DE10138323C1

DE10138323C1 - Messendurchflußmeßgerät und Verfahren zum Messen eines Massendurchflusses

Info

Publication number: DE10138323C1
Application number: DE10138323A
Authority: DE
Inventors: Henning Max Hansen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-08-11
Also published as: GB2379507B; GB2379507A; US20030033888A1; US6758103B2; GB0218584D0

Abstract

Es wird ein Massendurchflußmeßgerät (1) angegeben mit einem Rohr (2), das an einer ersten Position (P1) mit einem ersten Energieumformer (4) und an einer zweiten Position (P2) mit einem zweiten Energieumformer (5) schwingungsmäßig gekoppelt ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, wobei die erste und die zweite Position (P1, P2) einen Abstand (L) zueinander aufweisen, die Energieumformer (4, 5) jeweils als Schwingungserzeuger und als Schwingungsdetektor betreibbar sind und die Energieumformer (4, 5) abwechselnd als Schwingungserzeuger arbeiten. Damit ist ein Verfahren realisierbar, bei dem das Rohr (2) abwechselnd an der ersten Position (P1) und an der zweiten Position (P2) zu Schwingungen angeregt wird, wobei an der zweiten und der ersten Position (P2, P1) Signale gemessen werden. DOLLAR A Man möchte auch bei einem kleinbauenden Meßgerät genaue Messungen erzielen können. DOLLAR A Hierzu sind die Energieumformer (4, 5) als Teil von Resonanzkreisen (6, 7; 8, 9) ausgebildet und die Auswerteeinrichtung ermittelt einen vorbestimmten Parameter einer Resonanzschwingung am zweiten Energieumformer (5) nach Anregung durch den ersten Energieumformer (4) und den Parameter der Resonanzschwingung am ersten Energieumformer (4) nach Anregung durch den zweiten Energieumformer (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Massendurchflußmeßgerät mit einem Rohr, das an einer ersten Position mit einem er sten Energieumformer und an einer zweiten Position mit einem zweiten Energieumformer schwingungsmäßig gekop pelt ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, wobei die erste und die zweite Position einen Abstand zueinander aufweisen, die Energieumformer jeweils als Schwingungs erzeuger und als Schwingungsdetektor betreibbar sind und die Energieumformer abwechselnd als Schwingungser zeuger arbeiten. Ferner betrifft die Erfindung ein Ver fahren zum Messen eines Massendurchflusses durch ein Rohr, das abwechselnd an einer ersten Position und an einer zweiten Position zu Schwingungen angeregt wird, wobei an der zweiten und an der ersten Position Signale gemessen werden.

Ein derartiges Massendurchflußmeßgerät und ein derarti ges Verfahren sind aus DE 39 23 409 A1 bekannt. Das dort beschriebene Massendurchflußmeßgerät arbeitet nach dem Coriolis-Prinzip. Man versetzt das Rohr an der er sten Position in Schwingungen und erfaßt die "Antwort" an der zweiten Position. Danach Versetzt man das Rohr an der zweiten Position in Schwingungen und erfaßt die Antworten an der ersten Position. Aus dem Unterschied zwischen den Laufzeiten der Wellen in die eine und in die andere Richtung läßt sich auf den Massendurchfluß schließen.

Das Prinzip hat sich zwar bewährt. Es hat jedoch den Nachteil, daß die Wellenausbreitung der Schwingungen, die bislang verwendet wurden, sehr schnell war, so daß das Rohr sehr lang sein mußte, um einen für eine genaue Messung notwendigen Zeitunterschied erreichen zu kön nen.

In einem Vortrag von J. Hemp, "The Theory of Coriolis Mass Flowmeters", Cranfield Institute of Technology, Cranfield, England, 29. bis 30. Oktober 1987, wird ein Coriolis-Massendurchflußmesser mit einem U-förmigen Rohr beschrieben, wobei an dem Rohr zwei Energieumfor mer angebracht sind. Die Energieumformer wirken abwech selnd als Schwingungserzeuger und als Schwingungsdetek tor. Hierbei wird das U-förmige Rohr permanent in Schwingungen versetzt und schwingt auf seiner Eigenfre quenz.

Die DE 100 02 635 A1 beschreibt ein Massendurchflußmeßgerät, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet. Das Gerät weist eine ein strömendes Medium führende Coriolis-Leitung auf, der minde stens zwei Schwingungserzeuger und mindestens zwei Meß wertaufnehmer zugeordnet sind. Die Coriolis-Leitung ist in insgesamt drei voneinander unabhängigen Schwingungsformen anregbar. Durch das von den Meßwertaufnehmern erfaßte Anwort verhalten der Coriolis-Leitung auf die Anregung in der ersten Schwingungsform, die Anregung in der zweiten Schwingungsform und die Anregung in der dritten Schwingungsform sind charak teristische Größen des Massendurchflußmeßgeräts bestimmbar.

