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Die
Erfindung betrifft einen, insb. für eine Verwendung in
einem Coriolis-Massedurchflußmesser geeigneten, Meßwandler
vom Vibrationstyp mit wenigstens einem zumindest zeitweise vibrierenden Meßrohr
zum Führen von zu messendem Medium, einem Gegenschwinger,
der unter Bildung einer ersten Kopplungszone einlaßseitig
am Meßrohr fixiert ist und der unter Bildung einer zweiten
Kopplungszone auslaßseitig am Meßrohr fixiert
ist, eine Erregeranordnung zum Antreiben zumindest des Meßrohrs
sowie eine Sensoranordnung zum Erfassen von Schwingungen zumindest
des Meßrohrs.
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In
der industriellen Meßtechnik werden, insb. im Zusammenhang
mit der Regelung und Überwachung von automatisierten verfahrenstechnischen Prozessen,
zur Ermittlung von charakteristischen Prozeßparametern,
beispielsweise eines Massedurchflusses, einer Dichte, einer Viskosität
etc., von in einer Rohrleitung strömenden Medien, beispielsweise
von Flüssigkeiten und/oder Gasen, werden oftmals, insb.
als Coriolis-Massedurchflußmesser ausgebildete, In-Line-Meßgeräte
verwendet, die mittels eines Meßwandlers vom Vibrationstyp
und einer daran angeschlossener Betriebs- und Auswerteelektronik,
im strömenden Medium Kräfte, beispielsweise Corioliskräfte,
induzieren und von diesen abgeleitet ein den wenigstens einen Parameter
entsprechend repräsentierendes Meßsignal erzeugen.
Derartige In-Line-Meßgeräte mit einem Meßwandler
vom Vibrationstyp sind seit langem bekannt und haben sich gleichermaßen
im industriellen Einsatz etabliert. Beispiele für solche
Meßwandler, insb. auch deren Verwendung in Coriolis-Massedurchflußmessern,
sind z. B. in der
EP-A
317 340 ,
US-A
47 38 144 , der
US-A 47
77 833 , der
US-A
48 23 614 , der
US-A
52 91 792 , der
US-A
53 98 554 , der
US-A
54 76 013 , der
US-A 56
02 345 , der
US-A
56 91 485 ,
US-A
57 96 010 , der
US-A
57 96 012 , der
US-A
59 45 609 , der
US-A
59 79 246 , der
US-B
63 30 832 , der
US-B
63 97 685 , der
US-B
66 91 583 , der
US-B
68 40 109 , der
US-B
68 83 387 , der
US-B
70 77 014 ,
US-B
70 17 424 , der
US-B
72 99 699 , der
US-A
2007/0186685 , der
US-A 2007/0151371 , der
US-A 2007/0151370 , der
US-A 2007/0119265 ,
der
US-A 2007/0119264 ,
der
WO-A 99 40 394 ,
der
WO-A 01 02 816 oder
der
WO-A 00 14 485 beschrieben.
Jeder der darin gezeigten Meßwandler umfaßt wenigstens
ein im wesentlichen gerades oder wenigstens ein gekrümmtes,
im Betrieb vibrierendes Meßrohr zum Führen des
Mediums, welches Meßrohr über ein einlaßseitig
einmündendes Einlaßrohrstück und über
ein auslaßseitig einmündendes Auslaßrohrstück
mit der Rohrleitung kommuniziert.
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Ferner
umfaßt jeder der gezeigten Meßwandler jeweils
wenigstens einen einstückigen oder mehrteilig ausgeführten,
beispielsweise rohr-, kasten- oder plattenförmigen, Gegenschwinger,
der unter Bildung einer ersten Kopplungszone einlaßseitig an
das Meßrohr gekoppelt ist und der unter Bildung einer zweiten
Kopplungszone auslaßseitig an das Meßrohr gekoppelt
ist und der im Betrieb zumindest anteilige ebenfalls vibrieren gelassen
wird. Bei den beispielsweise in der
US-A 52 91 792 , der
US-A 57 96 010 , der
US-A 59 45 609 ,
der
US-B 70 77 014 ,
der
US-A 2007/0119264 ,
der
WO-A 01 02 816 oder
auch der
WO-A 99 40
394 gezeigten Meßwandler mit einem einzigen, im
wesentlichen geraden Meßrohr sind letzteres und der Gegenschwinger,
wie bei herkömmlichen, industrietauglichen Meßwandlern durchaus üblich,
zueinander im wesentlichen koaxial ausgerichtet. Darüberhinaus
ist bei marktgängigen Meßwandlern der vorgenannten
Art auch der Gegenschwinger zumeist im wesentlichen rohrförmig
und im wesentlichen gerade ausgebildet und zudem derart im Meßwandler
angeordnet, daß das Meßrohr zumindest teilweise
vom Gegenschwinger ummantelt ist und Meßrohr und Gegenschwinger
im wesentlichen koaxial ausgerichtet sind. Als Materialien für solche
Gegenschwinger kommen u. a. vergleichsweise kostengünstige
Stahlsorten, wie etwa Baustahl oder Automatenstahl, zum Einsatz
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Meßwandler
der in Rede stehenden Art umfassen des weiteren eine Erregeranordnung,
die das Meßrohr im Betrieb, angesteuert von einem entsprechend
konditionierten elektrischen Treibersignal, mittels wenigstens eines
darauf einwirkenden elektro-mechanischen, insb. elektro-dynamischen, Schwingungserregers
zu Biegeschwingungen üblicherweise möglichst überwiegend
oder ausschließlich in einer einzigen gedachten – im
weiteren als Primär-Schwingungsebene bezeichneten – Rohrschwingungsebene
anregt, die die beiden Kopplungszonen imaginär schneidet.
Desweiteren weisen derartige Meßwandler eine Sensoranordnung
mit, insb. elektrodynamischen, Schwingungssensoren zum zumindest
punktuellen Erfassen einlaßseitiger und auslaßseitiger
Schwingungen des Meßrohrs und zum Erzeugen von vom Massedurchfluß beeinflußten
elektrischen Sensorsignalen auf.
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Die
Erregeranordnung weist wenigstens einen elektrodynamischen und/oder
differentiell auf Meßrohr und Gegenschwinger einwirkenden, Schwingungserreger
auf, während die Sensoranordnung einen einlaßseitigen,
zumeist ebenfalls elektrodynamischen, Schwingungssensor sowie einen
dazu im wesentlichen baugleichen auslaßseitigen Schwingungssensor
umfaßt. Bei markgängigen Meßwandlern
mit einem Meßrohr und einem daran gekoppelten Gegenschwinger
ist der Schwingungserreger üblicherweise mittels einer
zumindest zeitweise von einem Strom durchflossene und zumindest
zeitweise von einem Magnetfeld durchsetzte Spule sowie einen mit
der wenigstens eine Spule wechselwirkenden, insb. in diese eintauchenden,
als Anker dienenden eher länglichen, insb. stabförmig
ausgebildten, Dauermagneten gebildet, der entsprechend am Meßrohr
fixiert ist. Dauermagnet und Spule sind dabei üblicherweise
so ausgerichtet, daß sie zueinander im wesentlichen koaxial
verlaufen.
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Zudem
ist bei herkömmlichen Meßwandlern die Erregeranordnung üblicherweise
derart ausgebildet und im Meßwandler plazierte, daß sie
im wesentlichen mittig an das Meßrohr angreift. Zumeist
ist der wenigstens eine Schwingungserreger und insoweit die Erregeranordnung
dabei, wie beispielsweise auch bei den in der
US-A 57 96 010 , der
US-B 68 40 109 ,
der
US-B 70 77 014 oder
der
US-B 70 17 424 vorgeschlagenen
Meßwandlern gezeigt, zumindest punktuell entlang einer
gedachten mittigen Umfangslinie des Meßrohrs außen
an diesem fixiert. Alternativ zu einer mittels eher zentral auf
das Meßrohr wirkenden Schwingungserregern gebildeten Erregeranordnung
können, wie u. a. in der
US-A 48 23 614 vorgeschlagen, beispielsweise
auch mittels zweier nicht im Zentrum des Meßrohres, sondern
eher ein- bzw. auslaßseitig an diesem fixierten Schwingungserreger
gebildete Erregeranordnung verwendet werden.
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Bei
den meisten Meßwandlern der beschriebenen Art sind die
Schwingungssensoren der Sensoranordnung, wie bereits angedeutet,
zumindest insoweit im wesentlichen baugleich ausgebildet wie der wenigstens
eine Schwingungserreger, als sie nach dem gleichen Prinzip aufgebaut
sind. Dementsprechend sind auch die Schwingungssensoren einer solchen
Sensoranordnung zumeist jeweils mittels wenigstens einer – üblicherweise
am Gegenschwinger fixierten –, zumindest zeitweise von
einem veränderlichen Magnetfeld durchsetzte und damit einhergehend
zumindest zeitweise mit einer induzierten Meßspannung beaufschlagten
sowie einem am Meßrohr fixierten, mit der wenigstens eine
Spule zusammenwirkenden dauermagnetischen Anker gebildet, der das Magnetfeld
liefert. Jede der vorgenannten Spulen ist zudem mittels wenigstens
eines Paars elektrischer Anschlußleitungen mit der erwähnten
Betriebs- und Auswerteelektronik des In-Line-Meßgeräts
verbunden, die zumeist auf möglichst kurzem Wege von den
Spulen über den Gegenschwinger hin zum Wandlergehäuse
geführt sind.
