带有多个促动器的科里奥利流量计
技术领域
本公开内容大体上涉及科里奥利流量传感器。更特别地，本公开内容涉及一种具有多个促动器的科里奥利流量传感器组件，该促动器各自驱动振荡，且在某些实施例中，该组件可包含流管壳，以改进由科里奥利流量传感器执行的测量的精度。
背景技术
通过流动系统输送的流体的性质的精确测量对于各种应用(诸如在生物处理系统以及油和气管线中)是重要的。用于测量流体性质的一种技术是通过使用流率。这允许测量在流体输送或流动期间执行，其对于降低相关联的操作成本是有利的。即，主动流动系统可在测量期间操作。流率可作为体积流率或质量流率来测量。如果流体的密度恒定，体积流率是精确的；然而，情况不总是这样，因为密度可随温度、压力或组分来显著地改变。因而，对于测量流体流量，质量流率典型地更可靠。一种用于测量质量流率的方法是通过科里奥利流量传感器(例如，流量计)。大体上，科里奥利流量传感器经由科里奥利力来测量质量流率，该力由流体在它移动通过振荡管时产生。
发明内容
与最初要求保护的主题在范围上相当的某些实施例在下文概述。这些实施例不旨在限制所要求保护的主题的范围，而是这些实施例仅旨在提供可能实施例的简要概述。实际上，本公开内容可包含与下文阐述的实施例可类似或不同的各种形式。
本文中提供一种具有流管的系统，该流管构造成提供穿过流管的流径。系统还包含围绕流管沿径向分布的多个促动器，其中多个促动器中的第一促动器构造成在第一平面中驱动第一振荡，且多个促动器中的第二促动器构造成在第二平面中驱动第二振荡。此外，系统包含设置在流管上的多个传感器组，其中每个传感器组包括配置成感测第一振荡、第二振荡或两者的两个或更多个传感器。
本文中提供一种方法，该方法包含用第一促动器来促动流管以引起流管在第一平面中振荡，该流管具有沿流径流动的流体。方法还包含测量流管在第一平面中的第一振荡。然后，方法包含用第二促动器来促动流管以引起流管在第二平面中振荡。此外，方法包含测量流管在第二平面中的第二振荡。更进一步，方法包含基于所测量的第一振荡和所测量的第二振荡来确定流体的性质。
本文中提供一种具有流体流动组件的系统，该流体流动组件包括主管和副管，其中该流体流动组件构造成提供穿过主管的流径，其中主流管沿流径大体上是直的，且其中副管与主管同轴并与主管形成间隙。系统还包含围绕流管沿径向分布的多个促动器，其中多个促动器中的第一促动器构造成在第一平面中驱动第一振荡，且多个促动器中的第二促动器构造成在第二平面中驱动第二振荡。此外，系统包含多个传感器，该多个传感器设置在副管内且配置成感测第一振荡或第二振荡中的一者或两者。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的符号表示在图各处相似的部分，其中：
图1是根据本公开内容的科里奥利流量传感器系统的框图；
图2是根据本公开内容的具有多个传感器和多个促动器的科里奥利流量传感器组件的流管的图；
图3示出根据本公开内容的用于操作科里奥利流量传感器的方法的流程图；
图4是根据本公开内容的科里奥利流量传感器系统的框图；
图5是根据本公开内容的科里奥利流量传感器的流管的各种振荡轴线的图；
图6是根据本公开内容的科里奥利流量传感器组件的流管和流管壳的图；
图7示出根据本公开内容的科里奥利流量传感器组件的流管和流管壳的截面；以及
图8示出根据本公开内容的流管的复杂振荡。
具体实施方式
下文将描述本公开内容的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应了解的是，在任何此类实际实施方式的研发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实施方式特有的决定来实现研发者的特定目标，诸如，符合系统相关和业务相关的约束(其从一种实施方式到另一种可不同)。而且，应了解的是，此类研发工作可复杂且耗时，但对于受益于该公开内容的普通技术人员，不过将是设计、制作和制造的常规任务。
