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Die
Erfindung betrifft ein Massendurchflussmessgerät für
strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein
Verfahren zum Herstellen eines Versteifungsrahmens für
ein derartiges Massendurchflussmessgerät nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 3.
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Ein
derartiges Massendurchflussmessgerät für strömende
Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, ist beispielsweise
aus der
US 6 308 580
B1 bekannt. Es ist mit zwei Coriolis-Messrohren ausgeführt,
die strömungstechnisch parallel zueinander liegen. Es handelt
sich dabei um einstückige, U-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 U-förmigen Mittenabschnitts, einen zweiten mit dem
Auslaufkrümmer verbundenen, geraden Schenkel des U-förmigen
Mittenabschnitts, einen ersten, mit dem ersten Schenkel verbundenen
Krümmer des U-förmigen Mittenabschnitts, einen
zweiten, mit dem zweiten Schenkel verbundenen Krümmer des
U-förmigen Mittenabschnitts und einen geraden Jochabschnitt zwischen
dem ersten und dem zweiten Krümmer aufweisen. Die Einlaufabschnitte
sind in einem Einlaufverteilerstück, auch Einlaufsplitter
genannt, und die Auslaufabschnitte in einem Auslaufverteilerstück, auch
Auslaufsplitter genannt, fixiert und somit mechanisch miteinander
gekoppelt. Einlaufverteilerstück und Auflaufverteilerstück
bilden zwei einander gegenüber liegende Abschlussdeckel
eines im Wesentlichen quaderförmigen Versteifungsrahmens, aus
welchem die U-förmigen Mittenabschnitte der beiden Messrohre
seitlich herausragen. In der Mitte der geraden Jochabschnitte 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 Rohrleitungssystems 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 U-förmigen
Mittenabschnitts, im 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. Einspannkräfte und Schwingungen des Rohrleitungssystems,
in welches das Massendurchflussmessgerät eingebaut ist,
sollen durch den Versteifungsrahmen von den beiden Messrohren fern gehalten
werden. Zur Erzielung einer hohen Steifigkeit des Versteifungsrahmens
ist dieser mit vergleichsweise dicken Seitenwänden zu versehen,
was bei Verwendung von teuren Materialien, bei spielsweise Edelstahl,
zu hohen Herstellungskosten und zu einem hohen Gewicht des Massendurchflussmessgeräts
führt.
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Aus
der
DE 101 27 716
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metall/Metallschaum-Verbundbauteilen
bekannt, die sich durch eine leichte Bauweise, hohe Steifigkeit
und gute Dämpfungseigenschaften auszeichnen. Verschiedene
Verfahren zur Herstellung von gewichtsreduzierten Profilen mit erhöhter
Steifigkeit sind beschrieben, in welchen Hohlräume mit
Metallschaum gefüllt sind.
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Aus
der
DE 102 05 070
A1 sind ebenfalls Metall/Metallschaum-Verbundteile zur
Verbesserung der Schwingungsdämpfung gegenüber
herkömmlichen Bauteilen bekannt.
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Aus
der
US 6 533 065 B2 ist
bekannt, Metallschaumwände in einem Rohrabschnitt vorzusehen, der
dem Messrohr eines Ultraschalldurchflussmessgeräts vorgeschaltet
ist. Die Metallschaumwände dienen dort zur Dämpfung
des über die Flüssigkeit in das Messrohr eingetragenen
Ultraschalls.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Massendurchflussmessgerät
für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip
arbeitet, mit einem Paar im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender
Messrohre, wobei die Messrohre in einem Anfangsabschnitt und in
einem Endabschnitt mechanisch zumindest durch einen Versteifungsrahmen miteinander
gekoppelt sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Versteifungsrahmens
für ein Massendurchflussmessgerät zu schaffen,
die sich durch gute Messeigenschaften, ein geringes Gewicht und niedrige
Herstellungskosten auszeichnen.
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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 Anspruch 2 ist eine vorteilhafte
Weiterbildung, in Anspruch 3 ein Herstellungsverfahren beschrieben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass die mechanische Kopplung der Messrohre
in ihren Anfangs- und Endabschnitten durch den Versteifungsrahmen bei
gleichem Gewicht wesentlich steifer ist als dies bei der bisherigen
Verwendung von einem als Hohlkörper ausgebildeten Versteifungsrahmen
der Fall war. Andererseits kann die Steifigkeit eines herkömmlichen
Versteifungsrahmens nun mit erheblich geringerem Gewicht und somit
geringerem Materialaufwand und Kosten erzielt werden. Zudem werden Schwingungen
durch den Metallschaum bedämpft, so dass zum einen Schwingungen
der Messrohre in geringerem Maße in das Rohrleitungssystem
und zum anderen Schwingungen des Rohrleitungssystems weniger in
die Messrohre eingekoppelt werden. Durch eine verbesserte Biege-
und Torsionssteifigkeit des Versteifungsrahmens wird erreicht, dass praktisch
keine Einkopplungen von mechanischen Spannungen in den freischwingend
zwischen Anfangs- und Endabschnitt gehaltenen Mittenabschnitt erfolgen.