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Zur
Homogenisierung des Spule und Dauermagneten durchflutenden Magnetfelds
sowie Vermeidung von störenden Streufeldern ist bei Schwingungssensoren
der vorgenannten Art wie auch die meisten Schwingungserreger der
Dauermagnet innerhalb eines zumindest anteilig aus magnetisch leitfähigem
Material bestehenden Magnetbecher plaziert und daselbst an einem üblicherweise
direkt am Meßrohr befestigten Becherboden gehaltert, von dem
ausgehend sich eine im wesentlichen rohrförmige, insb.
kreiszylindrisch, ausgebildete Becherwand des Magnetbechers in Richtung
der relativen Schwingungen von Meßrohr und Gegenschwingers erstreckt. Üblicherweise
ist der Dauermagnet im wesentlichen in einem Zentrum des Becherbodens
angeordnete und zumeist so an diesem fixiert, daß Dauermagnet
und Becherwand zueinander im wesentlichen koaxial verlaufend ausgerichtet
sind.
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Neben
den für das Erfassen von Vibrationen des Meßrohrs
vorgesehenen Schwingungssensoren kann der Meßwandler, wie
u. a. auch in der
EP-A
831 306 , der
US-A
57 36 653 , der
US-A
53 81 697 oder der
WO-A
01/02 816 vorgeschlagen, noch weitere, insb. dem Erfassen
eher sekundärer Meßgrößen, wie z.
B. Temperatur, Beschleunigung, Dehnung, Spannung etc., dienende
am jedenfalls mittels Meßrohr, Gegenschwinger sowie die
daran jeweils angebrachten Erreger- und Sensoranordnung gebildeten
Innenteil oder aber auch in dessen Nähe angeordnete Sensoren
aufweisen.
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Schließlich
weist jeder der in der
US-A
52 91 792 , der
US-A
59 45 609 , der
US-B
70 77 014 , der
US-A
2007/0119264 , der
WO-A
01 02 816 oder auch der
WO-A 99 40 394 gezeigten Meßwandler
ein, insb. direkt am Einlaßrohrstück und am Auslaßrohrstück
fixiertes, das Meßrohr mit daran gekoppeltem Gegenschwinger
sowie die vorgesehene Erreger- und Sensoranordnung umhüllendes
zusätzliches Wandlergehäuse auf, während
beispielsweise bei dem in der
US-A 48 23 614 gezeigten Meßwandler das
Wandlergehäuse quasi durch den Gegenschwinger selbst gebildet
ist oder, anders gesagt, Wandlergehäuse und Gegenschwinger
ein und dieselbe Baueinheit sind.
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Ein
Vorteil von Meßwandlern mit geradem Meßrohr besteht
im Vergleich zu solchen mit gebogenem Meßrohr z. B. darin,
daß die sich die Meßrohr in nahezu jeder beliebigen
Einbaulage, insb. auch nach einer in-line durchgeführten
Reinigung, mit hoher Sicherheit rückstandsfrei selbst entleeren.
Ferner sind solche Meßrohre im Vergleich z. B. zu einem
gebogenen Meßrohr wesentlich einfacher und dementsprechend
kostengünstiger herzustellen und verursachen im Betrieb
zumeist einen geringeren Druckverlust.
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Ein
gerades Meßrohr bewirkt bekanntlich im hindurchströmenden
Medium Corioliskräfte, wenn selbiges Meßrohr zu
Biegeschwingungen in der Primär-Schwingungsebene gemäß einer
ersten Eigenschwingungsform – dem sogenannten Antriebs-
oder auch Nutz-Mode – angeregt ist. Bei herkömmlichen Meßaufnehmern
der vorgenannten Art, beispielsweise auch solchen wie in der
US-A 52 91 792 ,
der
US-B 68 40 109 ,
der
US-B 70 77 014 oder
der
US-B 70 17 424 vorgeschlagen,
bei denen das Meßrohr im Nutzmode vornehmlich in der gedachten
Primär-Schwingungsebene oszillieren gelassen wird, führen
diese Corioliskräfte wiederum dazu, daß selbigen
Biege-Schwingungen im Nutzmode koplanare – also ebenfalls
in der Primär-Schwingungsebene vollführte – Biegeschwingungen
gemäß einer zweiten Eigenschwingungsform von zumeist
höherer Ordnung, jedenfalls aber anderen Symmetrieeigenschaften – dem
sogenannten Coriolis- oder auch Meßmode-überlagert
werden. Infolge der Biege-Schwingungen im Coriolis-Mode weisen die
mittels der Sensoranordnung einlaßseitig und auslaßseitig
erfaßten Schwingungen eine auch vom Massedurchfluß abhängige,
meßbare Phasendifferenz auf.
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Üblicherweise
werden die Meßrohre derartiger Meßwandler, insb.
solcher, die in Coriolis-Massedurchflußmessern eingesetzt
sind, im Nutzmode auf einer momentanen Resonanzfrequenz der ersten
Eigenschwingungsform, insb. bei konstantgeregelter Schwingungsamplitude,
angeregt. Da diese Resonanzfrequenz im besonderen auch von der momentanen
Dichte des Mediums abhängig ist, kann mittels marktüblicher
Coriolis-Massedurchflußmesser neben dem Massedurchfluß zumindest
auch die Dichte von strömenden Medien direkt gemessen werden.
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Neben
der oben erwähnten, mehr oder minder ausgeprägten
Dichteabhängigkeit kann ein besonderes Problem vorbeschriebener
Meßwandler mit geradem Meßrohr wie beispielsweise
auch in der
US-A 52
91 792 ,
US-B
70 77 014 oder der eigenen nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 102007050686.6 diskutiert,
allerdings auch darin bestehen, daß sie nicht nur die oben
genannten natürlichen Schwingungsmoden aufweisen, in dem das
Meßrohr Biegeschwingungen in der erwähnten Primär-Schwingungsebene
ausführt, sondern auch solche natürlichen Schwingungsmode,
in denen das Meßrohr Biegeschwingungen in einer weiteren
gedachten, zur Primär-Schwingungsebene im wesentlichen
orthogonalen gleichwohl die beiden Kopplungszonen imaginär
schneidende Sekundär-Schwingungsebene ausführen
kann, und daß jene Schwingungsmoden in der Sekundär-Schwingungsebene ohne
das Ergreifen besonderer Maßnahmen naturgemäß in
etwa dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, wie der jeweils korrespondierende
Schwingungsmode in der Primär-Schwingungsebene. Anders
gesagt, können bei Meßwandlern der in Rede stehenden
Art mit geradem Meßrohr allfällige Meßungenauigkeiten,
insb. basierend auf im Betrieb unvorhersehbaren Änderungen
des Nullpunkts, daraus resultieren, daß zusätzlich
zum erwünscht angeregten Nutzmode in der Primär-Schwingungsebene
unerwünschte und insoweit störende Schwingungen
in der Sekundär-Schwingungsebene auftreten, die sehr dicht
an den Schwingfrequenzen des Nutzmodes liegen. Gleichermaßen
wie dem Nutzmode in der Primär-Schwingungsebene würden
dann auch dem in unerwünschter Weise angeregten gleichfrequenten Schwingungsmode
in der Sekundär-Schwingungsebene dazu koplanare, durch
entsprechende Corioliskräfte bedingte zusätzliche
Schwingungsmoden induziert. Ursache für solche Störungen
können beispielsweise Vibrationen in der angeschlossen
Rohrleitung oder auch vom strömenden Medium ausgehendes,
zumeist breitbandiges Rauschen sein. Infolge von in praxi nahezu
unvermeidlichen Querempfindlichkeiten der Schwingungssensoren auf
Schwingungen in der Sekundär-Schwingungsebene führt dies
dazu, daß die unter solchen Umständen gelieferten
Sensorsignale anteilig sowohl Schwingungen des Meßrohrs
in der Primär-Schwingungsebene als auch korrespondierende
Schwingungen des Meßrohrs Sekundär-Schwingungsebene
in einem für die Meßgenauigkeit signifikantem
Maße reflektieren, eine Zuordnung der entsprechenden Signalanteile
auf die Primär- bzw. Sekundär-Schwingungsebene
wegen der im wesentlichen gleichen Frequenzen korrespondierender
Schwingungen praktisch nicht möglich ist. Darüberhinaus
ist bei hinreichend starker mechanischer Kopplung von Schwingungsmoden
beider Schwingungsebenen auch ein Transfer von Schwingungsenergie – spontan
oder periodisch – von der Primär- in die Sekundär-Schwingungsebene
bzw. auch umgekehrt von der Sekundär- in die Primär-Schwingungsebene
möglich.
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Infolgedessen
können die Sensorsignale beispielsweise eine für
deren Signalverarbeitung wie auch für die auf den Sensorsignalen
basierende Schwingungsregelung durchaus schädliche charakteristische
Schwebung aufweisen. Desweiteren können Schwingungsbewegungen
in der Sekundär-Schwingungsebene, seien sie nun durch äußere Störungen
direkt oder über den vorgenannten Energietransfer von der
Primär- in die Sekundär-Schwingungsebene indirekt
angeregt, dazu führen, daß die Sensorsignale zeitweise überhöhte
Signalpegel aufweisen können, mit der Folge, daß die
Sensorsignale empfangende und verarbeitende Eingangsverstärker entsprechend
aufwendig dimensioniert sein müssen und somit vergleichsweise
teuer sind.
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Zur
Unterdrückung solcher in der Sekundär-Schwingungsebene
vollführten, insgesamt sehr schädlichen Schwingungen
ist es üblich, eine für diese Schwingungen effektive
Steifigkeit des Meßrohrs gegenüber einer für
Schwingungen in der Primär-Schwingungsebene effektive Steifigkeit
des Meßrohrs bei im wesentlichen gleichbleibenden effektiven
Massen zu erhöhen und somit Resonanzfrequenzen von miteinander
korrespondierenden Schwingungsmoden der Primär- bzw. Sekundär-Schwingungsebene
wirksam voneinander zu separieren. Typischerweise werden hierbei
Frequenzabstände von mehr als 30 Hz angestrebt. In der
US-A 56 02 345 wird
hierfür beispielsweise die Verwendung von ein- und auslaßseitig
in unmittelbarer Nähe zu den jeweiligen Kopplungszonen
am jeweiligen Meßrohr zusätzlich angebrachte,
als flache Stege ausgebildete Federelemente vorgeschlagen. Als eine
weitere Möglichkeit zur Separierung von Schwingungsmoden
in der Primär-Schwingungsebene von korrespondierenden Schwingungsmoden
in der Sekundär- Schwingungsebene ist ferner in der
US-A 52 91 792 gezeigt.