DE 198 40 782 A1 beschreibt ein weiteres Massendurchfluß meßgerät, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet. Das Meß gerät weist ein im wesentlichen gerades Coriolis-Meßrohr auf, das ein strömendes Medium führt. Dem Meßrohr sind min destens ein Schwingungserzeuger und mindestens ein Meß wertaufnehmer zugeordnet. Das Meßrohr ist in einem Kompen sationszylinder angeordnet und mit dem Kompensationszylin der mechanisch verbunden. Man kann die Meßgenauigkeit des Meßgeräts noch einmal wesentlich dadurch verbessern, daß sowohl die Anregungs-Schwingung als auch die Coriolis- Schwingung des Coriolis-Meßrohres im Kompensationszylinder ausgeglichen sind. Hierzu wird dafür gesorgt, daß der Mas senmittelpunkt der Gesamtheit aus dem Coriolis-Meßrohr, den Schwingungserzeugern, den Meßwertaufnehmern und weiteren Bauteilen ortsfest bleibt. Hierzu sind Ausgleichsmassen vorgesehen, die zum einen an den Enden des Meßrohrs ange ordnet und zum anderen als mittig angeordnetes Ausgleichs pendel vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei ei nem kleinbauenden Meßgerät genaue Messungen zu erzie len.

Diese Aufgabe wird bei einem Massendurchflußmeßgerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Energieumformer als Teil von Resonanzkreisen ausgebil det sind, die Auswerteeinrichtung einen vorbestimmten Parameter einer Resonanzschwingung am zweiten Ener gieumformer nach Anregung durch den ersten Energieum former und den Parameter der Resonanzschwingung am er sten Energieumformer nach Anregung durch den zweiten Energieumformer ermittelt.

Bei dieser Ausgestaltung erreicht man durch die Verwen dung der Resonanzkreise und der damit verbundenen Reso nanzschwingungen eine "Streckung" der Zeit, die für die Messung zur Verfügung steht. Damit ist es auch bei ei nem kürzeren Meßrohr möglich, ausreichende Unterschiede zwischen der Schwingungsausbreitung in die eine Rich tung und der Schwingungsausbreitung in die andere Rich tung zu ermitteln. Dieser Unterschied ist letztendlich aber ein Maß für den Massendurchfluß durch das Rohr. Hierbei geht man von folgender Überlegung aus: Eine Schwingung, die in das Rohr eingekuppelt wird, pflanzt sich auf dem Rohr fort und gelangt dabei zu dem Schwin gungsdetektor. Das Rohr wird dadurch auch im Bereich des Schwingungsdetektors zu Schwingungen angeregt. Al lerdings wird es eine Weile dauern, bis das Rohr im Be reich des Schwingungsdetektors eingeschwungen ist, d. h. so schwingt, daß die dort befindliche Schwingung mit der Anregungsschwingung vergleichbar ist. Es ist nun möglich, diesen "Zeitgewinn" auszunutzen, um genauere Messungen zu ermöglichen. Für die Messung des Durch flusses wird dabei die Tatsache ausgenutzt, daß sich die Schwingungen nicht nur über das Rohr ausbreiten, sondern auch über die im Rohr befindliche Flüssigkeit, deren Massendurchfluß ermittelt werden soll. Man kann nun die Schwingungsausbreitung in die eine Richtung, d. h. mit dem Massendurchfluß vornehmen und dabei einen Parameter der Resonanzschwingung am Schwingungsdetektor auswerten. Anschließend kann man die Schwingung in die umgekehrte Richtung laufen lassen und dabei die Reso nanzschwingung am anderen Schwingungsdetektor auswer ten. Aus den Laufzeitunterschieden kann man dann, wie bekannt, Rückschlüsse auf den Massendurchfluß ziehen. Allerdings lassen sich die entsprechenden Differenzen mit einer höheren Genauigkeit bilden, weil im Grunde eine größere Zeit zur Verfügung steht. Vereinfacht aus gedrückt basiert das Meßprinzip auf einem Vergleich der Schwingungskopplung durch das Rohr mit der Schwingungs kopplung durch die Flüssigkeit im Rohr.

Vorzugsweise bewirkt das Rohr eine mechanische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Position, bei der eine durch das Rohr transportierte Bewegungsmenge im Bereich von 10 bis 1000 mal größer ist als eine durch das Fluid im Rohr transportierte Bewegungsmenge. Die Bewegungsmenge kann auch als Impuls bezeichnet werden. Damit erreicht man, daß die Schwingungskopplung durch die Flüssigkeit in ausreichendem Maße feststellbar ist. Die Schwingungskopplung durch die Flüssigkeit ist zwar praktisch nicht beeinflußbar. Man kann aber das Rohr so ausbilden, daß die genannte Bedingung erfüllt ist. Bei spielsweise kann man ein Rohr aus Metallen mit niedri gen E-Modulen verwenden oder ein Rohr, das eine dünne Wand aufweist. Je größer die "hydraulische Kopplung", d. h. die Schwingungskopplung durch das Fluid im Rohr gegenüber der Schwingungskopplung durch das Rohr selbst ist, desto signifikanter sind die Unterschiede bei der Schwingungserfassung in die eine und in die andere Richtung, d. h. mit und gegen die Strömung durch das Rohr.