Mechanische Spannungen, die beispielsweise durch Einspannkräfte
oder Veränderungen der Rohrleitung, in welche das Massendurchflussmessgerät
am Messort eingebaut ist, verursacht werden, werden in erheblichem
Maße durch den Versteifungsrahmen aufgrund seiner stabilen
Ausführung aufgenommen. Die Geometrie des Mittenabschnitts, die
für die Messeigenschaften des Massendurchflussmessgeräts
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 des Versteifungsrahmens können
durch Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode oder durch experimentelle
Versuche ermittelt 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 Einlaufabschnitten und an
ihren Auslaufabschnitten mit dem Versteifungsrahmen verbunden sind.
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Der
Versteifungsrahmen kann besonders kostengünstig hergestellt
werden, wenn zunächst aus einer flachen Edelstahlplatte
der benötigten Dicke ein im Wesentlichen zylindrisches
Rohr gebogen wird, das an seinen offenen Enden mit Kappen verschlossen
und dann mit Metallschaum ausgeschäumt wird. Danach können
in die Rohrwandungen und den Metallschaum Ausnehmungen zur Durchführung
der Messrohre angebracht werden. Nach dem Einsetzen der Messrohre
werden anstelle der Kappen Einlauf- und Auslaufsplitter aufgesetzt und
mit den Enden des Edelstahlrohres verschweißt.
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Alternativ
dazu kann der Versteifungsrahmen beispielsweise aus einem nahtlos
geformten und mit Metallschaum gefüllten Rohr oder aus
einem doppelwandigen Rohr hergestellt werden, dessen Wandzwischenraum
mit Metallschaum ausgefüllt ist.
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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 und
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2 ein
Schnittbild zur Erläuterung der Herstellung eines Versteifungsrahmens.
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Ein
Massendurchflussmessgerät 1 gemäß 1 arbeitet
nach dem Coriolis-Prinzip. Ein erstes Messrohr 2 und zweites
Messrohr 3 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Sie werden üblicherweise aus einem Stück durch
Biegen ange fertigt. Der Verlauf der Messrohre 2 und 3 ist
in die folgenden Abschnitte unterteilt: einen Anfangsabschnitt,
der aus einem in der Figur durch einen Versteifungsrahmen 4 verdeckten
und daher nicht sichtbaren Einlaufabschnitts und einem Einlaufkrümmer 5 besteht,
einen Mittenabschnitt, der aus einem ersten geraden Schenkel 6,
einem Krümmer 7, einem geraden Jochabschnitt 8,
einem Krümmer 9 und einem zweiten geraden Schenkel 10 besteht,
und einem Endabschnitt, der aus einem Auslaufkrümmer 11 und
einem im Wesentlichen geraden, in der Figur wiederum durch den Versteifungsrahmen 4 verdeckten
Auslaufabschnitt besteht. Ein fließfähiges Medium
strömt entsprechend einem Pfeil 13 in das Massendurchflussmessgerät 1 und
damit in die beiden hinter einem in der Figur nicht sichtbaren Einlaufsplitter
befindlichen Einlaufabschnitte der Messrohre 2 und 3 ein
und entsprechend einem Pfeil 15 aus den Auslaufabschnitten
und dem dahinter befindlichen, ebenfalls in der Figur nicht sichtbaren
Auflaufsplitter wieder aus. Flansche 14 und 16,
die mit dem Einlaufsplitter bzw. dem Auslaufsplitter fest verbunden
sind, dienen zur Befestigung des Massendurchflussmessgeräts 1 in
einer in der Figur nicht dargestellten Rohrleitung. Die beiden Messrohre 2 und 3 sind
bezüglich einer senkrecht zur Messrohrachse beim Scheitelpunkt
des im Wesentlichen U-förmigen Mittenabschnitts verlaufenden
Ebene spiegelbildlich aufgebaut. Paarweise spiegelbildlich zueinander
angeordnete Knotenplatten 17, 18, 19 und 20 dienen
zur Verbesserung der Messeigenschaften, indem sie die beiden Messrohre 2 und 3 am
jeweiligen Ort ihrer Anbringung zueinander fixieren. Sie haben die
Aufgabe, die natürliche Eigenschwingung der Messrohre 2 und 3,
die sich bei ruhendem Fluid einstellt, von der auf Coriolis-Kräften
beruhenden Schwingung bei strömendem Fluid zu trennen und
die Übertragung von Schwingungen zwischen Rohrleitungssystem
und Messrohren zu verringern. Eine weitere Reduktion der Einflüsse
des Rohrleitungssystems auf die Messeigenschaften des Massendurchflussmessgeräts 1 wird
