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Die
Erfindung betrifft ein Massendurchflussmessgerät für strömende Medien, das nach dem
Coriolis-Prinzip arbeitet, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
derartiges Massendurchflussmessgerät für strömende Medien, das nach dem
Coriolis-Prinzip arbeitet, ist beispielsweise aus der
EP 1 154 243 A1 bekannt.
Das bekannte Massendurchflussmessgerät ist mit zwei Coriolis-Messrohren
ausgeführt,
die strömungstechnisch
parallel zueinander liegen. Es handelt sich dabei um einstückige, V-förmige Messrohre, die
jeweils einen geraden Einlaufabschnitt, einen geraden Auslaufabschnitt,
einen mit dem Einlaufabschnitt verbundenen Einlaufkrümmer, einen
mit dem Auslaufabschnitt verbundenen Auslaufkrümmer, einen ersten, mit dem
Einlaufkrümmer
verbundenen, geraden Schenkel eines V-förmigen Mittenabschnitts, einen
zweiten, mit dem Auslaufkrümmer verbundenen,
geraden Schenkel des V-förmigen
Mittenabschnitts und einen Krümmer
im Scheitel des V-förmigen
Mittenabschnitts aufweisen. Die Einlaufabschnitte sind in einem
Einlaufverteilerstück
und die Auslaufabschnitte in einem Auslaufverteilerstück fixiert.
Im Scheitelpunkt des V-förmigen
Mittenabschnitts befindet sich eine Erregeranordnung, welche die
beiden Messrohre, die somit paarweise identisch ausgeführt sind,
so zum Schwingen anregt, dass sie gegeneinander schwingen, das heißt dass
die Schwingungen der beiden Messrohre um 180° gegeneinander phasenversetzt
sind. Die Lage des Massenmittelpunktes des aus den beiden Messrohren
gebildeten Systems bleibt dabei im Wesentlichen konstant und auftretende
Kräfte
werden weitgehend kompensiert. Das hat als positive Konsequenz,
dass das schwingende System kaum nach außen als solches wirksam wird.
In das Rohrleitungssystem, in das ein solches Massendurchflussmessgerät eingebaut ist,
werden Schwingungen der Messrohre des Massendurchflussmessgeräts nur in
geringem Maße übertragen
und andererseits beeinflussen Schwingungen des Rohrleitungs systems
bei geeigneter Auslegung des Massendurchflussmessgeräts kaum das
Messergebnis. Vor und hinter der Erregeranordnung werden als Aufnehmer
Schwingungsdetektoren angebracht, zwischen deren Ausgangssignalen
bei einer Strömung
eine Phasendifferenz als Messsignal ausgewertet werden kann. Diese
wird durch die bei einer Strömung
herrschenden Coriolis-Kräfte verursacht.
In der Praxis liefert eine derartige Anordnung eine von Null abweichende
Phasendifferenz häufig selbst
dann, wenn im Messrohr keine Strömung
vorhanden ist. Gründe
hierfür
können
Einspannkräfte, unterschiedliche
Temperaturbeanspruchung, Ungleichmäßigkeiten im Rohrmaterial,
Phasenfehler in den Detektoren oder den zugehörigen Schaltungen einer Auswerteeinrichtung
und vieles mehr sein. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit sind
im Übergangsbereich
des Einlaufabschnitts auf den Einlaufkrümmer, im Übergangsbereich des Einlaufkrümmers auf
den ersten Schenkel des V-förmigen
Mittenabschnitts, in Übergangsbereich
des zweiten Schenkels auf den Auslaufkrümmer und im Übergangsbereich
des Auslaufkrümmers
auf den Auslaufabschnitt jeweils Knotenplatten angebracht, welche
die relative Lage der Messrohre zueinander fixieren sollen. Derartige
Knotenplatten haben jedoch den Nachteil, dass sie nach der Montage
von Einlassverteilerstück und
Auslassverteilerstück
nur schwer an den Messrohren angebracht werden können, dass sie die natürliche Eigenschwingung
der Messrohre, die sich bei ruhendem Fluid einstellt, von der auf
Coriolis-Kräften beruhenden
Schwingung bei strömendem
Fluid nur unzureichend trennen und dass sie die Übertragung von Schwingungen
zwischen Rohrleitungssystem und Messrohren nur unzureichend verhindern.
