模为二阶阻尼系统。忽略阻尼，将元件520和530反相振荡的激励(或“驱动”)模式中的共振频率表示为wd = V (kd/m) (I)其中，固有角频率Wd = 2 31 fd，fd =以周期/秒的固有频率，并且m = m元件+m流体并且弹簧常数kd与“驱动”或激励模式中的材料的弹性模量成正比。项=和分别表示元件520(或530)的有效质量和其中所包括的流体的质量。对于金属合金(例如316L 不锈钢)，有足够的文件记录了弹性模量和其随温度的变化。但是，对于弹性聚合体而言情 况不是这样。没有文献记录弹性常数k的变化，这对于用振动敏感元件520和530正确地补偿弹性聚合体材料的弹簧常数的温度变化而言是必要的。具体而言，需要补偿的弹性模量对应于扭矩(转矩)或科里奥利模k。。但是，从方程式(I)可以看出kd = m to d2 (2)并且，在扭矩(转矩)或“科里奥利”响应模式中kc = mwc2 (3)其中，k。是弹性聚合体的剪切模量并且可以通过如下方程式中所表示的拉梅常数U将其k。与kd相关kc = kd/2 (1+ V- ) = m w d2/2 (1+ U ) (4)因此，测量《d2随着温度的变化允许人们测量如图6中所示的与材料的剪切模量(即响应或科里奥利模式中材料的弹性模量)在给定温度范围上的变化成正比的量。该考虑不仅应用于弹性聚合体，而且应用于任意合适的弹性材料，包括金属、陶瓷和玻璃材料。参考图7，根据一个实施方式，将温度传感装置742粘合到聚合体材料并且通过路径744向计量电子装置722发送该聚合体材料的温度。计量电子装置722包含与《d2对温度成正比的信息，从而允许计量电子装置正确地考虑该材料的弹性模量(或等效而言该材料的剪切模量)随温度的变化，该变化(与其他因子结合)是将测量信号与流经该设备的流体质量流动速率相关的比例因子。即使没有流体流经科里奥利流量计，该流量计也具有流动速率指示。该指示被称为“零流动偏移”或“Z. F. O”。对于Z. F. 0的其中一个贡献是从左到右的结构和/或质量不平衡，其导致如果流体流经该设备则“U”结构相对彼此扭曲。图4示出了允许根据需要来对传感器中的每个流动敏感元件420和430的转动惯量独立手动调整的螺栓405和496，以便利用简单的螺栓驱动器调整来最小化Z. F. 0的量值。两个“U”型结构之间的质量或结构不平衡可能导致振荡结构的Q因子较低(即由420和430构成的“音叉结构”可能不平衡)，从而迫使计量电子装置传递更多能量以维持足够的振荡幅度，以便保持传感器的测量敏感度在可接受的等级内。为了调整两个“U”结构(420和430)之间的不平衡，在一个实施方式中，增加具有附属重量的螺纹杆497和498 (或“螺帽”)，作为用于传感器的敏感元件(420和430)的更好的平衡的调整的简单装置，类似于平衡音叉 的叉。
权利要求
1.一种用于从弹性聚合体材料制造科里奥利流量计的方法，包括 从所述弹性聚合体材料制造所述科里奥利流量计的子组件结构，所述子组件结构包括整体连接到底座的两个流动敏感构件，所述两个流动敏感构件中的每个流动敏感构件包括一个或多个直线段； 沿所述两个流动敏感构件的所述直线段制造流动通道；并且 密封所述流动通道的入口。
2.如权利要求I所述的方法，其中密封所述流动通道的所述入口还包括 将弹性聚合体材料焊接或熔化到所述流动通道的所述入口中。
3.如权利要求2所述的方法，其中密封所述流动通道的所述入口还包括 在密封所述流动通道的所述入口之前沿所述流动通道的长度插入具有圆顶的芯轴，以便允许所述弹性聚合体材料形成倚着所述芯轴的所述圆顶的平滑表面，从而防止所述流动通道的内部阻塞。
4.如权利要求I所述的方法，其中制造所述子组件包括 从单片弹性聚合体材料计算机数字控制(CNC)加工所述子组件结构。
5.如权利要求I所述的方法，其中制造所述子组件包括 使用所述弹性聚合体材料注模所述子组件结构。
6.如权利要求I所述的方法，其中沿所述两个流动敏感构件的所述直线段制造所述流动通道包括 沿所述两个流动敏感构件的所述直线段钻削所述流动通道。
