具有宽操作范围的可更换科里奥利流量传感器

本申请是2021年11月10日提交的美国专利申请序列第17/523,185号”可更换科里奥利流量传感器的重型托架(Heavy Cradle For Replaceable Coriolis Flow Sensors)”的部分继续申请；该申请根据35U.S.C.119(e)要求2021年11月2日提交的美国临时专利申请序列第63/274,841号的优先权。本申请也是2022年3月23日提交的美国专利申请序列第17/702,554号”具有不同谐振频率的科里奥利质量流量传感器(Coriolis Mass FlowSensors Having Different Resonant Frequencies)”的部分继续申请；所述申请是2020年4月10日提交的美国专利申请序列第16/846,061号”具有不同谐振频率的科里奥利质量流量传感器(Coriolis Mass Flow Sensors Having Different Resonant Frequencies)”的继续。所有前述内容的主题通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及科里奥利流量传感器。

背景技术

许多应用需要流体的受控流动。流量处理系统通常包括多个流量传感器来测量流体的流率。科里奥利流量传感器基于由流动通过传感器的流体的科里奥利效应导致的振动来测量流体的流率。然而，为了减少串扰或破坏性干扰效应，常规的流量传感器可以附接到大的质量并且流量传感器本身可以由重的或厚的材料构造。

然而，这些常规的设计可能是昂贵的并且不适合单次使用或一次性应用。此外，对具有金属外壳或金属部件的流量传感器的消毒通常通过使用化学品来实现，这不是很有效并且会导致流量传感器的交叉污染。

附图说明

本公开的实施例具有其他优点和特征，当结合附图中的示例时该其他优点和特征将从以下具体实施方式和所附权利要求中更容易显而易见，在附图中：

图1示出了科里奥利流量传感器。

图2示出了插入对应托架的科里奥利流量传感器。

图3示出了使用伽马辐射验证科里奥利流量传感器消毒的测试设置。

图4A示出了科里奥利流量传感器和对应托架的透视图。

图4B示出了科里奥利流量传感器的横截面视图。

图4C示出了锁定在托架中的科里奥利流量传感器的透视图。

图4D示出了锁定在托架中的科里奥利流量传感器的俯视图、前视图和侧视图。

图5A和图5B示出了托架的俯视透视图和仰视透视图。

图6示出了附接到滑道上的托架。

图7A和图7B示出了科里奥利流量传感器和对应托架的另一个实施例的透视图。

图8A和图8B示出了科里奥利流量传感器和对应托架的又一实施例的透视图。

图9A和图9B示出了科里奥利流量传感器和对应托架的又一实施例的透视图。

图10是包含科里奥利流量传感器的流量测量系统的示意图。

具体实施方式

附图和以下描述仅以说明的方式涉及优选实施例。应注意的是，从下面的讨论中，本文公开的结构和方法的替代实施例将很容易被认为是在不脱离所要求保护的原理的情况下可以采用的可行替代方案。

图1示出了科里奥利流量传感器150。科里奥利流量传感器150是基于由流动通过传感器的流体的科里奥利效应导致的振动来测量流体流率的设备。流量传感器150包括入口(隐藏在图1中)、流管154(或在一些设计中是两个或更多个流管)和出口156。这为通过流量传感器150的流体提供了流动路径。流管154可以振动，例如由磁体和线圈157驱动。当流体流动通过流管154时，科里奥利力产生流管的扭转振动，导致流管振动的相移。流体流动也改变了流管的共振频率。流量传感器150包括换能器，该换能器生成对相移和/或谐振频率变化敏感的电信号。这些信号可以被处理以确定流体的质量流体流率和/或密度。

所期望的是科里奥利流量传感器在宽的操作范围内具有良好的准确度。因此，流管可以由具有高杨氏模量(拉伸模量)(例如至少50GPa的杨氏模量)的材料构造。流管可以是金属流管。它们可以由不锈钢构造，诸如316、316L、304或304L不锈钢。其他可能的金属包括哈氏合金、蒙乃尔合金、镍、钛和钽。也可以使用非金属，诸如锆。表1列出了针对许多不同材料的杨氏模量。

表1：不同材料的杨氏模量

对于1/4英寸直径的流管，科里奥利流量传感器的操作范围可以是从25ml/min或20ml/min或15ml/min或更低，到4000ml/min或5000ml/min或更高。不同尺寸的流管的操作范围将会不同。直径为2”的流管的操作范围可高达350l/min或更高。操作范围可以用调节比来表征，调节比是最大流率除以最小流率的比值。在操作范围内，流量传感器的准确度可能为实际流率的+/-1％。