Letzteres wirkt sich negativ auf die Nullpunktstabilität aus. Zudem
sind mit derartigen Koppelplatten versehene Massendurchflussmessgeräte in ihrer
Herstellung vergleichsweise aufwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Massendurchflussmessgerät für strömende Medien,
das nach dem Coriolis-Prinzip
arbeitet, zu schaffen, das sich durch geringere Herstellungskosten
und eine verbesserte Messgenauigkeit aufgrund einer guten Trennung
der Schwingungsmoden und/oder einer geringen Nullpunktverschiebung
auszeichnet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist das neue Massendurchflussmessgerät der eingangs
genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale auf. In den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass die mechanische Kopplung zwischen
den beiden Messrohren aufgrund der Verwendung einer im Wesentlichen parallel
zu den Längsachsen
der Messrohre ausgerichteten Platte erheblich steifer ist als dies
bei der bisherigen Verwendung von im Wesentlichen senkrecht zur
Längsachse
der Messrohre ausgerichteten Koppelplatten der Fall war. Als im
Wesentlichen parallel zur Längsachse
der Messrohre wird dabei auch eine Ebene angesehen, welche die Längsachsen einschließt. Während die
bisherigen Koppelplatten eine Verschiebung der beiden Messrohre
gegeneinander in axialer Richtung in einem gewissen Bereich zugelassen
hatten, wird eine derartige Verschiebung bei der neuartigen mechanischen
Kopplung weitgehend vermieden. Dadurch wird erreicht, dass praktisch
keine Einkopplungen von mechanischen Spannungen in den freischwingend
zwischen Anfangs- und Endabschnitt gehaltenen Mittenbereich bewirkt werden.
Mechanische Spannungen, die beispielsweise durch Einspannkräfte oder
Veränderungen
der Rohrleitung, in welche das Massendurchflussmessgerät am Messort
eingebaut ist, verursacht werden, werden in erheblichem Maße im Anfangs-
und Endabschnitt bereits vor bzw. nach dem Ort der mechanischen
Kopplung ausgeglichen. Die Geometrie des Mittenabschnitts, die für die Messeigenschaften
wesentlich ist, bleibt dagegen in vorteilhafter Weise unbeeinflusst.
Veränderungen
am Einbauort wirken sich daher kaum als eine Nullpunktverschiebung
aus. Die zur Erzielung dieser Eigenschaften erforderlichen Abmessungen
der zur Herstellung der mechanischen Kopplungen erforderlichen Platten
können durch
Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode oder durch experimentelle
Versuche ermittelt werden. Gute Eigen schaften werden bereits erzielt, wenn
die Länge
des sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Messrohre erstreckenden
Bereichs, in welchem die beiden Messrohre durch zumindest eine Platte
fest miteinander verbunden sind, den Abstand zwischen den Messrohren übersteigt.
Zur Verbesserung der Steifigkeit der mechanischen Kopplung, ohne
jedoch die Herstellungskosten erheblich zu erhöhen, wird in der Praxis die
Länge des
Bereichs um ein Vielfaches größer gewählt, vorzugsweise
um das fünf-
bis zehnfache größer als
der Abstand zwischen den Messrohren. Die Herstellung der mechanischen
Kopplung durch im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Messrohre orientierte
Platten hat den Vorteil, dass diese selbst dann in einfacher Weise
an den Messrohren anbringbar sind, wenn Einlassverteilerstück und Auslassverteilerstück bereits an
den Messrohren befestigt sind. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht.
Die Platten können
nämlich dazu
dienen, die Messrohre während
des Anschweißens
der Verteilerstücke
zu fixieren. Weiterhin können
die Platten bei geeigneter Auslegung als Basis für die Befestigung weiterer
Geräte,
zum Beispiel eines Schwingungsaufnehmers oder einer Erregeranordnung,
verwendet werden.
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In
vorteilhafter Weise wird ein besonders kompakter Aufbau bei guter
Messgenauigkeit des Massendurchflussmessgeräts erreicht, wenn die beiden
Messrohre im Mittenabschnitt im Wesentlichen U-förmig gebogen sind, Anfangs-
und Endabschnitt jedes Messrohrs einen im Wesentlichen geraden Ein- bzw.
Auslaufabschnitt, deren Rohrachsen auf einer Linie liegen, und einen
Ein- bzw. Auslaufkrümmer aufweisen
zur Überleitung
vom Einlaufabschnitt auf den ersten, im Wesentlichen geraden Schenkel
des U-förmigen
Mittenabschnitts bzw. zur Überleitung von
dem zweiten im Wesentlichen geraden Schenkel des U-förmigen Mittenabschnitts
auf den Auslaufabschnitt und wenn die beiden Messrohre an ihren
Einlaufkrümmern
und an ihren Auslaufkrümmern
durch jeweils zumindest eine Platte miteinander verbunden sind.