在介绍本公开内容的各种实施例的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在要素中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”旨在为包含性的，且意指可存在除了所列举的要素外的额外要素。
科里奥利流量传感器在涉及流体流动的许多应用(诸如生物处理系统)中是有用的。大体上，科里奥利流量传感器通过测量一个或多个振荡的流管的相移来操作，该相移由科里奥利力(该力由在管内侧流动的流体引起)所产生。提供增加科里奥利力效应的科里奥利流量传感器设计是有益的，增加科里奥利力效应继而导致质量流灵敏度和感测幅度增加(例如，高信噪比)。即，如本文中提供的传感器组件的构件的结构特性和布置可影响测量的灵敏度。
改变管的几何形式的许多方法通常导致大的管环，其在零点稳定性上没有优点，因为外部干扰也被放大(其继而降低传感器精度)。另外，用于针对高压流体流所设计的科里奥利流量传感器的许多方法可使用更刚性的材料或增加管道的壁厚，其导致科里奥利流量传感器的灵敏度较低。流管的结构与流过流管的流体的操作压力之间的关系由巴洛公式示出：t=(P*D)/(2*S)，其中t是壁厚，P是流管的内侧与外侧之间的相对压力，S是许用应力(例如，流管的合适操作压力)，且D是流管的外径。在壁厚增加时，流管的抗弯刚度增加，其降低驱动科里奥利效应的振荡幅度，其继而降低传感器的灵敏度并增加信噪比。此外，这些构造还占据流体流动系统中的额外空间，且环形几何形式改变流体流径，其影响压力损失、流速、剪切速率、截留、排放和磨损。
本公开内容涉及一种带有改进的灵敏度和低信噪比的科里奥利流量传感器组件。组件可包含流管(例如，一次性流管)、多个促动器和多组传感器。每个促动器驱动流管在相应平面内的振荡，且每组的传感器配置成测量在给定平面中由振荡和科里奥利力所产生的相移。测量在多个不同平面中/维度上的振荡可增加测量的确定性。
现在转到图，图1是示出科里奥利流量传感器系统10的实施例的图。科里奥利流量传感器系统10包含联接到一个或多个促动器14和一个或多个传感器16的电子电路12。一个或多个促动器14以及传感器16联接到流管18。
电子电路12包含驱动电路20，以触发一个或多个促动器16来在流管18中生成期望频率和幅值的振荡。科里奥利流量传感器系统10还包含传感器电路22，以从流管18接收科里奥利响应。电子电路12还包含处理器24，以处理从传感器16接收的科里奥利响应信号来生成代表流体的一个或多个性质的一个或多个测量值。这些测量值经由用户接口26来显示。电子电路12还包含存储器27，以存储测量值来用于进一步使用和通信，以存储对驱动电路20和传感器电路22有用的数据。
在操作中，流体28流提供至流管18。电子电路12触发一个或多个促动器14以在流管18中生成振荡，该振荡传递到流体28。一个或多个促动器14用来在流体28中引发在所需频率范围内适当幅度的振荡。由于这些振荡和流体28通过流管18的流动，科里奥利响应(振动幅度和相位)在流体中生成且由传感器16通过流管18感测。来自传感器16的所感测的科里奥利响应信号传送至电子电路12，以用于进一步处理来获得包含流体流量的流体的一个或多个性质的测量值。一个或多个传感器16配置成提供指示由流过流管18的流体28引起的科里奥利响应的信号。一个或多个传感器16可包含例如电磁传感器或光学传感器以及相关联的构件。此外，传感器16可包含分离的感测构件，其中传感器16的一部分设置在流管18上且传感器16的一部分与流管18间隔开，且由此传感器16配置成测量构件之间物理距离上的改变，作为流管18的振荡的量度。
系统10可用来评估任何流体流动系统中的流体特性。如所公开的，可在各种制造和/或流体流动过程的操作期间评估流体特性。用于本文中描述的系统10的一些应用包含半导体工业中晶片的制作，以及涉及有机流体使用的医学应用。这些中的一些是高纯度应用，且由例如聚合物或其它化学惰性材料制成的流管18的使用在此类应用中是有利的。在一些其它的应用中，由电气惰性且低导热性的材料(比如玻璃)形成的流管18是有利的。