科里奥利流量传感器被设计成一次性或单次使用。相应地，管154被包围在外壳130中。如图2中所示，外壳130可以在安装结构上锁定到位和解锁。图2示出了锁定在托架100中锁定到位的科里奥利流量传感器150。手柄159可以用于将流量传感器150插入托架100中，以及将流量传感器从托架移除。入口152和出口156在图2中可见，但是流管不可见，因为流管在托架100内。在此示例中，锁定机构是四个翼形螺钉142。外壳130被成形为滑入和滑出托架100。

科里奥利流量传感器150还被设计成准许通过伽马辐射消毒。外壳130的部分由伽马透明材料构造，伽马透明材料是对伽马辐射具有低衰减的材料。在图1中，侧面板135是聚碳酸酯或其他类型的塑料。因此，流管154的内部可以通过伽马辐射消毒。侧面板135足够薄并且流管154的壁足够薄，以允许足够的伽马辐射到达流管的内部。例如，侧面板135可以是容易通过伽马辐射的聚碳酸酯并且流管可以具有不大于0.020”的壁厚。壁厚将根据流管的尺寸而变化。下面的表2示出了针对不同尺寸的无缝不锈钢流管的壁厚。最大壁厚可能约为表2中示出的厚度的两倍。

表2：不同尺寸流管的壁厚

科里奥利流量传感器150还包括用于存储科里奥利流量传感器的校准数据或其他类型数据的存储器。如果使用伽马消毒，此存储器可以是伽马稳定存储器。

图3示出了使用伽马辐射验证科里奥利流量传感器消毒的测试设置。为了清楚起见，图3仅示出了流管154而没有示出外壳130。伽马剂量计放置在流管154内部中示出的位置。包括塑料外壳130的科里奥利流量传感器被伽马辐射。剂量计指示足够的辐射到达流管154的内部以对流量传感器消毒。外壳130的塑料壁和流管154的壁足够薄以通过足够的伽马辐射。

在一些设计中，科里奥利流量传感器也可以通过其他方法消毒：例如环氧乙烷清洗、氢氧化钠清洗或x射线消毒。如果多次使用科里奥利流量传感器(例如，多次使用应用或连续使用应用)，则可以在两次使用之间对其消毒。为了避免不得不移除科里奥利流量传感器，它可以设计成原位清洗过程或原位蒸汽过程。因此，相同的流量传感器可适用于单次使用的应用、多次使用的应用和连续使用的应用。

附图示出了科里奥利流量传感器的示例，但是应理解，也可以使用其他类型的科里奥利流量传感器。管的数量和形状、管和流量传感器的材料和构造以及入口和出口的布置都可以根据科里奥利流量传感器的特定设计而改变。科里奥利流量传感器可以包括一个流管，或两个或更多个流管。在不同的流量传感器中，流管可以具有不同的形状：例如U形管、V形管、ω形管或直管。通常，科里奥利流量传感器的连接尺寸为1/16”至2”软管倒钩或三夹配件。其他类型的配件也可以用在科里奥利流量传感器上。这些流量传感器的典型流量范围从对于最小尺寸(1/16”软管倒钩连接)的0.05gm/min到0.5gm/min到对于最大尺寸(2”)的10kg/min到350kg/min。典型准确度范围为实际读数的0.1％至1.0％。

图4至图5示出了科里奥利流量传感器150和对应托架100的示例实施例的不同视图。图4示出了科里奥利流量传感器150和托架100两者，其中图4A是分解图，图4B仅示出了流量传感器，图4C示出了组装好的系统，并且图4D示出了组装好的系统的俯视图、前视图和侧视图。图5A和图5B是仅示出托架100和锁定机构140的透视图。

在图4B的横截面中可以看到流量传感器150。流量传感器150包括入口152、流管154(或在一些设计中是两个流管)和出口156。因为科里奥利流量传感器是基于流管的振动变化操作的，所以由流体流动以外的来源导致的振动效应可能会导致误差。例如，如果流量传感器和其他设备安装在共同的支撑结构上，那么来自泵和其他设备的振动可能通过支撑结构机械联接到流量传感器。流管的振动也可能通过与周围支撑结构的共振联接而被扭曲或以其他方式改变。

零点漂移就是一种此类效应。科里奥利流量传感器通电，即使它们不测量流量。因此，当没有流体被泵送或流动通过科里奥利流管时，这些管继续振动。有时候这些管是空的并且有时候这些管里有液体。零点漂移是显示在没有实际流量时出现的最小流率的现象。零点漂移的一个示例是当科里奥利流管中残留有休眠流体并且发生一定量的晃动时。此最小流率非常小并且通常是每个科里奥利流量传感器的最小流率的非常小的百分比。此外，来自外部机械设备(诸如泵和阀)的振动也会通过干扰科里奥利流量传感器的模拟或数字输出信号而导致零点漂移。