Die Ebene, in welcher die Platte angeordnet ist, stellt in diesem
Fall keine ideale Ebene sondern eine gekrümmte Fläche entsprechend dem Verlauf
der gekrümmten
Messrohrachsen dar.
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Damit
ein besonders guter Ausgleich mechanischer Spannungen im Anfang-
und Endabschnitt der Messrohre ermöglicht wird, können die
Platten zur mechanischen Kopplung der Messrohre derart angebracht
werden, dass sie sich im Wesentlichen über einen axialen Bereich von
der jeweiligen Krümmermitte
bis zum jeweiligen Übergang
zum Mittenabschnitt am Ein- bzw. Auslaufkrümmer erstrecken. Die optimale
Anordnung kann mit der Finite-Elemente-Methode berechnet werden.
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Die
zur mechanischen Kopplung verwendeten Platten jeweils parallel zur
Messrohrachse auszurichten, mit ihren zwei Seitenbereichen auf den
Außenseiten
der parallel liegenden Messrohre aufzulegen, wobei die Form der
Seitenbereiche jeweils durch Biegen an den Verlauf der Oberfläche der Messrohre
angepasst ist, und die Platten durch Schweißen oder Hartlöten mit
den Messrohren zu verbinden, hat den Vorteil, dass bei geringem
Herstellungsaufwand eine besonders steife mechanische Kopplung zwischen
den Messrohren ermöglicht wird.
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Eine
weitere Verbesserung der Steifigkeit kann dadurch erreicht werden,
dass für
jede feste Verbindung zwei Platten vorgesehen sind, die sich einander
gegenüber
liegen, wobei sich die damit verbundenen Messrohre zwischen den
beiden Platten befinden. In diesem Fall bilden die beiden Messrohre mit
den beiden Platten aufgrund ihrer Anordnung einen besonders verwindungssteifen
Kasten, durch welchen die freischwingend gehaltenen Mittenabschnitte
der Messrohre sehr gut von einer Beeinflussung durch Einspannkräfte oder
Veränderungen
einer Rohrleitung, in welche das Massendurchflussmessgerät eingebaut
ist, entkoppelt sind.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und
Vorteile näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Massendurchflussmessgeräts,
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2 einen
Anfangsabschnitt und
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3 einen
Endabschnitt in vergrößerter Darstellung.
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In
den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein
Massendurchflussmessgerät 1 gemäß 1 arbeitet
nach dem Coriolis-Prinzip. Der Übersichtlichkeit
wegen wurde ein Gehäuse,
das üblicherweise
aber nicht zwingend vorhanden ist, in der Zeichnung nicht dargestellt.
Ein erstes Messrohr 2 und ein zweites Messrohr 3 sind
im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie werden üblicherweise
aus einem Stück
durch Biegen angefertigt. Der Verlauf der Messrohre 2 und 3 ist
in die folgenden Abschnitte unterteilt: Einen Anfangsabschnitt,
der aus einem Einlaufabschnitt 4 und einem Einlaufkrümmer 5 besteht,
einen Mittenabschnitt, der aus einem ersten geraden Schenkel 6,
einem Krümmer 7,
einem geraden Stück 8,
einem Krümmer 9 und
einem zweiten geraden Schenkel 10 besteht, und einem Endabschnitt,
der aus einem Auslaufkrümmer 11 und
einem im Wesentlichen geraden Auslaufabschnitt 12 besteht.
Ein fließfähiges Medium
strömt
entsprechend Pfeilen 13 und 14 in die beiden geraden
Einlaufabschnitte 4 und 4' der Messrohre 2 bzw. 3 ein und
entsprechend Pfeilen 15 und 16 aus den Auslaufabschnitten 12 bzw. 12' wieder aus.
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Ein üblicherweise
vorhandenes Einlassverteilerstück,
das am Einlauf der Messrohre 2 und 3 angebracht
ist, sowie ein Auslaufverteilerstück an den Enden der Auslaufabschnitte 12 und 12' sind in der Figur
der Übersichtlichkeit
wegen nicht dargestellt. Diese Verteilerstücke können mit einem Flansch zur Befestigung
des Massendurchflussmessgeräts
in einer Rohrleitung versehen sein.