将由本领域技术人员所了解的是，科里奥利流量传感器系统的一个或多个构件可构造为一次性部分，且其它构件可构造为可重复使用的驻留部分。为此，在其中某些构件为一次性的实施方式中，一次性构件可(例如，由操作者使用适当的工具或由手)与驻留部分分离。例如，一个或多个促动器14、一个或多个传感器16或者流管18中的至少一者可为一次性部分，且其它部分构造为可重复使用的驻留部分。将由本领域技术人员所了解的是，一次性部分可以以非常低的成本以由特定工艺需求所决定的间隔更换。另外，在一些实施方式中，可改变流管18，而无需更换整个科里奥利流量传感器。一次性部分的子系统允许获得高精度的测量，重复使用科里奥利流量传感器系统10的部分，为单次应用提供灵活性，且实现成本和材料的节省。
流管18可构造为带有允许流体流动的内部通路的导管，且可形成为包含但不限于单、双或多环构造、分流、直管、逆流或同流构造的形状。在一些实施方式中，流管18例如由其对机械振荡器的振荡模式(谐波频率)的影响不首要的聚合物制成。在一些其它的示例中，流管18由金属制成。在还其它的示例中，流管18由玻璃制成。在一些示例中，流管材料根据诸如温度、压力和待测量的流体特性(例如，腐蚀性)之类的生物处理应用的特定需求来定制。此外，如本文中提供的，流管18可实现有促进沿其长度的可变刚度的壁厚或材料特征。流管18可布置成允许用于流体处理系统的在线流体流量感测。因此，流管可与较大流体处理系统的流体导管成流体连通。
在一些实施例中，流管18可包含可稳定和改进流管18性能的额外结构特征。因而，流管18和任何额外结构特征可统称为流体流动组件31。例如，流体流动组件31可包含构造成容纳流管18、促动器14和/或传感器16的基部或壳体。另外，在其中流管18为一次性的实施例中，流体流动组件可包含联接点，流管18的端部可附接到该联接点，且其将流管18流体地联接到流体流动系统10，以允许在线流体流动。此外，虽然所描绘的实施例在直流管18的上下文中，流体流动组件31也可容纳弯曲或环形的流管18。
图2示出联接到多个促动器14和多个传感器16的流管18。如本文中论述的，流管18提供流径30或流动轴线(例如，在由箭头所示出的方向上)。大体上，促动器14驱动流管18在相应平面32中的振荡，且当流体28沿流径30流过流管18时，观察到科里奥利效应。传感器16检测流管18的振荡中的相位差，其将在下文更详细地论述。
如示出的，流管18包含六个促动器14a、14b、14c、14d、14e和14f。每个促动器14设置在流管18上或附近，且驱动至少一个平面32中的振荡。例如，促动器14a在操作中驱动流管18在平面32a中的振荡。应理解的是，由促动器14引起的流管18的振荡可主要沿单个平面发生，但取决于振荡的性质，也可在其它平面中检测到。
另一促动器14b从促动器14a沿径向偏移(例如，约45度)，且可驱动平面32b中的振荡。此外，另一促动器14c从促动器14b和14a沿径向偏移(例如，分别约45和90度)。因而，促动器14c可驱动流管在第三平面32c中的振荡。应理解的是，与所示出的实施例中相比，流体流动组件可包含更少或更多的促动器14和更少或更多的传感器16。
虽然每个促动器14论述为以45度的增量沿径向偏移，该径向偏移可为任何合适的量。而且，虽然每个促动器14相对于流动轴线30相对地定位在流管18的中心，将由本领域普通技术人员所了解的是，促动器14的位置可取决于流管18的物理性质以及振荡的类型(例如，模式的顺序)。虽然对于每个相应平面仅示出一个促动器14，在一些实施例中，两个促动器14可驱动同一平面32中的振荡。