Bei dem dort vorgeschlagenen Meßwandler ist die für
Schwingungen in der Sekundär-Schwingungsebene effektive
Steifigkeit des Meßrohrs dadurch erhöht, daß das
Meßrohr in seinem Zentrum mit einem entsprechend wirkenden
als sich im wesentlichen in radialer Richtung zu Meßrohr und
Gegenschwinger erstreckend im Meßwandler angeordnete, hier
U-förmige, Versteifungsfeder ausgebildeten Federelement
beaufschlagt ist, das die Steifigkeit Meßrohrs für
den Coriolismode in der Primär-Schwingungsebene nicht nennenswert
beeinflußt. Dadurch kann erreicht werden, daß sich
die Schwingfrequenz der Schwingungen im Nutzmode hinreichend stark
von der Frequenz ungewollter, also störender Schwingungen
abhebt und somit der Einfluß solcher störenden
Schwingungen weitgehend unterdrückt wird. Alternativ hierzu
ist in der erwähnten
deutschen
Patentanmeldung 102007050686.6 vorgeschlagen worden, einlaß-
und auslaßseitig in der Nähe der Kopplungszonen
plazierte "dezentrale" Federelemente zur Frequenztrennung zu verwenden.
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Als
eine weitere Ursache für solche, insb. auch den Nullpunkt
beeinflussende, Störungen der Schwingungsmeßsignale – besonders
auch bei zumindest unter Laborbedingungen hinsichtlich der Dichte
perfekt ausbalancierten und lediglich in der Primär-Schwingungsebene
schwingengelassenem Innenteil – konnten zudem, wie auch
in den eigenen nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldungen 102006062220.0 ,
102006062219.7 bzw.
102006062185.9 diskutiert,
die Anschlußleitungen identifiziert werden. Dem Rechnung
tragend ist in den vorgenannten Patentanmeldungen vorgeschlagen
worden, diesen Störungen durch eine gezielt angepaßte
Führung der Leitungen entlang des Innenteils bis hin zum
Wandlergehäuse entgegen zu wirken.
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Obzwar
vorgenannte Maßnahmen – einzeln oder in Kombination – durchaus
zu beträchtlichen Verbesserungen der Meßgenauigkeit
von Meßwandlern der in Rede stehenden Art, insb. auch deren Nullpunkstabilität,
geführt haben, ließen weitergehende, insb. auch
unter Laborbedingungen und weitgehend frei von Störvibrationen
durchgeführte, Untersuchungen – wenngleich geringfügige,
so doch für die für solche Meßwandler
angestrebte extrem hohe Meßgenauigkeit nicht unerhebliche – Schwankungen im
Nullpunkt erkennen, die durch keines der oben genannten Phänomene
erklärbar waren. Im besonderen mußte hierbei – trotz
weitgehender Eliminierung oder Vermeidung der oben erwähnten
Störungen – immer noch eine gewisse Abhängigkeit
des Nullpunkts von der Einbausituation konstatiert werden, die selbst
wiederum eine gewisse Ortsabhängigkeit aufzeigt.
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Andere,
die Meßgenauigkeit, insb. die Stabilität des den
Nullpunktes, von Meßwandlern der in Rede stehenden Art
potentiell herabsetzende Störquellen wie etwa auch elektromagnetische
Wechselfelder oder, wie u. a. in der
US-B 72 99 699 diskutiert, Schwingungsreibungen,
Materialermüdungen oder Entfestigungen von Bauteileverbindungen
konnten dabei ebenfalls ausgeschlossen werden oder hätten zumindest
nicht das Ausmaß der beobachteten Nullpunktverschiebungen
erklären können.
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Laborversuche
mit einer Helmholtzspule, deren – bekanntlich weitgehend
homogenem – geschalteten Magnetfeld ein entsprechender
Meßwandler der in Rede stehende Art in verschieden Einbaulagen ausgesetzt
worden ist, haben schließlich überraschenderweise
Gleich-Magnetfelder als eine mögliche Störquelle
für die bislang unerklärlich hohen beobachtenden
Nullpunktverschiebungen identifiziert. Weiterführend konnte
so schließlich auch der besondere Einfluß des
im obigen Sinne in erheblichem Maße ortsabhängigen
Erdmagnetfelds als Ursache für eine Ortsabhängigkeit
des Nullpunkts oder vielmehr eine Ortsabhängigkeit von
dessen Änderungen erkannt werden, wobei angesichts des
im Vergleich zu den eher hohen Feldstärken von etwa 800
mT, die die regulären Meßspannungen in den Schwingungssensoren
bewirken, um einige Größenordnungen schwächeren
Erdmagnetfelds die Empfindlichkeit der Schwingungssensoren auf lokale Änderungen
von dessen Felddichte durchaus überraschend ist.
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Eine
Möglichkeit zur Behebung des vorgenannten Problems bestünde
nunmehr beispielsweise darin, das Wandlergehäuse so auszubilden,
daß dessen effektiver magnetischer Widerstand signifikant verringert
wird. Dies wiederum würde die Verwendung von Materialien
mit einer vergleichsweise hohen relativen magnetischen Leitfähigkeit
erfordern, wie etwa Automatenstahl oder Baustahl. Allerdings können
solche Materialien, wie beispielsweise auch in der
US-B 63 30 832 erörtert,
die an industrietaugliche Meßwandler der in Rede stehenden
Art gestellten hohen Anforderungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit
und/oder Hygiene nicht immer voll umfänglich erfüllen,
so daß dann den ohnehin hohen Material- und/oder Fertigungsaufwand
weiter erhöhende Maßnahmen ergriffen werden müßten.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, Meßwandler der
vorgenannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine deutlich
geringere Abhängigkeit der Meßgenauigkeit von
der tatsächlichen Einbaulage und/oder vom tatsächlichen
Einbauort des Meßwandlers erreicht werden kann. Dies im
besonderen auch mit gegenüber herkömmlichen Meßwandlern
vergleichbarem oder nur unwesentlich höherem Aufwand hinsichtlich
Fertigung und/oder Material.
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Zur
Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einem Meßwandler
vom Vibrationstyp für ein in einer Rohrleitung strömendes
Medium, welcher Meßwandler wenigstens ein zumindest zeitweise
vibrierendes Meßrohr zum Führen von zu messendem Medium,
einen Gegenschwinger, der unter Bildung einer ersten Kopplungszone
einlaßseitig am Meßrohr fixiert ist und der unter
Bildung einer zweiten Kopplungszone auslaßseitig am Meßrohr
fixiert ist, wenigstens einen, insb. elektrodynamischen, Schwingungserreger
zum, beispielsweise differentiellen, Erzeugen von mechanischen Schwingungen
zumindest des Meßrohrs relativ zum Gegenschwinger, sowie
wenigstens einen, insb. elektrodynamischen, ersten Schwingungssensor
zum, beispielsweise differentiellen, Erfassen von Schwingungen zumindest des
Meßrohrs relativ zum Gegenschwinger umfaßt. Beim
erfindungsgemäßen Meßwandler weist der
wenigstens eine Schwingungssensor zudem eine, beispielsweise am
Gegenschwinger fixierte, Spule sowie einen mit dieser magnetisch
gekoppelten Dauermagneten auf, der innerhalb eines zumindest anteilig aus
magnetisch leitfähigem Material bestehenden Magnetbecher
plaziert und daselbst an einem, beispielsweise am Meßrohr
befestigten, Becherboden gehaltert ist. Darüberhinaus ist
beim erfindungsgemäßen Meßwandler vorgesehen,
daß eine, beispielsweise im wesentlichen kreiszylindrisch und/oder
rohrförmig ausgebildete, sich vom Becherboden aus, beispielsweise
im wesentlichen in Richtung des Gegenschwingers und/oder in Richtung
von Biegeschwingungen des Meßrohrs relativ zum Gegenschwinger,
erstreckende Becherwand des Magnetbechers wenigstens einen, beispielsweise
sich zumindest abschnittsweise in Richtung von Schwingungen des
Meßrohrs relativ zum Gegenschwinger erstreckenden, Schlitz
aufweist.
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Darüber
hinaus besteht die Erfindung in einem, beispielsweise als Coriolis-Massendurchflußmeßgerät,
Dichtemeßgerät, Viskositätsmeßgerät oder
dergleichen ausgebildeten, In-Eine-Meßgerät zum
Messen und/oder Überwachen wenigstens eines Parameters,
beispielsweise eines Massendurchflusse einer Dichte und/oder einer
Viskosität, eines in einer Rohrleitung strömenden
Mediums, in welchem In-Line-Meßgerät ein Meßwandler
der oben genannten Art Verwendung findet.
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Der
Meßwandler ist im besonderen ferner so ausgebildet, daß er
wenigstens einen ersten natürlichen Schwingungsmode aufweist,
in dem zumindest das Meßrohr Biegeschwingungen in einer
gedachten Primär-Schwingungsebene ausführen kann.
Diesen Aspekt des erfindungsgemäßen Meßwandlers
weiterbildend ist vorgesehen, daß das Meßrohr
im Betrieb mittels des wenigstens einen Schwingungserregers zumindest
zeitweise derart angeregt ist, daß es zumindest anteilig,
insb. überwiegend oder ausschließlich, in der
gedachten Primär-Schwingungsebene oszilliert.