Es ist hierbei bevorzugt, daß die Kopplung der beiden Resonanzkreise im Bereich einer sogenannten kritischen Kopplung liegt. In diesem Bereich ist die Kopplung so abgestimmt, daß der eine Resonanzkreis gerade den ande ren anschlägt. Ist die Kopplung überkritisch, wird die Schwingungsenergie zwischen den beiden hin und her wan dern. Ist sie kleiner als die kritische Kopplung, wird der anzuregende Resonanzkreis nicht angeschlagen.

Vorzugsweise ist die Anregung zeitlich begrenzt. Bei spielsweise kann man 30 Messungen in der Minute vorneh men. Durch die zeitliche Begrenzung der Anregung stellt man sicher, daß man oft genug die Schwingungsausbrei tung in die eine Richtung und die Schwingungsausbrei tung in die andere Richtung ermitteln kann.

Bevorzugterweise ist der Parameter eine vorbestimmte Amplitude einer Einhüllenden einer Schwingung, die am Schwingungsdetektor abnehmbar ist. Ausgehend von einem nicht schwingenden Rohr wird sich nach einer Schwin gungsanregung des Rohres an der ersten Position am Re sonanzkreis, der an der zweiten Position angeordnet ist, eine Schwingung ausbilden, deren Amplitude sich im Laufe der Zeit erhöht und zwar so lange, bis diese Schwingung, die auch als "Resonanzschwingung" bezeich net wird, die maximale Amplitude hat, wobei die maxima le Amplitude wiederum durch die Anregungsenergie an der ersten Position bestimmt ist. Wenn man nun die Einhül lende der Resonanzschwingung bildet, dann stellt man fest, daß die Amplitude dieser Einhüllenden über die Zeit ansteigt. Man kann nun messen, wie lange es dau ert, bis die Einhüllende eine bestimmte Amplitude er reicht hat und diese Zeit als Laufzeitersatz für die Ausbreitung der Schwingung in die eine Richtung oder in die andere Richtung verwenden.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Auswerteeinrichtung ei nen Schwellwertgeber und einen Vergleicher aufweist. Mit Hilfe des Schwellwertgebers läßt sich der Schwell wert vorgeben, bei dessen Überschreitung, die mit Hilfe des Vergleichers feststellbar ist, eine Zeit gemessen werden kann.

In einer alternativen Ausgestaltung kann der Parameter ein Phasenunterschied zwischen der Resonanzschwingung und einer anderen Schwingung sein. Dieser Phasenunter schied kann beispielsweise durch Überwachung von Null durchgängen der entsprechenden Schwingungen ermittelt werden. Hierbei geht man davon aus, daß zwischen der Resonanzschwingung und der Anregungsschwingung in der Regel eine Phasenverschiebung erfolgt ist, die als Kri terium für die Schwingungsausbreitung und damit als Meßzeit für die Ermittlung des Massendurchflusses ver wendet werden kann. Die Größe der Phasenverschiebung wird durch die verwendeten Resonanzkreise verstärkt. Diese Verstärkung beruht auf der Tatsache, daß die durch das Fluid übertragenen Schwingungen um 90° gegen über den durch das Rohr übertragenen Schwingungen ver setzt sind. Der Resonanzkreis wird also von zwei Schwingungen angestoßen oder angeregt, die außer Phase sind. Dies führt zu einer durchflußabhängigen Phasen verschiebung der Resonanzschwingung.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Auswerteeinrichtung min destens eine Speichereinrichtung aufweist, in der eine Resonanzschwingung oder ein Teil davon speicherbar ist. Die Resonanzschwingung steht dann in ihrem zeitlichen Verlauf für eine spätere Auswertung zur Verfügung.

Hierbei ist bevorzugt, daß eine Vergleichereinrichtung vorgesehen ist, die eine aktuelle Resonanzschwingung mit einem Anregungssignal oder mit der gespeicherten Resonanzschwingung vergleicht. Durch den unmittelbaren Vergleich zweier Schwingungen läßt sich ein Phasenwin kel zwischen den beiden Schwingungen relativ genau feststellen, wodurch die Ermittlung des Massendurch flusses mit einer hohen Genauigkeit möglich ist. Auch die aktuelle Resonanzschwingung muß nicht unbedingt im Moment ihres Auftretens ausgewertet werden. Sie kann ebenfalls abgetastet und gespeichert werden.

Vorzugsweise weisen die Resonanzkreise Mehrmassen schwinger auf, wobei eine äußere Masse als größte Masse ausgebildet ist. Damit wird erreicht, daß die Schwin gungen auf dem Rohr eine Vorzugsrichtung aufweisen. Die größte Masse eines jeden Schwingungserzeugers dient da bei als "Isolator", wenngleich natürlich auch auf der anderen Seite der größten Masse noch Schwingungen zu beobachten sein werden.