如示出的，流管18包含设置在流管18的外表面34上的六个传感器16a、16b、16c、16d、16e和16f。如示出的，传感器16a和16b设置在平面32a内(例如，共面)，传感器16c和16d设置在平面32b内，且传感器16e和16f设置在平面32c内。大体上，平面32内的每个传感器16将感测科里奥利相移，该科里奥利相移由沿流径30流动的流体以及由一个或多个促动器14驱动的振荡所产生。例如，在振荡器14a驱动流管18沿平面32a的振荡且流体沿流径30流动时，由于科里奥利效应，振荡中将存在相移。振荡的检测可涉及比较两个或更多个间隔开的传感器16之间的流管振荡，该传感器可称为传感器组36。传感器组36可包含沿流管18的长度间隔开(例如，沿轴线30)和/或沿周向间隔开的传感器。
在大体的操作中，每个促动器14可按被认为适于获得最高信噪比的任何顺序(例如，顺序地、组合地等)来驱动流管18的振荡。图3是根据本公开内容的示出用于操作科里奥利流量传感器系统10的过程40的实施例的流程图。要理解的是，本文中论述的步骤仅为示例性的，且某些步骤可省略或以与下文描述的顺序不同的顺序来执行。在一些实施例中，过程40可存储在非易失性存储器27上且由电子电路12的处理器24执行，或存储在其它合适的存储器中且由与科里奥利流量传感器系统10相关联的其它合适的处理电路或单独的合适处理电路执行。
如在图3所示出的实施例中在框42处示出的，处理器24发送信号(例如，驱动信号)，该信号引起促动器14以可在第一平面32中检测到的方式振荡流管18。例如，促动器14a可驱动流管18在平面32a中的振荡。当流体28流过流管18时，发生科里奥利相效应，该效应引发沿振荡的流管18的相移。然后，在框44处，处理器24测量与第一平面32(例如，平面32a)中的振荡相关联的第一科里奥利相移。即，传感器16配置成测量第一平面32中的相移且可测量指示流过流管18的流体的性质的信号或数据。科里奥利相效应上随时间的改变可指示流体特性上的改变。
在框46处，处理器24发送合适的信号，该信号引起促动器14在第二平面32中振荡流管18。例如，促动器14b可驱动流管18在平面32b中的振荡。当流体28流过流管18时，发生科里奥利相效应，该效应引发沿振荡的流管18的相移。然后，在框48处，处理器24测量与第二平面32(例如，平面32b)中的振荡相关联的第一科里奥利相移。即，配置成测量第一平面32中的相移的传感器16可测量指示流体性质的信号或数据。
在框50处，处理器24基于由第一和第二平面32(例如，32a和32b)中的振荡所产生的科里奥利相移来确定流体的性质。在一些实施例中，在到达框50之前，处理器24可发送合适的信号，该信号引起第三促动器14(例如，促动器14c)在第三平面32c中驱动振荡。此外，框42和46中提到的流管中的振荡可处于相应的第一和第二频率。更进一步，振荡可在同一平面32中，但具有不同的频率。
因而，本公开内容的一个实施例涉及一种带有改进的灵敏度和低信噪比的科里奥利流量传感器组件。组件可包含流管(例如，一次性流管)、多个促动器和多组传感器。每个促动器构造成驱动流管在平面内的振荡，且每组的传感器配置成测量在给定平面中由振荡和科里奥利力所产生的相移。
在另一实施例中，本公开内容涉及一种带有减小振荡力损失的流管壳的流管。在实施例中，科里奥利流量传感器系统可包含包绕流管的流管壳。流管壳包含在流管与流管壳中间的加压体积或间隙，其可用作用于流管的压力容积(containment)和屏障。即，如本文中论述的巴洛公式中示出的，加压间隙减小相对压力P。此外，加压间隙可最大限度地减小不希望的振荡，诸如在除了由促动器驱动的方向上的振荡外的方向上的振荡。不希望的振荡干扰性能且降低科里奥利流量传感器的SNR。例如，干扰可产生不由质量流产生的相移信号，该相移信号也振荡，且导致大的数据分散和滞后。流管壳还可减小为改进科里奥利流量传感器性能所执行的许多结构改变，诸如引入死体积或未使用体积的环形构造。此外，本技术可便于流管的壁更薄或允许流管中的刚性更小，其导致灵敏度和SNR增加。
图4是示出科里奥利流量传感器系统10的实施例的图。科里奥利流量传感器系统10包含联接到一个或多个促动器14和一个或多个传感器16的电子电路12。一个或多个促动器14和传感器16联接到流管18。流管18包围于流管壳52内，流管壳52还容纳促动器14和传感器16以形成科里奥利流量传感器组件53。