durch den Versteifungsrahmen 4 erreicht, mit welchem die
Messrohre 2 und 3 in ihrem Anfangsabschnitt und
Endabschnitt mechanisch fest verbunden sind. Durch den Versteifungsrahmen 4 wird
die Geometrie der Messrohre 2 und 3 weitgehend
konstant gehalten, so dass auch Veränderungen des Rohrleitungssystems,
in welchem das Massendurchflussmessgerät 1 eingebaut
ist, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, allenfalls
zu einer geringen Nullpunktverschiebung führen. Der Versteifungsrahmen 4 ist
aus einem vergleichsweise dünnen Mantelblech aus Edelstahl
gebildet, das mit einem Schaum aus Metall, beispielsweise Aluminium, gefüllt
ist. In dem Versteifungsrahmen 4 sind Ausnehmungen 21 und 22 zur
Aufnahme der Messrohre 2 und 3 vorgesehen. Eine
in 1 symbolisch dargestellte Erregeranordnung 23,
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 entgegengesetzter 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 24 sowie
ein Aufnehmer 25, deren Aufbau demjenigen der Erregeranordnung 23 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 24 und 25 erzeugt
werden, wertet eine Auswerteeinrichtung 26 zur Berechnung
eines Messwerts für den Durchfluss aus. Die Auswerteeinrichtung 26 dient gleichzeitig
zur Ansteuerung der Erregeranordnung 23.
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Abweichend
von dem gezeigten Ausführungsbeispiel können die
Messrohre 2 und 3 selbstverständlich
andere Geometrien aufweisen, beispielsweise einen V-förmig
oder einen Ω-förmig ausgebildeten Mittenabschnitt,
oder es kann eine abweichende Anzahl und Anordnung von Erregeranordnungen
und Aufnehmern gewählt werden.
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Die
Lage des Nullpunkts des Massendurchflussgeräts 1 wird
bei einer Inbetriebnahme durch eine Kalibrierung bestimmt und in
einen Speicher 27 als Kalibrierdaten hinterlegt. Anhand
der abgespeicherten Kalibrierdaten ermittelt die Auswerteeinrich tung 26 in
Abhängigkeit der Messsignale den Messwert, der auf einer
Anzeige 28 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 27 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.
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Anhand 2 wird
im Folgenden beispielhaft ein Herstellungsverfahren eines Versteifungsrahmens 40 erläutert,
das mit besonders geringem Aufwand verbunden ist. Zur anschaulicheren
Darstellung ist 2 nicht maßstabsgetreu.
Aus einer handelsüblichen Edelstahlplatte der erforderlichen
Dicke wird ein rechteckiges Blech ausgestanzt und zu einem Rohr 41 gebogen,
das vergleichsweise dünnwandig ist und an den parallel
zur Rohrachse verlaufenden Stoßkanten verschweißt
wird. Auf die offenen Enden des Rohrs 41 werden zwei Kappen 42 und 43 aufgesetzt,
wobei die Kappe 43 eine Ausnehmung 44 aufweist.
Durch die Ausnehmung 44 wird anschließend Metallschaum 45 in
den Hohlraum des Rohrs 41 eingespritzt und auf diese Weise
das Rohr 41 ausgeschäumt. Nach Aushärten
des Metallschaums werden die Kappen 42 und 43 abgenommen,
Ausnehmungen für die beiden Messrohre in den Versteifungsrahmen 40 eingearbeitet,
die Messrohre eingesetzt, an den beiden Enden des Versteifungsrahmens 40 Einlaufsplitter
bzw. Auflaufsplitter aufgesetzt und mit den Messrohrenden sowie
den Enden des Versteifungsrahmens 40 mechanisch verbunden,
beispielsweise durch Schweißen.
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In
dem Ausführungsbeispiel wird ein im Wesentlichen zylinderförmiger
Versteifungsrahmen gezeigt. Selbstverständlich kann dieser
alternativ dazu auch quaderförmig oder in beliebiger anderer
Profilform ausgebildet sein. Alternativ zur beschrie benen Verwendung
von Edelstahl als Material der Ummantelung des Versteifungsrahmens
sind je nach gewünschten Materialeigenschaften selbstverständlich auch
andere Metalle, beispielsweise Aluminium oder Magnesium, verwendbar.
Der Metallschaum kann aus verschiedenen Materialien, beispielsweise
aus Edelstahl oder auf der Basis von Magnesium, Aluminium, Titan
oder Zink sowie deren Legierungen hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6308580
B1 [0002]
- - DE 10127716 A1 [0003]
- - DE 10205070 A1 [0004]
- - US 6533065 B2 [0005]