Bevorzugterweise ist zwischen der ersten Position und der zweiten Position ein dritter Resonanzkreis schwin gungsmäßig mit dem Rohr gekoppelt. Damit läßt sich eine weitere Verzögerung oder Streckung der Meßzeit errei chen. Eine Schwingung des Rohres und der darin befind lichen Flüssigkeit, die an der ersten Position erzeugt wird, versetzt das Rohr und die damit befindliche Flüs sigkeit zunächst am dritten Resonanzkreis in Schwingun gen, wobei auch hier ein Einschwingvorgang zu beobach ten ist. Die Schwingung wird sich zwar nicht erst dann an den Resonanzkreis an der zweiten Position fortpflan zen, wenn der dritte Resonanzkreis die maximale Schwin gung erreicht hat. Dennoch ist zu beobachten, daß das Ausbilden der Resonanzschwingung an der zweiten Positi on länger dauert, wenn auf dem Weg zwischen der ersten und der zweiten Position ein dritter Resonanzkreis an geordnet ist.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge nannten Art dadurch gelöst, daß die Signale als Reso nanzschwingungen ausgebildet sind und man einen Parame ter der Resonanzschwingung an der ersten Position und den gleichen Parameter der Resonanzschwingung an der zweiten Position zur Ermittlung des Durchflusses ver wendet.

Wie oben ausgeführt, steht damit mehr Zeit oder eine genauere Auflösung für die Ermittlung der Laufzeiten zwischen der ersten und der zweiten Position bzw. der zweiten und der ersten Position, d. h. in Strömungsrich tung und in Gegenströmungsrichtung, zur Verfügung. Da mit läßt sich das Rohr kurzhalten, ohne daß man auf Meßgenauigkeit verzichten muß.

Vorzugsweise verwendet man als Parameter die Amplitude einer Einhüllenden der Resonanzschwingung. Das Maß, wie schnell sich die Resonanzschwingung aufbaut, ist ein Maß für die mechanische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Position bzw. der zweiten und der er sten Position. Die mechanische Kopplung beruht einer seits auf der Schwingungskopplung durch das Rohr und andererseits auf der Schwingungskopplung durch die Flüssigkeit. Die Schwingungskopplung durch die Flüssig keit ist aber abhängig von der Strömungsrichtung und dem Massendurchfluß durch das Rohr. Durch einen Ver gleich der Messungen in Strömungsrichtung und in Gegen strömungsrichtung lassen sich daher ausreichende Anga ben zur Gewinnung des Massendurchflusses durch das Rohr gewinnen.

Alternativ dazu kann man als Parameter einen Phasenun terschied zwischen der aktuellen Resonanzschwingung und der Anregungsschwingung oder eine gespeicherten älteren Resonanzschwingung verwenden. Ein derartiger Phasenun terschied läßt sich relativ genau ermitteln, wenn beide Schwingungen sozusagen zeitgleich zur Verfügung stehen. Vorzugsweise wählt man eine Anregungskreisfrequenz in der Größenordnung

wobei ω_an die Anregungskreisfrequenz, ρ_Rohr und ρ_Flüssigkeit die Dichte von Rohr bzw. Flüssigkeit und k₁ und k₂ Kon stanten sind, die von dem Durchflußmeßgerät abhängen, E das Elastizitätsmodul des Rohres und I das Biegeträg heitsmoment des Rohres ist. Auf diese Weise erhält man die bestmögliche Übertragung zwischen dem Schwingungs erzeuger und dem Schwingungsdetektor, so daß der Infor mationsverlust relativ gering bleibt. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, die obengenannte Anre gungskreisfrequenz genau zu treffen, wenn man die Kreisfrequenz zumindest größenordnungsmäßig trifft. Die Anregungsfrequenz sollte innerhalb der Bandbreite der Resonanzkreise liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Massen durchflußmeßgeräts,

Fig. 2 ein Feder-Massen-System zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Schwingungen,

Fig. 4 ein Blockdiagramm,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Massen durchflußmeßgeräts,

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel und

Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel für ein Massendurchflußmeßgerät.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Massendurchflußmeßgeräts 1 mit einem Rohr 2, das in Richtung eines Pfeiles 3 von einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, durchströmt wird.

Ein erster Energieumformer 4 ist an einer ersten Posi tion P1 und ein zweiter Energieumformer 5 ist an einer zweiten Position P2 am Rohr 2 befestigt und zwar so, daß die Energieumformer 4, 5 Schwingungen auf das Rohr 2 übertragen können bzw. Schwingungen des Rohres 2 er fassen können. Beide Energieumformer 4, 5 sind also so wohl als Schwingungserzeuger als auch als Schwingungs detektor betreibbar.

Zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Positi on P2 liegt ein Abstand L. Ein Abstand von der Position P1 zu einer nicht näher dargestellten Einspannposition des Rohres 2 hat die Größe A. Der Abstand A zur Ein spannung darf nicht zu klein gewählt werden, weil sonst das Rohr 2 zu steif wird.