电子电路12包含驱动电路20，以触发一个或多个促动器16来在流管18中生成期望频率和幅值的振荡。科里奥利流量传感器系统10还包含传感器电路22，以从流管18接收科里奥利响应。电子电路12还包含处理器24，以处理从传感器16接收的科里奥利响应信号来生成代表流体的一个或多个性质的一个或多个测量值。这些测量值经由用户接口26来显示。电子电路12还包含存储器27，以存储测量值来用于进一步使用和通信，以存储对驱动电路20和传感器电路22有用的数据。
在操作中，流体28流提供至流管18。电子电路12触发一个或多个促动器14以在流管18中生成振荡，该振荡传递到流体28。流管18中的振荡是相对于基本保持静止的流管壳52。一个或多个促动器14用来在流体28中引发在所需频率范围内适当幅度的振荡。流管壳52用液体或气体来加压，且大体上防止流管18在除了预期振荡方向外的方向上或平面中振荡。即，流管18的振荡模式的某些频率可具有部分重叠，且这些其它频率可减小预期振荡的幅度。因而，由促动器14引发(例如，驱动)的振荡可部分地激发不希望的模式。如下文更详细论述的，加压流管壳52减小或防止不希望的振荡，该振荡可降低预期振荡的SNR。
由于这些振荡和流体28通过流管18的流动，科里奥利响应(振动幅度和相位)在流体中生成且由传感器16通过流管18感测。来自传感器16的所感测的科里奥利响应信号传送至电子电路12，以用于进一步处理来获得包含流体流量的流体的一个或多个性质的测量值。一个或多个传感器16配置成提供指示由流过流管18的流体28引起的科里奥利响应的信号。一个或多个传感器16可包含例如电磁传感器或光学传感器以及相关联的构件。
系统10可用来评估任何流体流动系统中的流体特性。如所公开的，可在各种制造和/或流体流动过程的操作期间评估流体特性。用于本文中描述的系统10的一些应用包含半导体工业中晶片的制作，以及涉及有机流体使用的医学应用。这些中的一些是高纯度应用，且由例如聚合物或其它化学惰性材料制成的流管18的使用在此类应用中是有利的。在一些其它的应用中，由电气惰性且低导热性的材料(比如玻璃)形成的流管18是有利的。
将由本领域技术人员所了解的是，传感器组件14的一个或多个构件可构造为一次性部分，且其它构件可构造为可重复使用的驻留部分。为此，在其中某些构件为一次性的实施方式中，一次性构件可(例如，由操作者使用适当的工具或由手)与驻留部分分离。例如，一个或多个促动器14、一个或多个传感器16或者流管18中的至少一者可为一次性部分，且其它部分构造为可重复使用的驻留部分。将由本领域技术人员所了解的是，一次性部分可以以非常低的成本以由特定工艺需求所决定的间隔更换。另外，在一些实施方式中，可改变流管18，而无需更换整个科里奥利流量传感器。一次性部分的子系统允许获得高精度的测量，重复使用科里奥利流量传感器系统10的部分，为单次应用提供灵活性，且实现成本和材料的节省。
如本文中论述的，流管18可构造为带有允许流体流动的内部通路的导管，且可形成为包含但不限于单、双或多环构造、分流、直管、逆流或同流构造的形状。在一些实施方式中，流管18例如由其对机械振荡器的振荡模式(谐波频率)的影响不首要的聚合物制成。在一些其它的示例中，流管18由金属制成。在还其它的示例中，流管18由玻璃制成。在一些示例中，流管材料根据诸如温度、压力和待测量的流体特性(例如，腐蚀性)之类的生物处理应用的特定需求来定制。此外，如本文中提供的，流管18可实现有促进沿其长度的可变刚度的壁厚或材料特征。流管18可布置成允许用于流体处理系统的在线流体流量感测。因此，流管可与较大流体处理系统的流体导管成流体连通。
如上文论述的，图4中示出的流管壳52大体上减小不希望的振荡效应。图5是沿流管18的横向轴线56和竖直轴线54的示意图。如示出的，振荡58发生在跨过竖直轴线54和流动轴线30的平面60中。不希望的谐波模式(例如，结构模式)可沿轴线54和56发生，且造成科里奥利偏转形状，其可减小振荡58的幅度。为了使流管18的不希望谐波模式的频率衰减或移位，可添加额外的结构特征。沿某些轴线(例如，54和56)的结构特征可对带有可变截面的不同振动模式提供独立的影响，其调节不希望的谐波模式(例如，使谐波模式的频率上移，使频率下移，或减小幅度)，直到不希望的谐波模式效应可忽略，导致科里奥利流量传感器组件的灵敏度和稳健性增加。变更不希望的谐波模式的特征(例如，模态特征)可具有各种设计、结构和性质来解决不同的模式。