减少零点漂移的一种方法是增加流量传感器的质量。更多的质量抑制了外部机械振动干扰并且休眠液体的晃动也将由于更重的质量而被抑制。

然而，在一些应用中，科里奥利流量传感器不是永久性的。它们旨在定期更换。它们甚至可以是单次使用的或被认为是一次性的。单次使用或一次性科里奥利流量传感器用于生物制药和制药行业，以制造疫苗(包括新冠肺炎疫苗)、细胞和基因治疗的活性药物成分以及核医学制造。

在这些情况下，期望将科里奥利流量传感器制造得尽可能轻便和便宜，因此制造大而笨重的科里奥利流量传感器是不期望的。此外，一些应用可能还需要对流量传感器消毒。伽马辐射可以用于对流量传感器消毒，在这种情况下，流量传感器由可被伽马辐射(例如最小25kGy或50kGy或65kGy这可能是用于在某些生物制药应用中用于消毒的辐射水平)的材料构造。

在本文中示出的示例中，科里奥利流量传感器150的有效质量通过在使用时将其锁定到重型托架100而增加。托架100的质量优选地至少是科里奥利流量传感器质量的10至30倍。例如，典型的科里奥利流量传感器的质量可以在0.2kg～3kg的范围内并且对于重型托架的典型质量则可以是5kg～80kg。

托架100具有用于科里奥利流量传感器100的安装结构114(参见图5A)，并且锁定机构140用于将科里奥利流量传感器锁定在安装结构上的适当位置和解锁。锁定机构在锁定时产生足够的锁定力，使得科里奥利流量传感器150和托架100(如图4A中所示)作为一个整体一起振动。

在图4至图5的示例中，托架100包括矩形金属套环110，该矩形金属套环占托架质量的很大一部分。套环110具有带内部唇缘114的矩形孔，这在图5中最为明显。该唇缘也是矩形和环形形状的。流量传感器150包括具有脊部158的塑料壳体。脊部158装配到金属套环110的孔中并且抵靠图5A中示出的凸缘114按压。锁定机构140向脊部158施加力以保持脊部刚性地抵靠唇缘114。流管154通过唇缘114中的环形开口突出。

在此示例中，锁定机构140使用翼形螺钉142来产生力。当拧紧时，翼形螺钉142向舌状物144施加压力，该舌状物又抵靠金属套环110的内部唇缘114按压脊部158。翼形螺钉设计用于施加特定量的力。在示出的示例中，力施加在以矩形形状布置的四个锁定点处，尽管其他布置也是可能的。施加的力应足够大以充分减少流量传感器150相对于套环110的振动。因此，流量传感器150和托架100将作为整体振动并且托架100将有效地增加流量传感器150的质量，而不是两者相对于彼此振动。例如，翼形螺钉142中的每个可以施加3牛顿米(Nm)或更大的力，以相对于彼此刚性地保持流量传感器150和托架100。对于所有翼形螺钉的合力为12Nm或更大。在其他设计中，较低的锁定力可能是可接受的，例如10Nm或更大，或5Nm或更大。

施加均匀的力也很重要。在四个锁定点施加相同的力允许平衡施加的压力。如果不同锁定点处的力不同，则传感器将不平衡并且零点漂移和导致的不准确度将更高。在图4至图5中，应向每个锁定点施加相同量的力。例如，施加在锁定点中的每个处的力可以在彼此的15％以内，或更优选地在彼此的10％以内、5％以内或甚至1％以内。

使用翼形螺钉142的一个优点是锁定机构可以手动操作。翼形螺钉142可以被松开，舌状物144被旋转或转开以释放流量传感器150，并且流量传感器被移除，并且用另一个流量传感器更换。这促进更换流量传感器，包括一次性和单次使用的流量传感器。在一些单次使用或一次性应用中，流量传感器可以在一分钟或更短的时间内被移除并更换。

托架100还包括外壳120，该外壳封装科里奥利流量传感器的其余部分。外壳也增加了质量。图4至图5中示出的外壳包括电缆孔122(参见图5B)以允许功率和数据连接到具有后部连接电缆的传感器的流量传感器。图1示出了顶部安装电缆连接。

图6示出了附接到滑道670的托架100。滑道是装备可以安装在其上的机械框架。在此示例中，托架100附接到金属板或面板675，该金属板或面板附接到滑道670。振动阻尼垫圈680定位在托架100和板675之间。在竖直方向上，托架100由横向构件677A(L形支架)和677B(滑道的横梁)支撑。振动阻尼垫圈687A和687B定位在托架100和横向构件677A和677B之间。

应注意的是，重型托架100不与滑道670的任何部分直接接触。它总是被振动垫圈680、687间隔开。垫圈680、687在托架100和滑道670(以及安装在滑道上的其他部件)之间提供振动隔离。例如，振动垫圈可以显著抑制低频振动。