Im Bereich der Energieumformer 4, 5 sind jeweils Feder- Massen-Systeme angeordnet, die aus zwei Massen 6, 7 bzw. 8, 9 bestehen, die im vorliegenden Fall balkenför mig ausgebildet sind. Jedes Massenpaar 6, 7; 8, 9 bil det zusammen mit dem Energieumformer 4, 5 und dem Rohr 2 einen Resonanzkreis. Die Anregungsfrequenz der Ener gieumformer 4, 5 ist im wesentlichen auf die Resonanz frequenz der beiden Resonanzkreise, die im übrigen gleich ist, abgestimmt. Das Rohr 2 und das Innere der Massen 6, 7 bzw. 8, 9 wirken als Feder und der äußere Teil der balkenförmigen Massen 6, 7 bzw. 8, 9 wirken als Masse. Diese Darstellung soll die begriffliche Vor stellung erleichtern. Selbstverständlich wirken die ge samten Massen 6-9 als Massen. Im vorliegenden Fall bedeutet diese Ausbildung, daß das Rohr 2 Biegeschwin gungen ausgesetzt wird. Allerdings sind im Grunde auch viele andere Arten von Schwingungen denkbar, beispiels weise auch Schwingungen, die den Querschnitt des Rohres 2 beeinflussen, wie Ovalitätsschwingungen, peristalti sche Schwingungen oder andere Schwingungen senkrecht zur Rohrachse.

Wie oben ausgeführt, können die Energieumformer 4, 5 sowohl als Schwingungserreger als auch als Schwingungs detektor funktionieren. Sie können vom elektromagneti schen oder piezoelektrischen Typ sein. Denkbar sind auch magnetostriktive, kapazitive, pneumatische, hy draulische, bimetall-thermische oder andere Energieum former, die sowohl als Erreger als auch als Sensoren arbeiten können.

Dargestellt ist, daß die Energieumformer auf dem Rohr 2 direkt befestigt sind. Es ist aber auch möglich, die Energieumformer 4, 5 an den Massen 6, 7 bzw. 8, 9 zu befestigen.

Das dargestellte Feder-Massen-System kann als mechani sches Resonanzsystem bezeichnet werden. Die in Fig. 1 dargestellte schematische Anordnung ist in Fig. 2 in ein Feder-Massen-System umgezeichnet worden. Hierbei steht m für die Masse der Massen 6, 7 bzw. 8, 9, k für eine Federkonstante, d. h. die Steifigkeit. Die beiden Resonanzkreise an der Position P1 und der Position P2 sind über zwei Wege miteinander gekoppelt: erstens durch das Rohr 2 selbst, d. h. durch dessen Wand. Diese Kopplung ist mit einer gemeinsamen Masse Mk bezeichnet. Da diese Kopplung sehr groß ist, ist sie ungedämpft eingezeichnet. Zweitens erfolgt eine Kopplung durch die Flüssigkeit im Rohr 2. Da diese Kopplung sehr klein ist, ist ein viskoses Dämpfungsglied 10 eingezeichnet.

Die Kopplung durch das Rohr 2 ist wesentlich stärker als die Kopplung durch die Flüssigkeit. Man kann aber durch geeignete Maßnahmen dafür sorgen, daß die Kopp lung durch das Rohr 2 maximal um den Faktor 100 größer ist als die Kopplung durch die Flüssigkeit.

Die Kopplung durch die Flüssigkeit im Rohr 2 besteht aus zwei Beiträgen, nämlich zum einen der gewünschten durchflußabhängigen Kopplung und zum anderen der nicht durchflußabhängigen Kopplung, d. h. einer Kopplung, die sich auch bei stillstehender Flüssigkeit ergeben würde.

Der gesuchte Massendurchfluß ist mit Qm bezeichnet und mit F wird eine Kraft angegeben, die auf die Masse m im Resonanzkreis Y1 wirkt. Um die nachfolgende Erläuterung zu vereinfachen, wird angenommen, daß diese Kraft den Resonanzkreis Y1 "anschlägt", d. h. quasi stoßartig er regt. In Wirklichkeit wird aber eine Schwingung über einen begrenzten Zeitraum, beispielsweise im Bereich von 1 bis 10 Millisekunden auf den ersten Resonanzkreis Y1 wirken.

Wenn der Resonanzkreis Y1 angeschlagen worden ist, pas siert folgendes: eine Resonanzschwingung entsteht und pflanzt sich fort und zwar einerseits durch die Flüs sigkeit und andererseits durch das Rohr 2. Die Schwin gungen gelangen zwar relativ schnell zum zweiten Reso nanzkreis Y3. Da sich der zweite Resonanzkreis Y3 aber erst aufschwingen muß, dauert es eine gewisse Zeit, bis auch der Resonanzkreis Y3 mit der entsprechenden Ampli tude schwingt. Dies ist schematisch in Fig. 3 darge stellt. Die erste Zeile zeigt ein Signal ST, d. h. das Anregungssignal, das beispielsweise vom Energieumformer 5 ausgegeben wird. Darunter ist ein Signal SG einge zeichnet, das dann der Energieumformer 4 aufnimmt. Das Signal SG ist die Schwingungsübertragung entgegen der Durchflußrichtung 3. Der Vollständigkeit halber ist in der letzten Zeile ein Signal SM aufgezeichnet. Dies ist das Signal, das im Energieumformer 5 abgenommen werden kann, wenn der Energieumformer 4 anregt. SM ist das Si gnal mit der Strömung 3.