图6是科里奥利流量传感器组件53的部分剖面视图，该组件53包含科里奥利流量传感器系统10的流管18(例如，主管)和流管壳52(例如，副管)。流管包含多个传感器16，其设置在流管的外表面34上且可如本文中描述的那样操作。如示出的，流管壳52与流管18同轴(例如，围绕流径30)。此外，流管壳52包绕流管18，使得在流管壳52与流管18之间形成间隙62。如本文中论述的，间隙62可用流体(例如，液体或气体)来加压。
如示出的，间隙62大体上沿流径30包绕流管18的一部分64。大体上，由间隙62所包绕的部分64将具有其中流管18可在操作下振荡的合适的流管18部分64的长度(例如，管的总长度的20%、40%、60%、80%、小于100%)。在一个实施例中，流管壳52与流管18的端部66接触(例如，附接到其)，或联接到将流管18联接至系统10的联接接头67，且在端部66处流管壳52与流管18之间的连接可保持间隙62内的压力。流管18可由比流管壳52更柔性的材料构成。在某些实施例中，流管组件53可与系统10分离且可提供为整体组件。
如示出的，传送器68大体上在流管壳52和流管18的中心轴线70上对准。如本文中论述的，传送器68将信号发送到促动器14，促动器14以一定频率驱动流管的振荡。另外，传送器68可从传感器16接收信号。此外，传送器68可包含用于管理(例如，发送信号)到传感器16和促动器14的电路。更进一步，传送器68可通过视觉显示器或在电子接口(例如，RS-232)上向用户提供接口。
如图6中示出的，促动器14设置在中心轴线70附近，将由本领域普通技术人员所了解的是，促动器14的位置可取决于振荡的模式。例如，对于促动器14合适的位置可为沿流管18部分64的某分之一。此外，如本文中论述的，科里奥利流动系统10可包含多个促动器14，其各自以一定频率/位置驱动振荡。
图7示出沿流管18的流径30的截面，如图6中示出的，流管18由流管壳52所包绕。如示出的，流管18的外表面34与加压间隙62接触。流管壳52与流管18的外表面34之间的距离69可为不限制流管18的振荡的任何合适的距离69。图7还示出在流管壳52与流管18的一端66之间的过渡区域72。在其中流管18与流管壳52接触的端部66与具有间隙62的部分64之间，过渡区域72可具有任何合适的形状。
因而，本公开内容的另一实施例涉及一种具有流管和流管壳的科里奥利流量传感器系统。大体上，流管与流管壳之间的加压间隙减小不希望的振荡效应。一个或多个促动器和一个或多个传感器可设置在流管壳内。传感器可设置在流管上，且促动器可围绕流径在流管周围沿径向设置。
如本文中论述的，科里奥利流量传感器系统10可包含多个促动器14和多个传感器16。因而，多个促动器14可驱动多个振荡。在一些实施例中，可以以各种频率驱动复杂的振荡。图8示出带有三种不同振荡频率76、78和80的振荡位置74(例如，随时间而变的图5中示出的轴线54和56上驱动的振荡)。即，流管18的振荡可为多个振荡的组合。
该书面描述使用示例(包含最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本公开内容的实施例，包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包含本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包含带有与权利要求书的字面语言非实质性差异的等同结构要素，此类其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