7.一种科里奥利流量计，包括 底座，其包括被配置为允许流体流经所述科里奥利流量计的开口 ； 两个流动敏感构件，其中每个流动敏感构件包括一个或多个直线段以及沿着所述直线段制造的流动通道以便所述流体流经所述流动通道，其中所述两个流动敏感构件整体连接到所述底座，并且所述两个流动敏感构件和所述底座全部是由弹性聚合体材料制造的； 两个运动传感器，其中每个运动传感器固定地依附到所述两个流动敏感构件中的一个流动敏感构件并且被配置为响应于由所述两个流动敏感构件由于流经所述科里奥利流量计的所述流体引起的科里奥利力而生成的相对运动来产生信号；以及 计量电子装置，其被可通信地连接到所述两个传感器并且被配置为接收所述信号并且生成输出信息，所述输出信息指示流经所述科里奥利流量计的所述流体的流动速率。
8.如权利要求7所述的科里奥利流量计，其中所述两个流动敏感构件中的每个流动敏感构件包括矩形U型构件，每个所述矩形U型构件包括与所述底座平行的直端部和将所述端部整体连接到所述底座的两个直侧腿。
9.如权利要求7所述的科里奥利流量计，还包括至少一个隔离板，其被配置为建立用于所述两个流动敏感构件的振动的边界条件，其中将所述两个流动敏感构件整体连接到所述底座和所述至少一个隔离板，并且所述两个流动敏感构件、所述底座和所述至少一个隔离板全部是由单片所述弹性聚合体材料制造的。
10.如权利要求7所述的科里奥利流量计，其中所述两个流动敏感构件实质上是相同的并且彼此平行的。
11.如权利要求7所述的科里奥利流量计，其中所述两个运动传感器包括固定依附到所述两个流动敏感构件中的一个流动敏感构件的磁体以及固定依附到另一个流动敏感构件的线圈。
12.如权利要求7所述的科里奥利流量计，还包括 温度传感器，其可通信地连接到所述计量电子装置并且被配置为测量所述两个流动敏感构件的温度并且向所述计量电子装置传输所述温度，其中所述计量电子装置进一步被配置为在生成输出信息时考虑该温度。
13.如权利要求7所述的科里奥利流量计，其中所述两个流动敏感构件中的每个流动敏感构件包括这样一种组件，所述组件被配置为允许所述流动敏感构件的转动惯量的独立手动调整以便最小化零流动偏移的量值。
14.如权利要求13所述的科里奥利流量计，其中所述组件包括螺栓。
15.如权利要求7所述的科里奥利流量计，其中所述两个流动敏感构件中的每个流动敏感构件包括具有附加重量的螺纹杆，以允许用于对所述两个流动敏感构件进行平衡的独立手动调整。
16.一种用于校准由弹性材料制造的科里奥利流量计的方法，包括 测量在所述科里奥利流量计的两个流动敏感构件中由于流经所述两个流动敏感构件中的流动通道的流体引起的科里奥利力而生成的相对运动； 测量所述两个流动敏感构件的温度；并且 基于所述弹性材料、所述两个流动敏感构件的所述温度以及在所述两个流动敏感构件中生成的所述相对运动，确定所述流体的校准流动速率。
17.如权利要求16所述的方法，其中确定所述流体的所述校准流动速率还包括 基于所述温度确定与用于所述弹性材料的弹性模量成正比的因子；并且 基于所述因子和在所述两个流动敏感构件中生成的所述相对运动，确定所述校准流动速率。
18.如权利要求16所述的方法，其中测量在所述两个流动敏感构件中生成的所述相对运动还包括 测量在所述两个流动敏感构件中由于流经所述两个流动敏感构件中的流动通道的流体引起的科里奥利力而生成的所述相对运动的共振频率，其中确定所述流体的所述校准流动速率还包括基于所述弹性材料、所述两个流动敏感构件的所述温度以及所述共振频率，确定所述流体的所述校准流动速率。
19.如权利要求18所述的方法，其中确定所述校准流动速率还包括 确定测量所述共振频率的平方对所述温度的比率的因子；并且 基于所述因子和在所述两个流动敏感构件中生成的所述相对运动，确定所述校准流动速率。
全文摘要
一种由单片弹性聚合体材料制造的科里奥利流量计的子组件。该子组件包括两个流动敏感构件和整体连接到该两个流动敏感构件的底座。该两个流动敏感构件包括直线段并且实质上是相似的并且彼此平行。沿该两个流动敏感构件的直线段钻削流动通道，并且使用弹性聚合体材料密封钻削入口。将温度传感器固定依附到流动敏感构件以便测量该流动敏感构件的温度并且向计量电子装置发送该温度。该计量电子装置确定流经该科里奥利流量计的流体考虑所述温度的校准流动速率。
文档编号G01F1/84GK102782463SQ201080063688
公开日2012年11月14日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年2月12日
发明者A·M·杨, C·W·努森, 林建人 申请人:骏马流量传感器公司