Wenn die Energieumformer 4 elektromagnetisch messen, dann wird unter Umständen nicht das entsprechende Si gnal SG, SM ermittelt, sondern dessen zeitliche Ablei tung. Der Einfachheit halber werden aber für die nach folgende Betrachtung die in Fig. 3 dargestellten Signa le SG, SM diskutiert.

In den beiden Resonanzschwingungssignalen SG, SM ist zusätzlich eine Einhüllende EG, EM eingezeichnet. Man kann nun beispielsweise messen, wann die Einhüllende EG bzw. die Einhüllende EM einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Die Zeit vom Beginn der Anregung, d. h. vom Beginn des Signals ST bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Einhüllende EG den Schwellwert überschreitet, wird mit TL bezeichnet. Die Zeit vom Beginn des Signals ST (diesmal vom anderen Energieumwandler ausgesendet) bis zum Zeitpunkt, wo die Einhüllende EM den gleichen Schwellwert überschreitet, wird mit TR bezeichnet.

Der Massendurchfluß kann dann nach folgender Formel er mittelt werden:

Hierbei ist Qm der Massendurchfluß, k₍ _ρ ₎ ist eine Kon stante, die von der Kopplung zwischen den schwingenden Systemen und möglicherweise auch von der Dichte ρ der Flüssigkeit abhängt.

Da man annimmt, daß ρ einen eindeutigen Zusammenhang mit T_R und T_L hat, kann auch ρ ermittelt werden, wo durch dem Benutzer des Durchflußmessers eine weitere wertvolle Information zur Verfügung steht. Gegebenen falls kann auch vorgesehen sein, daß der Zusammenhang zwischen T und ρ kompensiert wird.

Man geht davon aus, daß die Messung auf folgendem Prin zip beruht: ein Teil der Kopplung zwischen den schwin genden Systemen erfolgt durch Schwingungen in der Flüs sigkeit. Eine schwingende Flüssigkeit enthält eine Be wegungsmenge, d. h. einen Impuls, der mit der Strömung weitertransportiert wird. Wenn die Flüssigkeit durch eines der schwingenden Systeme fließt, wird ein Teil der Bewegungsmenge mit dem Strom mitgetragen, wobei die Schwingung gedämpft wird. Gleichzeitig gibt eine schwingende Flüssigkeit, die ein schwingendes oder schwingungsfähiges System passiert, Bewegungsenergie an das System ab, wodurch dort eine Schwingung aufgebaut wird. Wenn die übrige Kopplung zwischen dem Sender, d. h. dem Schwingungserzeuger, und dem Empfänger, d. h. dem Schwingungsdetektor, nicht zu kräftig ist, dann hat die strömungsgestützte Kopplung eine relativ große Be deutung. Dies geht natürlich nur so lange, wie die me chanische Kopplung durch das Rohr nicht zu groß wird. Günstig ist es daher, dafür zu sorgen, daß die hydrau lische Kopplung, d. h. die Kopplung über die Flüssigkeit möglichst groß wird. Die mechanische Kopplung kann un ter Verwendung eines Rohres 2, das aus Metallen mit ei nem relativ niedrigen E-Modul besteht, kleingehalten werden oder durch die Verwendung eines Rohres, das eine dünne Wand hat.

Das Meßprinzip basiert somit kurz gesagt auf einem Ver gleich der Kopplung durch das Rohr 2 im Vergleich zur Kopplung durch die Flüssigkeit. Wie im Zusammenhang mit Fig. 3 ersichtlich, ist diese Wirkung in erster Linie in der Anstiegsgeschwindigkeit der Einhüllenden EG bzw. EM sichtbar. Durch einen Vergleich dieser Anstiegsge schwindigkeit bei der Schwingungsübertragung mit der Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung kann man den Massendurchfluß berechnen.

In Fig. 3 ist eine weitere Möglichkeit eingezeichnet, wie man den Massendurchfluß berechnen kann und zwar mit Hilfe eines Phasenwinkels Φ. Hierzu ist ausgehend von Fig. 2 ein Blockdiagramm entwickelt worden, das in Fig. 4 dargestellt ist. Dieses Blockdiagramm enthält LaPlace-Operatoren. Unter Verwendung dieser LaPlace- Operatoren kann man den Massendurchfluß Qm nach folgen der Formel bestimmen:

Hierin ist Φ der in Fig. 3 dargestellte Phasenunter schied zwischen Y1 und Y3, ω ist die Sendefrequenz ei nes Kreises und Mk ist die Masse des Rohres 2.

Es ist zu beachten, daß ω nicht notwendigerweise die Resonanzfrequenz sein muß. Es ist aber günstig, wenn ω zumindest im wesentlichen dieser Resonanzfrequenz ent spricht. Abweichungen innerhalb der Bandbreite der Re sonanzkreise sind dabei zulässig.