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Nach
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Spule des Schwingungssensors am Gegenschwinger fixiert ist.
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Nach
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors mechanisch mit dem
Meßrohr gekoppelt ist.
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Nach
einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Becherboden des Magnetbechers des wenigstens einen Schwingungssensors
am Meßrohr befestigt ist.
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Nach
einer vierten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der,
beispielsweise länglich und/oder stabförmig ausgebildete,
Dauermagnet und Spule des wenigstens einen Schwingungssensors zueinander
im wesentlichen koaxial verlaufend ausgerichtet sind.
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Nach
einer fünften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors
und Becherwand zueinander im wesentlichen koaxial verlaufend ausgerichtet
sind.
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Nach
einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors im wesentlichen
in einem Zentrum des Becherbodens an diesem fixiert ist.
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Nach
einer siebenten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß Dauermagnet
des wenigstens einen Schwingungssensors und der wenigstens eine
Schlitz zumindest abschnittsweise, beispielsweise überwiegend
oder gänzlich, zueinander im wesentlichen parallel verlaufend
ausgerichtet sind.
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Nach
einer achten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
wenigstens eine Schlitz zumindest abschnittsweise, beispielsweise überwiegend
oder gänzlich, im wesentlichen gerade ist.
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Nach
einer neunten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
wenigstens eine Schlitz sich zumindest bis zum Becherboden erstreckt.
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Nach
einer zehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
wenigstens eine Schlitz sich bis zu einem, beispielsweise im wesentlichen dem
Gegenschwinger zugewandten, freien Rand des Magnetbechers erstreckt.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weiterbildend ist ferner vorgesehen,
daß sich der wenigstens eine Schlitz, ausgehend von dem,
beispielsweise dem Gegenschwinger zugewandten, freien Rand des Magnetbechers
zumindest bis zum Becherboden entlang der Becherwand erstreckt.
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Nach
einer elften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
auch der Becherboden geschlitzt ist.
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Nach
einer zwölften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß sich der wenigstens eine Schlitz sich zumindest abschnittsweise
entlang des Becherbodens, beispielsweise in Richtung eines Radius
des Becherbodens, erstreckt.
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Nach
einer dreizehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
auch der Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors zumindest
abschnittsweise geschlitzt ist.
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Nach
einer vierzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
auch der Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors wenigstens
einen, beispielsweise sich zumindest abschnittsweise in Richtung
von Schwingungen des Meßrohrs relativ zum Gegenschwinger
erstreckenden, Schlitz aufweist. Diese Ausgestaltung der Erfindung
weiterbildend ist ferner vorgesehen, daß sich der wenigstens
eine Schlitz bis zu einem im wesentlichen dem Gegenschwinger zugewandten
freien Rand des Dauermagneten erstreckt.
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Nach
einer fünfzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das Meßrohr zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend
oder vollständig, aus einem Material besteht, das eine
geringere magnetische Leitfähigkeit aufweist, als ein Material
aus dem der Gegenschwinger zumindest überwiegend besteht.
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Nach
einer sechzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Gegenschwinger zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend
oder vollständig, aus einem magnetisch leitfähigen
Material besteht.
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Nach
einer siebzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Gegenschwinger zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend
oder vollständig, aus einem magnetisch leitfähigen
Material mit einer relativen Permeabilität von zumindest
10, beispielsweise mehr als 100, besteht.
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Nach
einer achtzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß wobei
der Gegenschwinger zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend
oder vollständig, aus einem Stahl, z. B. einem Automatenstahl
oder einem Baustahl, besteht.
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Nach
einer neunzehnten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors zumindest anteilig,
beispielsweise überwiegend oder vollständig, aus
einer Seltenenerde-Legierung, wie z. B. AlNiCo, NyFeB, SmCo oder
dergleichen, besteht.
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Nach
einer zwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors zumindest anteilig,
beispielsweise überwiegend oder vollständig, aus
Ferrit besteht.
-
Nach
einer einundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Magnetbecher des wenigstens einen Schwingungssensors zumindest
anteilig, beispielsweise überwiegend oder vollständig,
aus einem Stahl, wie z. B. einem Automatenstahl oder einem Baustahl,
besteht.
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Nach
einer zweiundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Magnetbecher des wenigstens einen Schwingungssensors zumindest
anteilig, beispielsweise überwiegend oder vollständig,
aus Ferrit besteht.
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Nach
einer dreiundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Gegenschwinger zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend
oder vollständig, aus einem Stahl, wie z. B. einem Automatenstahl
oder einem Baustahl, besteht.
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Nach
einer vierundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das Meßrohr zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend
oder vollständig, aus, beispielsweise rostfreiem und/oder austenitisch,
Stahl, wie z. B. 316 L, 318 L, oder einer Nickellegierung, wie z.
B. Hastelloy, besteht.
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Nach
einer fünfundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Meßrohr zumindest anteilig,
beispielsweise überwiegend oder vollständig, aus
Titan besteht.
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Nach
einer sechsundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das Meßrohr zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend oder
vollständig, aus Tantal besteht Nach einer siebenundzwanzigsten
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Meßrohr
zumindest anteilig, beispielsweise überwiegend oder vollständig,
aus Zirconium besteht Nach einer achtundzwanzigsten Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß der Magnetbecher des
wenigstens einen Schwingungssensors wenigstens zwei, beispielsweise
auch mehrere und/oder zumindest innerhalb der Becherwand zueinander
im wesentlichen parallel verlaufende und/oder im wesentlichen uniforme,
Schlitze aufweist.
-
Nach
einer neunundzwanzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Magnetbecher des wenigstens einen Schwingungssensors wenigstens
zwei, beispielsweise auch mehrere, innerhalb des Becherbodens, beispielsweise
im wesentlichen radial verlaufende und/oder im wesentlichen uniforme,
Schlitze aufweist.
-
Nach
einer dreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Dauermagnet des wenigstens einen Schwingungssensors
wenigstens zwei, beispielsweise auch mehrere und/oder zueinander
im wesentlichen parallel verlaufende und/oder im wesentlichen uniforme,
Schlitze aufweist.
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Nach
einer einunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der wenigstens einen Schwingungserreger
im Betrieb zumindest zeitweise von einem Schwingungen des Meßrohrs,
beispielsweise Biegeschwingungen des Meßrohrs in der gedachten
Primär-Schwingungsebene, bewirkenden elektrischen Treibersignal
gespeist ist.
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Nach
einer zweiunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der erste Schwingungssensor und der wenigstens
eine Schwingungserreger im wesentlichen baugleich ausgebildet sind.
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Nach
einer dreiunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der wenigstens einen Schwingungserreger
wenigsten eine, beispielsweise mit dem Gegenschwinger mechanisch verbundene,
insb. starr gekoppelte, Spule umfaßt. Diese Ausgestaltung
der Erfindung weiterbildend ist ferner vorgesehen, daß der
wenigstens eine Schwingungserreger weiters einen mit der Spule magnetisch
gekoppelten Dauermagneten aufweist, der innerhalb eines zumindest
anteilig aus magnetisch leitfähigem Material bestehenden
Magnetbecher plaziert und daselbst an einem, beispielsweise am Meßrohr
befestigten, Becherboden gehaltert ist. Zwecks einer weiteren Verbesserung
der Genauigkeit des Meßwandlers wird ferner vorgeschlagen,
daß dabei auch eine, beispielsweise im wesentlichen kreiszylindrisch
und/oder rohrförmig ausgebildete, sich vom Becherboden
des wenigstens einen Schwingungserregers aus, beispielsweise in
Richtung des Gegenschwingers und/oder in Richtung von Biegeschwingungen
des Meßrohrs relativ zum Gegenschwinger, erstreckende Becherwand
des Magnetbechers wenigstens einen, beispielsweise sich zumindest
abschnittsweise in Richtung von Schwingungen des Meßrohrs
relativ zum Gegenschwinger erstreckenden, Schlitz aufweist.
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Nach
einer vierunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der erste Schwingungssensor einlaßseitig
am Meßrohr plaziert ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung
weiterbildend umfaßt der Meßwandler weiters wenigstens
einen, beispielsweise zum ersten Schwingungssensor im wesentlichen
baugleichen und/oder auslaßseitig am Meßrohr plazierten,
zweiten Schwingungssensor.
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Nach
einer fünfunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß das Meßrohr zumindest teilweise
vom Gegenschwinger ummantelt ist.
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Nach
einer sechsunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der Gegenschwinger im wesentlichen rohrförmig
ist.
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Nach
einer siebenunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, daß der Gegenschwinger im wesentlichen
gerade ist.
-
Nach
einer achtunddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Meßrohr im wesentlichen gerade
ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung weiterbildend ist ferner
vorgesehen, daß auch der Gegenschwinger im wesentlichen
rohrförmig und im wesentlichen gerade ist.
-
Dadurch
ist ferner auch möglich, Meßrohr und Gegenschwinger
zueinander im wesentlichen koaxial auszurichten und/oder auch den
Gegenschwinger im Betrieb zumindest zeitweise, insb. zu den Biegeschwingungen
des Meßrohrs im wesentlichen koplanare, Biegeschwingungen
um die Biegeschwingungsachse ausführen zulassen. Darüberhinaus
kann somit das Meßrohr, beispielsweise zwecks Viskositätsmessung,
im Betrieb Torsionsschwingungen um eine mit der Biegeschwingungsachse
im wesentlichen parallelen, insb. koinzidenten, Torsionsschwingungsachse
ausführen.
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Nach
einer neununddreißigsten Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Meßrohr sich mit im wesentlichen
gleichbleibendem, insb. kreisringförmiger, Querschnitt
zwischen den beiden Kopplungszonen erstreckt.
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Nach
einer vierzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das
Meßrohr im wesentlichen zylindrisch, insb. kreiszylindrisch,
geformt ist.