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Die
beiden Messrohre 2 und 3 sind bezüglich einer
senkrecht zur Messrohrachse beim Scheitelpunkt des im Wesentlichen
U-förmigen Mittenabschnitts
verlaufenden Ebene spiegelbildlich aufgebaut. Im Bereich des Einlaufkrümmers 5 und
des Auslaufkrümmers 11 sind
sie durch insgesamt vier Platten, die durch Hartlöten auf
den Außenseiten
der Messohre 2 und 3 befestigt sind, mechanisch
miteinander steif gekoppelt. Von den vier Platten sind in 1 lediglich
eine Platte 17 auf der Oberseite sowie eine Platte 18 auf
der Unterseite sichtbar. Diesen beiden Platten 17 und 18 gegenüber liegend
befinden sich weitere zwei Platten, die in der 1 durch
die Messrohre 2 und 3 verdeckt sind. In den 2 und 3 sind
lediglich Kanten der durch die Messrohre 2 und 3 verdeckten
Platten 19 und 20 erkennbar. Aufgrund des symmetrischen
Aufbaus ist die Platte 19 formgleich zur Platte 18 und
die Platte 20 formgleich zur Platte 17. Aufgrund
ihrer Anordnung bilden die Platten 17 und 19 mit
den Messrohren 2 und 3 einen sehr verwindungssteifen
Kasten, der verhindert, dass mechanische Spannungen über den
Anfangsabschnitt 4, 5 in den freischwingend gehaltenen
Mittenabschnitt 6...10 eingetragen werden. Gleiches
gilt für die
Platten 18 und 20 auf der anderen Seite. Dadurch wird
eine sehr gute Nullpunktstabilität
des Massendurchflussmessgeräts
bei gleichzeitig geringem Herstellungsaufwand erreicht.
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Eine
in 1 symbolisch dargestellte Erregeranordnung 21,
die beispielsweise aus einer am Messrohr 2 befestigten
Magnetspule und einem am Messrohr 3 angebrachten Magneten,
der in die Magnetspule eintaucht, bestehen kann, dient zur Erzeugung
einander entgegen gesetzter Schwingungen der beiden Messrohre 2 und 3,
deren Frequenz der Eigenfrequenz des im Wesentlichen U-förmigen Mittenabschnitts
der Messrohre 2 und 3 entspricht. Ein Aufnehmer 22 sowie
ein Aufnehmer 23, deren Aufbau demjenigen der Erregeranordnung 21 entsprechen
kann, dienen zur Erfassung der Coriolis-Kräfte und/oder der auf den Coriolis-Kräften beruhenden Schwingungen
der Messrohre 2 und 3, die aufgrund der Masse
des durchströmenden
Mediums entstehen. Die Phasenverschiebung zwischen den Messsignalen,
die durch die beiden Aufnehmer 22 und 23 erzeugt
werden, wertet eine Auswerteeinrichtung 24 zur Berechnung
eines Messwerts für
den Massendurchfluss aus. Die Auswerteeinrichtung 24 dient gleichzeitig
zur Ansteuerung der Erregeranordnung 21. Abweichend von
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
können
die Messrohre 2 und 3 selbstverständlich andere
Geometrien aufweisen, beispielsweise einen V-förmig oder einen Omega-förmig ausgebildeten
Mittenabschnitt, oder es kann eine abweichende Anzahl und Anordnung
von Erregeranordnungen und Aufnehmern gewählt werden. Die Lage des Nullpunkts
des Massendurchflussmessgeräts 1 wird
bei einer Inbetriebnahme durch eine Kalibrierung bestimmt und in
einen Speicher 25 als Kalibrierdaten hinterlegt. Anhand
der abgespeicherten Kalibrierdaten ermittelt die Auswerteeinrichtung 24 in
Abhängigkeit
des Messsignals den Messwert, der auf einer Anzeige 26 ausgegeben
oder über
einen in der Figur nicht dargestellten Feldbus an eine übergeordnete Leitstation übertragen
wird. Von Zeit zu Zeit ist eine Neukalibrierung sinnvoll, in welcher
neue Kalibrierdaten zur Beseitigung eines Messfehlers bestimmt und im
Speicher 25 zur Berücksichtigung
bei zukünftigen Messungen
abgelegt werden. Da sich das neue Massendurchflussmessgerät 1 durch
eine besonders geringe Nullpunktverschiebung auszeichnet, können die
zeitlichen Abstände
zwischen Kalibriervorgängen verlängert werden,
so dass sich auch der zum Betrieb des Massendurchflussmessgeräts 1 erforderliche
Aufwand aufgrund der Erfindung verringert.