Die Resonanzfrequenz ω_res eines Resonanzkreises Y1, Y3 wird durch folgende Formel bestimmt:

wobei ρ_Rohr und ρ_Flüssigkeit die Dichte von Rohr 2 bzw. Flüssigkeit sind. k₁ und k₂ sind Konstanten, die von der Ausführung und den Dimensionen des jeweiligen Meß gerätes 1 abhängen. E ist das Elastizitätsmodul des Rohres 2 und I ist das Biegeträgheitsmoment der Kon struktion. E ist unter Umständen abhängig von der Tem peratur und muß gegebenenfalls kompensiert werden, wenn die Temperatur nicht konstant gehalten werden.

Zur Ermittlung des Phasenwinkels Φ gibt es mehrere Möglichkeiten, von denen nachfolgend zwei beschrieben werden:
Man kann zum einen das Signal gegen die Strömungsrich tung 3 abtasten und speichern. Danach wird das Signal SM in Strömungsrichtung abgetastet und gespeichert und aus den zwei gespeicherten Kurven wird der Phasenwinkel Φ berechnet. Im vorliegenden Fall ist der Phasenwinkel Φ die Differenz zwischen zwei Nulldurchgängen. Grund sätzlich kann man das zweite Abtasten und Speichern auch weglassen, wenn man das zweite Signal SM sozusagen direkt mit dem gespeicherten Signal SG vergleicht. Da man aber für den nachfolgenden Vergleich ohnehin auch das zweite Signal abtasten und speichern muß, spielt es keine größere Rolle, ob man einen Vergleich direkt oder anhand von gespeicherten Signalen vornimmt.

In der zweiten Alternative vergleicht man das empfange ne Signal SG, SM mit dem gesendeten Signal ST: zuerst werden die Nulldurchgänge des Gegenstromsignals SG und des Sendesignals ST verglichen und es wird ein erster Phasenunterschied errechnet. Danach werden die Null durchgänge des Mitstromsignals SM und des Sendesignals ST verglichen und es wird ein zweiter Phasenunterschied errechnet. Schließlich wird der erste und der zweite Phasenunterschied subtrahiert, um den gesuchten Phasen winkel Φ zu ermitteln.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind.

Im Unterschied zu der Ausgestaltung nach Fig. 1 sind die jeweils äußeren Massen 6, 9, d. h. die Massen 6, 9, die der Einspannung benachbart sind, wesentlich größer als die "inneren" Massen 7, 8, die dem Rohrabschnitt zwischen den beiden Positionen P1, P2 benachbart sind.

Dies hat zur Folge, daß bei einer Anregung durch die Energieumformer 4, 5 die Schwingungen hauptsächlich in den Rohrabschnitt zwischen den Positionen P1, P2 einge speist werden und eine Schwingung zu den Enden des Roh res 2 mehr oder weniger stark gedämpft wird. Dies macht das Einspannverhalten des Rohres 2 an seinen Enden we niger kritisch. Im Grunde genommen kann man bei ent sprechend gewählten Verhältnissen zwischen den Massen 6, 7 bzw. 8, 9 davon ausgehen, daß die Schwingungen vorzugsweise in eine Richtung in das Rohr 2 eingekup pelt werden und zwar dergestalt, daß die Schwingungen auf den jeweils anderen Energieumformer 4, 5 zulaufen.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausgestaltung, bei der zu der Ausgestaltung nach Fig. 5 ein weiteres Resonanzsystem Y2 mit zwei Massen 11, 12 im Abschnitt des Rohres 2 zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Positi on P2 angeordnet ist. Gleiche Teile wie in Fig. 5 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das zusätzliche Resonanzsystem Y2 weist die Massen 11, 12 auf, die ebenfalls schwingungsmäßig mit dem Rohr 2 gekoppelt sind. Ein Energieumformer wie beim ersten oder zweiten Resonanzsystem Y1, Y3 ist nicht erforder lich.

Die Ausgestaltung nach Fig. 6 läßt sich wie folgt er läutern: eine Schwingung, die beispielsweise vom Ener gieumformer 4 angeregt wird, pflanzt sich über das Rohr 2 und die darin befindliche Flüssigkeit zunächst zum zusätzlichen Resonanzsystem Y2 fort. Erst dann, wenn dieses Resonanzsystem Y2 in ausreichendem Maße erregt worden ist, kann sich die Schwingung weiter zum Reso nanzsystem Y3 an der zweiten Position P2 fortpflanzen. Dadurch gewinnt man zusätzliche Zeit, d. h. die Bildung einer zeitlichen Differenz kann mit einer größeren Ge nauigkeit erfolgen.