-
Nach
einer einundvierzigsten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt
der Meßwandler weiters ein mittels Meßrohr, Gegenschwinger,
Schwingungserreger und dem wenigstens einen Schwingungssensor gebildetes
Innenteil des Meßwandlers einhausendes Wandlergehäuse.
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Nach
einer zweiundvierzigsten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das Meßrohr über ein einlaßseitig
einmündendes Einlaßrohrstück und über
ein auslaßseitig einmündendes Auslaßrohrstück
mit der Rohrleitung kommuniziert. Diese Ausgestaltung der Erfindung
weiterbildend umfaßt der Meßwandler weiters ein
am Einlaßrohrstück und am Auslaßrohrstück
fixiertes Wandlergehäuse.
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Die
Erfindung basiert u. a. auf der überraschenden Erkenntnis,
daß das einerseits überwiegend Gleichanteile von
extern auf Meßwandler der in Rede stehenden Art wirkende
Magnetfelder im Sinne der angestrebten Meßgenauigkeit signifikanten
Einfluß auf den Nullpunkt haben, daß aber anderseits weniger
die Bewegung der Spule im Magnetfeld als solches zu entsprechenden
Störungen in den von den Schwingungssensoren gelieferten
Meßsignalen führen, sondern vielmehr die periodische
Variierung des relativen Abstandes zwischen vibrierendem Meßrohr
und Gegenschwinger. Dies wiederum im besonderen deshalb, weil aufgrund
der periodische Variierung des relativen Abstandes letzlich der
magnetische Widerstand des Innenteils und somit die räumliche
Verteilung des Magnetfelds innerhalb des Meßwandlers insgesamt
und damit einhergehend auch die Magnetfelddichte im Bereich der
Schwingungssensoren im Takte der Schwingfrequenzen des Nutzmodes
wiederkehrend verändert werden. Infolge der zeitlichen Änderung
der Magnetfelddichte im Bereich der Schwingungssensoren können
so zum einen entsprechende Spannungen in der Spule wie auch den
angeschlossenen Anschlußleitungen induziert werden, zum
anderen können sich aber auch in großflächigen
Metallteilen entsprechende Wirbelströme ausbilden, die
selbst wiederum Spannungsinduktionen im Schwingungssensor zur Folge
haben können. Als besonders prädestiniert für
Störungen der beschriebenen Art hat sich dabei der bei
solchen Schwingungssensoren üblicherweise verwendet Magnetbecher
herausgestellt.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht u. a. darin, die via Erdmagnetfeld
im Meßwandler bzw. infolge periodischer Veränderungen
von dessen Felddichte im Bereich der Schwingungssensoren erzeugten
Störungen des Nullpunktes dadurch auf einfache Weise wirksam
zu verringern, daß der im Sinne eines stabilen Nullpunkts
als besonders neuralgisch identifizeirte Magnetbecher mittels Schlitzen
geeignet modifiziert wird, und zwar unter möglichst weitgehend
Beibehaltung der in Meßwandlern der in Rede stehenden Art
bereits etablierten Bauformen und Materialien wie auch der ansonsten
guten Eigenschaften hinsichtlich der Führung bzw. Homogenisierung des
den eignetlichen Meßeffekt bewirkenden Magnetfelds des
Dauermagneten innerhalb des Schwingungsensors.
-
Abgesehen
davon, daß der Einfluß des Magnetfelds insgesamt
umso geringer ausfällt, je mehr Schlitze im Magnetbecher
eingebracht sind, hat sich überraschenderweise gezeigt,
daß sich auch bereits bei Verwendung von Schwingungssensoren
mit jeweils einem einzigen entlang der Becherwand verlaufenden Schlitzes
eine signifikante Verbesserung der Nullpunktstabilität
des jeweiligen Meßwandlers erzielen läßt.
Umgekehrt ist der Anzahl und/oder der Größe der
in den Magnetbecher letztlich tatsächlich einformbaren
Schlitze zumindest insoweit eine Grenze gesetzt, als dadurch die
Vibrationsfestigkeit und die Steifigkeit des Magnetbechers herabgesetzt
und damit einhergehend die Neigung zu unerwünschten Eigenvibrationen
des Magnetbechers heraufgesetzt werden. Gleichermaßen ist
die Anzahl der Schlitze auch zwecks ausreichender Homogeniserung
und für die eigentliche Messung geeigneter Führung
des Magnetfelds des Dauermagneten auf eine möglichst geringe
Anzahl sinnvoll zu begrenzen. Eine Abwägung von Aufwand
und Nutzen wird in praxi eher dazu führen, daß etwa
zwei bis vier solcher Schlitze pro Schwingungssensor für
die üblicherweise angestrebten Meßgenauigkeiten
wie auch Sinne möglichst geringer Herstelllungskosten durchaus
zufriedenstellende Ergebnisse liefern werden.
-
Nachfolgend
werden die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen derselben
anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das
in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist; gleiche Teile sind
in den Figuren im übrigen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Falls es der Übersichtlichkeit dienlich ist, wird auf bereits
erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
Im einzelne sind in:
-
1 ein
in eine Rohrleitung einfügbares In-Line-Meßgerät
zum Messen wenigstens eines Parameters eines in der Rohrleitung
geführten Mediums gezeigt,
-
2 ein
Ausführungsbeispiel für einen für das
In-Line-Meßgerät von 1 geeigneten
Meßwandler vom Vibrations-Typ mit einem Meßrohr
und einem Gegenschwinger sowie endseitigen Auslegern in einer perspektivischen
Seitenansicht gezeigt,
-
3 den
Meßwandler von 2 geschnitten in einer Seitenansicht
gezeigt,
-
4 den
Meßwandler von 2 in einem ersten Querschnitt
gezeigt,
-
5 den
Meßwandler von 2 in einem zweiten Querschnitt
gezeigt,
-
6a bis
d schematisch Biegelinien des Meßrohrs und eines Gegenschwingers
in einem lateralen Biegeschwingungsmode oszillierend gezeigt,
-
7a,
b in verschiedenen Ansichten einen Magnetbecher eines Schwingungssensors
für einen Meßwandlers gemäß 2 gezeigt,
und
-
8a,
b in verschiedenen Ansichten einen Magnetbecher eines Schwingungserreger
für einen Meßwandlers gemäß 2 gezeigt.
-
In
der 1 ist ein in eine – hier nicht dargestellte – Rohrleitung
einfügbares, beispielsweise als Coriolis-Massendurchflußmeßgerät,
Dichtemeßgerät, Viskositätsmeßgerät
oder dergleichen ausgebildetes, In-Line-Meßgerät
gezeigt, das dem Messen und/oder Überwachen wenigstens
eines Parameters, beispielsweise einem Massendurchfluß,
einer Dichte, einer Viskosität etc., eines in der Rohrleitung
strömenden Mediums dient. Das In-Line-Meßgerät
umfaßt dafür einen an eine in einem entsprechenden Elektronik-Gehäuse 200 untergebrachte – hier
nicht dargestellte – Betriebs- und Auswerteelektronik des In-Line-Meßgerät
elektrisch angeschlossenen Meßwandler vom Vibrationstyp,
der im Betrieb entsprechend vom zu messenden Medium durchströmt
ist.
-
In
den
2 bis
5 ist exemplarisch anhand eines
Ausführungsbeispiel der prinzipielle Aufbau für
einen solchen Meßwandler vom Vibrationstyp schematisch
in verschiedenen Schnittansichten dargestellt. Darüber
hinaus sind der prinzipielle mechanische Aufbau sowie dessen Wirkungsweise
des exemplarisch gezeigte Meßwandlers mit den denen der in
den
US-A 2007/0119265 ,
US-A 2007/0119264 ,
US-B 66 91 583 ,
der
US-B 68 40 109 gezeigten
Meßwandler vergleichbar.
-
Der
Meßwandler dient dazu, in einem hindurchströmenden
Medium mechanische Reaktionskräfte, z. B. massedurchflußabhängige
Coriolis-Kräfte, dichteabhängige Trägheitskräfte
und/oder viskositätsabhängige Reibungskräfte,
zu erzeugen, die meßbar, insb. sensorisch erfaßbar,
auf den Meßwandler zurückwirken. Abgeleitet von
diesen Reaktionskräften können so in der dem Fachmann
bekannten Weise z. B. ein Massedurchfluß m, eine Dichte ρ und/oder
eine Viskosität η des Mediums gemessen werden.
Zum Führen des Mediums umfaßt Meßwandler
wenigstens ein – im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
einziges, im wesentlichen gerades – Meßrohr 10,
das im Betrieb, beispielsweise in einem natürlichen Biegeschwingungsmode
und/oder in einem natürlichen Torsionsschwingungsmode,
vibrieren gelassen und dabei, um eine statische Ruhelage oszillierend,
wiederholt elastisch verformt wird. Dabei weist der Meßwandler
wenigstens einen ersten natürlichen Schwingungsmode auf,
in dem zumindest das Meßrohr Biegeschwingungen in einer
gedachten Primär-Schwingungsebene XZ ausführen
kann.
-
Zur
Minimierung von auf das Meßrohr 10 wirkenden Störeinflüssen
wie auch zur Reduzierung von seitens des Meßwandlers an
die angeschlossene Rohrleitung abgegebener Schwingungsenergie ist
im Meßwandler des weiteren ein – hier im wesentlichen gerader
und im wesentlichen parallel zum Meßrohr 10 verlaufender – Gegenschwinger 20 vorgesehen. Dieser
ist, wie auch in 2 gezeigt, unter Bildung einer – praktisch
ein Einlaßende des Meßrohrs 10 definierenden – ersten
Kopplungszone 11# einlaßseitig und der unter Bildung
einer – praktisch ein Auslaßende des Meßrohrs 10 definierenden – zweiten
Kopplungszone 12# auslaßseitig jeweils am Meßrohr 10 fixiert.