重型托架100增加了科里奥利流量传感器150的质量，并且振动垫圈680、687将托架和流量传感器与流量处理系统的其余部分隔离。因此，减少了零点漂移。例如，对于较小尺寸的传感器(例如，1/2英寸及以下的管道)，零点漂移从100g/min减少到2.5g/min。对于这些传感器的典型最小流率为500g/min，因此零点漂移减少到小于最小流率的1％。对于较大的传感器(例如，3/4和1英寸管道)，零点漂移从200g/min减少到25g/min。对于这些传感器的典型最小流率为6kg/min，因此零点漂移减少到小于最小流率的1％。

图7至图9示出了科里奥利流量传感器750、850、950和对应的托架700、800、900的另外的实施例的透视图。在图7中，流量传感器750具有竖直配置，而前面图中的流量传感器是直列式配置。在直列式配置中，入口152和出口156彼此一致，但是流动通常被转向以便流动通过流管。在图7的竖直配置中，入口752和出口756彼此不对准，但是流动与流管更加一致。托架和安装结构可以设计成容纳多个不同的流量传感器，包括直列式科里奥利流量传感器和竖直科里奥利流量传感器两者。此外，在图7中，锁定点740在拐角上而不是沿着侧面。

在图8中，托架800包括套环810但没有外壳。如图8B中所示，流量传感器850通过套环810突出并且在套环下方可见。

在图9中，科里奥利流量传感器具有带入口952和出口956的直列式配置。它还包括集成的阻尼器962和集成的压力传感器964。阻尼器962位于流量传感器的入口侧。集成的阻尼器减少了流体流动本身的振动，例如可能由脉动泵导致的振动。在美国专利申请第16/994,611号”流量测量系统中的流量阻尼器(Flow Dampener in Flow MeasurementSystem)”中描述了示例阻尼器，该专利申请通过引用整体并入本文。与连接到入口或出口的管道的独立式阻尼器和压力传感器相比，集成的阻尼器和压力传感器减少了整体尺寸和空间需要。它还减少了所需的管道量，从而减少了死体积。死体积是管道、传感器和其他部件中包含的流体体积，因为当系统在批次之间被冲洗时，此体积被损失并且没有转化为可用的产品。减少死体积在制药中非常重要，因为死体积是可能非常有价值的废品。集成压力传感器还可以产生更准确的压力读数，用于校准科里奥利流量传感器，因为它测量的压力更靠近实际流管。

图10是示出使用如上面所描述的单次使用或一次性流量传感器1010、1020和1030的流量测量系统1000的示意图。流量测量系统1000还包括两个泵1013和1023，三个控制器1015、1025和1035，三个阻尼器1017、1027和1037，以及混合歧管1040。流量测量系统1000可以是过程滑道(例如生物制药或药物滑道)的一部分。泵1013、1023优选位于流量传感器1010、1020附近并且与流量传感器成一直线。阻尼器1017、1027用于减轻从泵1013、1023到流量传感器1010、1020的串扰，尽管根据应用可能不需要它们。

两种流体1050和1060进入流量测量系统1000。一种流体1050进入泵1013，该泵将流体泵送通过阻尼器1017和流量传感器1010进入混合歧管1040。另一种流体1060进入泵1023，该泵通过阻尼器1027和流量传感器1020将流体1060泵入混合歧管1040。流量传感器1010、1020相应地测量流体1050和1060的流动特性(例如，质量流率、体积流率、流量密度等)。

两种流体1050、1060在混合歧管1040处结合，并且两种流体的混合物1070流出歧管。在一些实施例中，混合歧管1040还接收可以与流体1050和1060混合或反应以产生流体1070的其他流体或物质。混合歧管1040可以包括泵，该泵将流体1070泵送通过阻尼器1037和流量传感器1030。流量传感器1030测量流体1070的流动特性。

流量传感器1010、1020、1030可以同时操作。在一些实施例中，流量传感器1010、1020和1030中的至少两者具有类似的操作范围。控制器1015、1025、1035接收来自流量传感器1010、1020、1030的信号并且基于这些信号进行流量分析。流量分析包括，例如，基于表示流管相移的信号确定流率，基于表示流管谐振频率变化的信号确定流量密度，基于流量密度变化检测流体中的气泡，以及确定流体的其他流动特性。

尽管具体实施方式包含许多细节，但是这些细节不应被解释为限制本发明的范围而仅是说明不同的示例。应理解，本公开的范围包括上面未详细讨论的其他实施例。在不脱离所附权利要求中限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法和装置的布置、操作和细节中进行对本领域技术人员来说显而易见的各种其他修改、改变和变化。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其法律等效物确定。