Fig. 7 zeigt eine Ausgestaltung, bei der dem Rohr 2 Ovalitätsschwingungen vermittelt werden. Auf dem Rohr 2 sind vier Schwungarme angebracht. Die Schwungarme 13-16 werden jeweils paarweise zum Schwingen gebracht und zwar mit Hilfe von Piezokeramikscheiben 17. Einander gegenüberliegende Schwungarme 13, 15 bzw. 14, 16 bilden ein Paar. Die Befestigung des einen Paares auf dem Rohr 2 erfolgt an der Position P1. Die Befestigung des ande ren Paares erfolgt an der Position P2. Hierbei ist es durchaus zulässig, daß die einzelnen Schwungarmpaare nicht an der gleichen Umfangsposition am Rohr 2 befe stigt sind, weil das Rohr in eine Schwingung versetzt wird, die seine Querschnittsform verändert.

Die Integration der Resonanzkreise und der Energieum former führt zu einem relativ kleinen Massendurchfluß messer.

Die Rohrverformung verpflanzt sich von dem einen Schwingungspaar 13, 15 zum anderen 14, 16 in Längsrich tung des Rohres. Die Kopplung variiert mit dem Abstand zwischen den Resonanzkreisen, wenn, wie hier, Ovali tätsschwingungen benutzt werden. Es muß ein passender Abstand gewählt werden, damit die Kopplung auf die Güte der Resonanzsysteme abgestimmt ist. Die Resonanzfre quenz der beiden "Stimmgabeln" wird in den Bereich zwi schen 100 Hz und 10 kHz gelegt. Durch eine Veränderung der Resonanzfrequenz läßt sich eine Anpassung an das Resonanzverhalten des Meßgeräts erreichen.

Claims

1. Massendurchflußmeßgerät mit einem Rohr, das an ei ner ersten Position mit einem ersten Energieumfor mer und an einer zweiten Position mit einem zwei ten Energieumformer schwingungsmäßig gekoppelt ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, wobei die erste und die zweite Position einen Abstand zuein ander aufweisen, die Energieumformer jeweils als Schwingungserzeuger und als Schwingungsdetektor betreibbar sind und die Energieumformer abwech selnd als Schwingungserzeuger arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumformer (4, 5) als Teil von Resonanzkreisen (6, 7; 8, 9) ausgebildet sind, die Auswerteeinrichtung einen vorbestimmten Parameter einer Resonanzschwingung am zweiten Energieumformer (5) nach Anregung durch den ersten Energieumformer (4) und den Parameter der Reso nanzschwingung am ersten Energieumformer (4) nach Anregung durch den zweiten Energieumformer (5) er mittelt.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) eine mechanische Kopplung zwi schen der ersten und der zweiten Position (P1, P2) bewirkt, bei der eine durch das Rohr transportier te Bewegungsmenge im Bereich von 10 bis 1000 mal größer ist als eine durch das Fluid im Rohr trans portierte Bewegungsmenge.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kopplung der beiden Resonanz kreise im Bereich einer kritischen Kopplung liegt.

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung zeitlich begrenzt ist.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter eine vorbestimm te Amplitude einer Einhüllenden (EG, EM) einer Schwingung (SG, SM) ist, die am Schwingungsdetek tor (4, 5) abnehmbar ist.

6. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung einen Schwellwertgeber und einen Vergleicher aufweist.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter ein Phasenunter schied zwischen der Resonanzschwingung und einer anderen Schwingung ist.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung mindestens eine Spei chereinrichtung aufweist, in der eine Resonanz schwingung (SG, SM) oder ein Teil davon speicher bar ist.

9. Meßgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Vergleichereinrichtung vorgese hen ist, die eine aktuelle Resonanzschwingung (SG, SM) mit einem Anregungssignal (ST) oder mit der gespeicherten Resonanzschwingung (SM, SG) ver gleicht.

10. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzkreise (6-9) Mehrmassenschwinger aufweisen, wobei eine äußere Masse (6, 9) als größte Masse ausgebildet ist.

11. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Po sition (P1) und der zweiten Position (P2) ein dritter Resonanzkreis (Y2) schwingungsmäßig mit dem Rohr (2) gekoppelt ist.

12. Verfahren zum Messen eines Massendurchflusses durch ein Rohr, das abwechselnd an einer ersten Position und an einer zweiten Position zu Schwin gungen angeregt wird, wobei an der zweiten und an der ersten Position Signale gemessen werden, da durch gekennzeichnet, daß die Signale als Reso nanzschwingungen ausgebildet sind und man einen Parameter der Resonanzschwingung an der ersten Po sition und den gleichen Parameter der Resonanz schwingung an der zweiten Position zur Ermittlung des Durchflusses verwendet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß man als Parameter die Amplitude einer Einhüllenden der Resonanzschwingung verwendet.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß man als Parameter einen Phasenunterschied zwischen der aktuellen Resonanzschwingung und der Anregungsschwingung oder einer gespeicherten älte ren Resonanzschwingung verwendet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß man eine Anregungskreis frequenz ω_an in der Größenordnung von
wählt, wobei ρ_Rohr und ρ_Flüssigkeit die Dichte von Rohr bzw. Flüssigkeit und k₁, k₂ Konstanten sowie E das Elastizitätsmodul des Rohres und I das Bie geträgheitsmoment der Anordnung ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß man die Schwingungsanre gung auf kurze Zeitabschnitte beschränkt.