-
Der
Gegenschwinger 20 kann z. B. rohr – oder kastenförmig
ausgeführt und beispielsweise so am Einlaßende
und am Auslaßende mit dem Meßrohr 10 verbunden
sein, daß er, wie bei derartigen Meßwandlern durchaus üblich,
im wesentlichen koaxial zum – hier im wesentlichen geraden – Meßrohr 10 ausgerichtet
ist und somit das Meßrohr 10 vom Gegenschwinger 20 zumindest
teilweise ummantelt ist. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung
ist der Gegenschwinger hinsichtlich seiner Masse und Biegesteifigkeit
ferner so auf das Meßrohr abgestimmt, daß im Vergleich
zu den Biegeschwingungen des Meßrohrs durchaus nennenswerte
gleichfrequente Biegeschwingungen ausführt und insoweit
im Betrieb auch zumindest zeitweise Biegeschwingungen um die Biegeschwingungsachse
ausführt. Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn der
Gegenschwinger 20 wesentlich schwerer ausgelegt ist als
das Meßrohr 10, so daß er im Vergleich
zum Meßrohr zumindest nominell eine kleinere Eigenfrequenz
aufweist und somit im Betrieb kaum schwingt oder zumindest im Vergleich
zum Meßrohr keine nennenswerten Schwingungen ausführt.
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Zum
Ein- bzw. Ausleiten des zu messenden Mediums in das Meßrohr 10 ist
dieses über ein einlaßseitig im Bereich der ersten
Kopplungszone einmündendes Einlaßrohrstück 11 und über
ein auslaßseitig im Bereich der zweiten Kopplungszone einmündendes,
insb. zum Einlaßrohrstück 11 im wesentlichen identisches,
Auslaßrohrstück 12 entsprechend an die
das Medium zu- bzw. abführende – hier nicht dargestellte – Rohrleitung
angeschlossen. Einlaßrohrstück 11 und
Auslaßrohrstück 12 sind im gezeigten
Ausführungsbeispiel wesentlichen gerade ausgeführt
und zueinander, zum Meßrohr 10 sowie zu einer
die Kopplungszonen praktisch verbindenden imaginären Längsachse
L fluchtend ausgerichtet. In vorteilhafter Weise können
Meßrohr 10, Einlaß- und Auslaßrohrstück 11, 12 einstückig
ausgeführt sein, so daß zu deren Herstellung z.
B. ein einziges rohrförmiges Halbzeug dienen kann. Anstelle
dessen, daß Meßrohr 10, Einlaßrohrstück 11 und
Auslaßrohrstück 12 jeweils durch Segmente
eines einzigen, einstückigen Rohres gebildet sind, können
diese, falls erforderlich aber auch mittels einzelner, nachträglich zusammengefügter,
z. B. zusammengeschweißter, Halbzeuge hergestellt werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Meßrohr
ferner so ausgebildet, daß es sich zwischen den beiden
Kopplungszonen mit im wesentlichen gleichbleibendem, insb. kreisringförmigem,
Querschnitt erstreckt. Im besonderen ist ferner vorgesehen, daß das
Meßrohr 10 im wesentlichen zylindrisch, insb.
kreiszylindrisch, geformt ist.
-
Das
mittels des Meßrohrs 10, des Gegenschwingers 20,
des Einlaßrohrstücks 11 sowie des Auslaßrohrstücks 12 gebildete
Innenteil des Meßwandlers ist, wie aus einer Zusammenschau
von 1 und 2 ersichtlich, ferner in einem
selbiges Innenteil mediumsdicht und weitgehend druckfest umhüllendes
Wandlergehäuse 30 schwingfähig gehaltert,
das am jeweils von den Kopplungszonen entfernten Ende des Ein- und
Auslaßrohrstück 11, 12 entsprechend
fixiert ist. Für den Fall, daß der Meßwandler
lösbaren mit der Rohrleitung zu montieren ist, ist dem
Einlaßrohrstück 11 und dem Auslaßrohrstück 12 jeweils
ein erster bzw. zweiter Flansch 13, 14 entsprechend
angeformt. Die Flansche 13, 14 können
dabei gleichzeitig auch als integraler Bestandteil des Wandlergehäuses 30 ausgebildet
sein. Falls erforderlich können Ein- und Auslaßrohrstück 11, 12 aber
auch direkt mit der Rohrleitung, z. B. mittels Schweißen
oder Hartlötung, verbunden werden.
-
Zum
Erzeugen mechanischer Schwingungen des Meßrohrs 10 – seien
es nun Biegeschwingungen und/oder Torsionsschwingungen – umfaßt der
Meßwandler weiters eine, insb. elektrodynamische, Erregeranordnung 40.
Diese dient dazu, eine mittels der Betriebs- und Auswerte-Elektronik
inform eines entsprechend konditionierten elektrischen Treibersignals,
z. B. mit einem geregelten Strom und/oder einer geregelten Spannung,
eingespeiste elektrische Erregerenergie Eexc in
eine auf das Meßrohr 10, z. B. pulsförmig,
getaktet oder harmonisch, einwirkende und dieses in der vorbeschriebenen Weise
elastisch verformende Erregerkraft Fexc umzuwandeln.
Die Erregerkraft Fexc kann hierbei, wie
in 4 schematisch dargestellt, bidirektional oder aber
auch unidirektional ausgebildet sein und in der dem Fachmann bekannten
Weise z. B. mittels einer Strom- und/oder Spannungs- Regelschaltung,
hinsichtlich ihrer Amplitude und, z. B. mittels einer Phasen-Regelschleife,
hinsichtlich ihrer Frequenz eingestellt werden. Im besonderen ist
die Erregranordnung 40, wie bei derartigen Meßwandlern
durchaus üblich, ferner so ausgebildet und im Meßwandler
angeordnet, daß sie im wesentlichen mittig an das Meßrohr 10 angreift
und/oder zumindest punktuell entlang einer gedachten mittigen Umfangslinie
des Meßrohrs außen an diesem fixiert ist. Als
Erregeranordnung 40 kann z. B. eine einfache differentiell
auf Meßrohr 10 und Gegenschwinger 20 einwirkende,
elektrodynamische Tauchspulenanordnung mit wenigstens einer direkt
oder – wie 2 und 4 gezeigt – mittelbar am
Gegenschwinger 20 befestigten zylindrischen Erregerspule 41a,
die im Betrieb von einem entsprechenden Erregerstrom oder einem
davon abgezweigten Erregerteilstrom durchflossen ist, und mit einem
in die Erregerspule 41a zumindest teilweise eintauchenden
dauermagnetischen Anker 41b, der von außen, insb.
mittig und/oder mittelbar, am Meßrohr 10 fixiert
ist, dienen. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist
die wenigstens eine Erregerspule 41a der Erregeranordnung 40 an
einem – hier mit dem Meßrohr 10 verbundenen – Hebel 41' fixiert
und über diesen und im Zusammenspiel mit dem – hier von
außen am Gegenschwinger 20 fixierten – dauermagnetischen
Anker 41b auf Meßrohr 10 und Gegenschwinger 20 einwirkt.
Die im Ausführungsbeispiel gezeigte Erregeranordnung 40 weist
darüber hinaus drei weitere jeweils differentiell auf Meßrohr 10 und
Gegenschwinger 20 einwirkende Tauchspulenanordnungen 42, 43, 44 der
vorgenannten Art auf. Alternativ zu den vorgenannten elektrodynamischen Tauchspulenanordnungen
kann die Erregeranordnung 40 aber z. B. auch mittels Elektromagneten oder
auch mittels seismischer Erreger realisiert sein. Im übrigen
ist bei Meßwandlern der vorgenannten Art zudem auch möglich,
die jeweilige Spule und/oder den Anker vom Schwingungserreger unter
Verzicht auf einen vermittelnden Hebel beispielsweise direkt am
Meßrohr oder am Gegenschwinger zu befestigen.
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Zum
Erfassen von Schwingungen zumindest des Meßrohrs 10 relativ
zum Gegenschwinger 20 umfaßt der Meßwandler
ferner wenigstens einen, insb. elektrodynamischen und/oder die relativen Schwingungen
von Meßrohr und Gegenschwinger differentiell erfassenden,
Schwingungssensor 51, der im Betrieb zumindest zeitweise
ein Vibrationen des Meßrohrs 10 repräsentierendes
Schwingungsmeßsignal s1 liefert.
Der wenigstens eine Schwingungssensor 51 weist, wie bei
derartigen Meßwandlern durchaus üblich, eine – hier
am Gegenschwinger 20 fixierte – Spule 51a sowie
einen mit dieser magnetisch gekoppelten – hier am Meßrohr 10 befestigten – als Dauermagnet
ausgebildeten Anker 51b auf. Nach einer Ausgestaltung der
Erfindung besteht der Dauermagnet zumindest anteilig, insb. überwiegend,
zumindest anteilig, insb. überwiegend oder vollständig, aus
einer Seltenenerde-Legierung, wie etwa AlNiCo, NyFeB, SmCo oder
dergleichen. Alternativ oder in Ergänzung kann der Dauermagnet
beispielsweise aber auch aus einem Ferrit hergestellt sein.
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Die
Sensorspule 51a ist möglichst nah zu dem – hier
am Gegenschwinger 20 fixierten – dauermagnetischen
Anker 51b angeordnet und mit diesem magnetisch so gekoppelt,
daß in der Sensorspule 51a eine veränderliche
Meßspannung induziert wird, die durch einen relativen Abstand
zwischen Sensorspule und Anker verändernde laterale Relativbewegungen
zwischen Meßrohr 10 und Gegenschwinger 20 und/oder
eine relative Lage der Sensorspule bezüglich des Ankers
verändernde rotatorische Relativbewegungen zwischen Meßrohr 10 und
Gegenschwinger 20 beeinflußt ist. Falls erforderlich
können die Sensorspule 51a dazu aber auch am Gegenschwinger 20 und
in entsprechender Weise der mit dieser gekoppelte Anker 51b am
Meßrohr 10 fixiert sein.
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Der,
insb. länglich und/oder stabförmig ausgebildete,
Dauermagnet 51b wiederum ist – wie in den 7a und 7b schematisch
dargestellt – innerhalb eines zumindest anteilig aus magnetisch
leitfähigem Material bestehenden Magnetbecher 51c plaziert
und daselbst an einem, beispielsweise unmittelbar am Meßrohr 10 befestigten,
Becherboden 51c' gehaltert. Dabei kann es durchaus von
Vorteil sein, den Dauermagnet 51b im wesentlichen in einem Zentrum
des Becherbodens 51c' an diesem zu fixieren. Nach einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Magnetbecher 51c ferner
zumindest anteilig, insb. überwiegend oder vollständig,
aus einem Stahl, wie etwa einem Automatenstahl oder einem Baustahl.
Alternativ oder in Ergänzung kann der Magnetbecher 51c aber
z. B. auch aus einem Ferrit hergestellt sein. Ausgehend vom Becherboden 51c' erstreckt
sich ferner eine, insb. im wesentlichen kreiszylindrisch und/oder
rohrförmig ausgebildete, Becherwand 51c'' des
Magnetbechers 51c. Gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung sind Dauermagnet 51b und Spule 51a des
wenigstes eine Schwingungssensors 51 zueinander im wesentlichen koaxial
verlaufend ausgerichtet. Für den bereits angedeuteten Fall,
daß die Becherwand 51c' des Magnetbechers 51c im
wesentlichen kreiszylindrisch und/oder rohrförmig ausgebildet
ist, ist gemäß einer anderen Weiterbildung der
Erfindung ferner vorgesehen, Dauermagnet 51b und Becherwand 51c'' zueinander
im wesentlichen koaxial verlaufend auszurichten.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung umfaßt der Meßwandler
neben dem wenigstens einen Schwingungssensor 51, wie aus 3 ersichtlich,
zumindest einen weiteren Schwingungssensor 52 der im Betrieb
zumindest zeitweise ein entsprechendes zweites Schwingungssignal
s2 liefert. Zum Detektieren von einlaßseitigen
und auslaßseitigen Schwingungen des Meßrohr 10 ist
der erste der wenigsten zwei Schwingungssensoren 51, 52, – wie
in 2 oder 3 schematisch dargestellt – einlaßseitig
am Meßrohr 10 plaziert, während der zweite der
wenigsten zwei Schwingungssensoren 51, 52, auslaßseitig
am Meßrohr 10 angeordnet ist. Die beide, insb.
einander im wesentlichen baugleich ausgebildeten, Schwingungssensoren 51, 52 sind dabei
in vorteilhafter Weise auf ein und derselben Seite am Meßrohr 10 und
angeordnet und dabei so von jeder der beiden Kopplungszone 11#, 12# beabstandet
im Meßwandler plaziert, daß sie jeweils im wesentlichen den
gleichen Abstand zur Mitte des Meßrohrs 10 und/oder
zur jeweils nächsten der beiden Kopplungszone 11#, 12# aufweisen.
-
Die
Erregeranordnung
40 wie auch der wenigstens eine Schwingungssensor
51 sind
mit der erwähnten Betriebs- und Auswerte-Elektronik des In-Line-Meßgeräts
des weiteren mittels entsprechende Anschlußleitungen elektrisch
verbunden, die wiederum zumindest abschnittsweise innerhalb des Wandlergehäuses
geführt sind, vgl. hierzu im besonderen auch die eingangs
erwähnten eigenen
deutschen
Patentanmeldungen 102006062220.0 ,
102006062219.7 bzw.
102006062185.9 . Die Anschlußleitungen
können dabei zumindest anteilig als elektrische, zumindest
abschnittsweise in von einer elektrischen Isolierung umhüllte
Leitungsdrähte ausgebildet sein, z. B. inform von "Twisted-pair"-Leitungen,
Flachbandkabeln und/oder Koaxialkabeln. Alternativ oder in Ergänzung
dazu können die Anschlußleitungen zumindest abschnittsweise
auch mittels Leiterbahnen einer, insb. flexiblen, gegebenenfalls überlackierten
Leiterplatte gebildet sein.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Meßrohr 10,
Gegenschwinger 20, der wenigstens eine Schwingungssensor 51 bzw.
die Schwingungssensoren sowie die Erregeranordnung 40 hinsichtlich
ihrer Massenverteilung ferner insgesamt so aufeinander abgestimmt,
daß das so gebildete, mittels des Ein- und am Auslaßrohrstücks 11, 12 aufgehängte
Innenteil des Meßwandlers einen Massenschwerpunkt MS aufweist,
der zumindest innerhalb des Meßrohrs 10, bevorzugt
aber möglichst nah an der Meßrohrlängsachse
L liegt. Zudem ist das Innenteil ferner so ausgebildet, daß es
eine mit dem Einlaßrohrstück 11 und dem
Auslaßrohrstück 12 fluchtende und zumindest
abschnittsweise innerhalb des Meßrohrs 10 liegende
erste Trägheitshauptachse T1 aufweist.
Infolge der Positionierung des Massenschwerpunktes MS des Innenteils,
insb. aber auch aufgrund der vorbeschriebenen Lage der ersten Trägheitshauptachse
T1 können die Torsionsschwingungen
und die Biegeschwingungen des Meßrohrs 10 zumindest
im Nutzmode mechanisch voneinander weitestgehend entkoppelt werden.
-
Das
Innenteil Meßwandlers ist gemäß einer anderen
Ausgestaltung der Erfindung derart ausgestaltet, daß eine
erste Trägheitshauptachse T1 davon mit
der oben Längsachse L im wesentlichen koinzidiert. Ferner
ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
das Innenteil des Meßwandlers derart ausgestaltet, daß eine
zweite Trägheitshauptachse T2 davon
im wesentlichen mit der oben erwähnten Mittelachse zusammenfällt.
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Zur
weiteren Verbesserung der Meßgenauigkeit und in Anlehnung
an die in den eingangs erwähnten
US-A 2007/0186685 ,
US-A 2007/0119265 ,
US-A 2007/0119264 ,
US-B 66 91 583 ,
oder
US-B 68 40 109 vorgeschlagenen
Meßwandler umfaßt gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung der erfindungsgemäße
Meßwandler, wie auch aus der Zusammenschau der
2,
3 und
6a ersichtlich,
ferner einen im Bereich der ersten Kopplungszone mit dem Einlaßrohrstück
11 und
dem Meßrohr
10 gekoppelten ersten Ausleger
15,
der einen im Bereich des Einlaßrohrstücks
11 liegenden
Massenschwerpunkt M
15 aufweist, sowie einen
im Bereich der zweiten Kopplungszone mit dem Auslaßrohrstück
12 und
dem Meßrohr
10 gekoppelten zweiten Ausleger
16,
der einen im Bereich des Auslaßrohrstücks
12 liegenden Massenschwerpunkt
M
16 aufweist. Anders gesagt, sind die beiden,
insb. im wesentlichen baugleichen, ggf. sogar einander identischen,
Ausleger
15,
16 so im Meßwandler angeordnet,
daß der jeweilige Masseschwerpunkt M
15,
M
16 vom Meßrohr
10, insb.
in dessen Flucht liegend, beabstandet ist. Die beiden Ausleger
15,
16 sind
also insoweit exzentrisch am Ein- bzw. Auslaßrohrstück
und entsprechend exzentrisch auch an Meßrohr
10 und
Gegenschwinger
20 gehaltert. Die Wirkungsweise des so gebildeten
Innenteils entspricht dabei der in den erwähnten
US-A 2007/0186685 ,
US-A 2007/0119265 ,
US-A 2007/0119264 ,
US-B 66 91 583 ,
oder
US-B 68 40 109 gezeigten
Innenteile. Um eine möglichst einfache, kostengünstige
Fertigung der Ausleger wie schließlich des Meßwandlers
zu ermöglichen, kann jeder der beiden Ausleger
15,
16 beispielsweise
im wesentlichen röhrenförmig oder hülsenförmig
ausgebildet sein, so daß er praktisch mittels einer auf
den Gegenschwinger
20 aufgeschobenen, insb. metallische,
Hülse gebildet werden kann, insb. auch dann, wenn der Gegenschwinger
20 bereits
mit dem Meßrohr
10 verbunden worden ist. Gemäß einer
Weiterbildung dessen weist jeder der dabei den jeweiligen Ausleger
15,
16 bildenden
Hülsen jeweils wenigstens eine Ringnut auf, vgl. auch hiefür
die erwähnten
US-A
2007/0186685 ,
US-A
2007/0119264 oder
US-A 2007/0119265 .
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Zur
Herstellung von Ein- und Auslaßrohrstück sowie
dem Meßrohr kann im übrigen praktisch jedes der
für solche Meßwandler üblichen Materialien,
wie z. B. rostfreier und/oder austenitischer Stahl, Titan, Tantal,
Zirkonium oder aber auch Nickellegierungen, wie etwa Hastelloy,
verwendet werden. Beispielsweise hat sich besonders die Verwendung
von Titan, Tantal, Zirkonium oder auch rostfreier Stahl, wie etwa
316 L, 318 L, für das Meßrohr 10 sowie
das Einlaßrohrstück 11 und das Auslaßrohrstück 12 als besonders
geeignet gezeigt, während – beispielsweise aus
Gründen der Kostenersparnis – sowohl für den
Gegenschwinger 20 sowie die gegebenenfalls vorgesehenen
Ausleger 15, 16 als auch für das Wandlergehäuse 30 die
Verwendung von kostengünstigem, dann allerdings aber zumeist
auch magnetisch gut leitfähigem Schwarzstahl durchaus von Vorteil
sein kann. Dementsprechend ist das Meßrohr 10 nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ferner so ausgebildet,
daß es zumindest anteilig, insb. überwiegend oder
vollständig, aus einem Material besteht – beispielsweise
einem der vorgenannten üblichen Meßrohrmaterialien –,
das eine geringere magnetische Leitfähigkeit aufweist,
als ein Material, aus dem der Gegenschwinger zumindest überwiegend
oder auch gänzlich besteht. Im besonderen ist ferner vorgesehen,
das der Gegenschwinger 20 zumindest anteilig, insb. überwiegend
oder vollständig, aus einem magnetisch leitfähigem
Material besteht. Vorzugsweise ist der Gegenschwinger dabei zumindest
anteilig, insb. überwiegend oder vollständig,
aus einem magnetisch leitfähigem Material hergestellt, das
eine relative Permeabilität von zumindest 10, insb. mehr
als 100, aufweist, wie etwa einem Automatenstahl oder einem Baustahl.
Solche Stähle sind dem Fachmann beispielsweise auch unter
der Bezeichnung St37, St38 oder St53 bekannt.
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Im
Betrieb des Meßwandlers wird das Meßrohr 10 mittels
der dafür im Betrieb von einem elektrischen Treibersignal
gespeisten Erregeranordnung 40 – wie bereits mehrfach
erwähnt – zumindest zeitweise zu lateralen Biegeschwingungen
in der gedachten Primär-Schwingungsebene XZ, insb. im Bereich
einer natürlichen Resonanzfrequenz eines entsprechenden
natürlichen Schwingungsmodes, so angeregt, daß es
sich in diesem sogenannten Nutzmode zumindest anteilig, insb. überwiegend,
gemäß einer natürlichen ersten Eigenschwingungsform
ausbiegt. Die Biegeschwingungen im Nutzmode sind dabei im wesentlichen
transversal zu einer mit der Längsachse L im wesentlichen
parallelen, insb. koinzidierenden, Biegeschwingungsachse ausgerichtet, die
die beiden Kopplungszonen 11#, 12# imaginär miteinander
verbindet. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei ferner
vorgesehen, daß das Meßrohr im Betrieb mittels
der Erregeranordnung zumindest zeitweise derart angeregt ist, daß es überwiegend
oder ausschließlich in der gedachten Primär-Schwingungsebene
oszilliert.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wird das Meßrohr
10 mittels
der entsprechend gespeisten Erregeranordnung
40 dabei mit
einer Schwingungsfrequenz, f
exc, angeregt,
die möglichst genau einer natürlichen Resonanzfrequenz
des sogenannten f1-Eigenmodes des Meßrohrs
10 entspricht,
also einem symmetrischen Eigenmode bei dem, wie in
6b bis
6d schematisch
dargestellt, das vibrierende, jedoch nicht vom Medium durchströmte
Meßrohr
10 bezüglich einer zur Längsachse
L senkrechten Mittelachse im wesentlichen symmetrisch ausgebogen
wird und dabei im wesentlichen einen einzigen Schwingungsbauch aufweist, vgl.
hierzu beispielsweise auch eingangs erwähnten
US-A 2007/0119265 ,
US-A 2007/0119264 ,
US-B 66 91 583 ,
oder
US-B 68 40 109 .
Gleichermaßen wird auch der Gegenschwinger
20,
wie in
5b schematisch dargestellt,
im Betrieb des Meßwandlers ebenfalls zu Biegeschwingungen
angeregt, die im wesentlichen koplanar, jedoch im wesentlichen gegenphasig zu
den Biegeschwingungen des Meßrohrs
10 ausgebildet
sind. Somit oszillieren Meßrohr
10 und Gegenschwinger
20 im
Betrieb also zumindest zeitweise und/oder anteilig lateral in einem
Nutzmode, in dem sie gemeinsam im wesentlichen koplanare Biegeschwingungen
in der gedachten Primär-Schwingungsebene XZ ausführen.
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Für
den Fall, daß das Medium in der Rohrleitung strömt
und somit der Massedurchfluß m von Null verschieden ist,
werden mittels des in vorgenannter Weise vibrierenden Meßrohrs 10 im
hindurchströmenden Medium Corioliskräfte induziert.
Diese wiederum wirken auf das Meßrohr 10 zurück
und bewirken so eine zusätzliche, sensorisch erfaßbare – hier jedoch
nicht dargestellte – Verformung des Meßrohrs 10 gemäß einer
natürlichen zweiten Eigenschwingungsform, die dem angeregten
Nutzmode im wesentlich koplanar überlagert ist. Folglich
schwingt das Meßrohr auch im Coriolis-Mode im wesentlichen
entlang der gedachten Primär-Schwingungsebene XZ. Die momentane
Ausprägung der Verformung des Meßrohrs 10 ist
dabei, insb. hinsichtlich ihrer Amplituden, auch vom momentanen
Massedurchfluß m abhängig. Als zweite Eigenschwingungsform,
dem sogenannten Coriolismode, kann, wie bei derartigen Meßwandlern üblich,
z. B. die Eigenschwingungsform des antisymmetrischen f2-Eigenmodes,
also jene mit zwei Schwingungsbäuchen und/oder die Eigenschwingungsform
des anti-symmetrischen f4-Eigenmodes mit vier Schwingungsbäuchen
dienen. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
sind ferner Meßrohr 10 und Gegenschwinger 20 so
dimensioniert, daß das leere Meßrohr 10 eine
niedrigste natürliche Eigenfrequenz, f10,
aufweist, die größer oder etwa gleich einer niedrigsten
natürlichen Eigenfrequenz, f20,
des Gegenschwingers 20 ist. Im besonderen sind Meßrohr 10 und
Gegenschwinger 20 dabei so dimensioniert, daß das
mit Wasser befüllte Meßrohr 10 eine niedrigste
natürliche Eigenfrequenz, f10, H2O,
aufweist, die mindestens gleich einer niedrigsten natürlichen
Eigenfrequenz, f20, des Gegenschwingers 20 ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
ist ferner vorgesehen, Meßrohr 10 und Gegenschwinger 20 hinsichtlich
ihrer Schwingungseigenschaften so aufeinander abzustimmen, daß eine niedrigste
natürliche Eigenfrequenz, f10, H2O Meßrohrs 10 auch
dann mindestens einem 1,1-fachen einer niedrigsten natürlichen
Eigenfrequenz, f20, des Gegenschwingers 20 entspricht,
wenn es vollständig mit Wasser befüllt ist. Bei
einem Meßrohr aus Titan mit einer Nennweite DN von etwa
55 mm, einer Länge, L10, von etwa
570 mm und einer Wandstärke von etwa 2,5 mm würde
eine natürliche Resonanzfrequenz, f10,
Luft, ruft, des f1-Eigenmodes des leeren Meßrohrs
etwa bei 550 Hz liegen, während eine natürliche
Resonanzfrequenz, f10, H2O, des f1-Eigenmodes
des mit Wasser befüllten Meßrohrs etwa 450 Hz betragen
würde.
-
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung, führt das Meßrohr
10 ferner,
insb. auch in Anlehnung an den in der
US-B 68 40 109 gezeigten Meßwandler, im
Betrieb zumindest zeitweise, insb. zeitgleich zu den vorgenannten Biegeschwingungen,
Torsionsschwingungen um eine mit der Längsachse L bzw. der
vorgenannten Biegeschwingungsachse im wesentlichen parallelen Torsionsschwingungsachse aus.
Torsionsschwingungsachse, Biegeschwingungsachse wie auch die Längsachse
L können, wie bei derartigen Meßwandlern durchaus üblich,
im wesentlichen koinzident sein. Für das oben beschriebene
Meßrohr
10 würde sich beispielsweise
eine niedrigste natürliche Resonanzfrequenz für
die Torsionsschwingungen im Bereich von etwa 750 Hz ergeben.
-
Wie
bereits erwähnt, besteht bei Meßwandlern der vorgenannten
Art, insb. bei solchen mit einem nichtmagnetischen Meßrohr
und einem im Vergleich dazu eher magnetischen Gegenschwinger ein besonderes
Problem darin, daß der gleichermaßen magnetische
Anker und/oder Magnetbecher die Felddichte von allfällig
in den Meßwandler von extern eingekoppelte und diesen im
Bereich der Schwingungssensoren querende Magnetfelder B, wie etwa das
Erdmagnetfeld, zeitlich variiert, wodurch Störspannungen
induziert und dem eigentlichen Schwingungsmeßsignal überlagert
werden können. Zur Verminderung solcher Störungen
ist beim erfindungsgemäßen Meßwandler
daher ferner vorgesehen, in die sich vom Becherboden 51c' aus – im
wesentlichen in Richtung der koplanaren Schwingungen von Meßrohr 10 und
Gegenschwinger 20 – erstreckende –, beispielsweise
im wesentlichen kreiszylindrisch und/oder rohrförmig ausgebildete,
Becherwand 51c'' des Magnetbechers wenigstens einen Schlitz 511c'' einzuformen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Schlitz 511c'' im
Magnetbecher 51c zumindest abschnittsweise, insb. überwiegend
oder vollständig, im wesentlichen gerade ausgebildet und/oder
so geformt, daß er sich innerhalb der Becherwand 51c'' zumindest
abschnittsweise im wesentlichen in Richtung lateraler, z. B. auch
koplanarer, Biegeschwingungen von Meßrohr 10 und
Gegenschwinger 20, insb. in der gedachten Primär-Schwingungsebene
XZ, erstreckt. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann der
wenigstens eine Schlitz 511c'' innerhalb der Becherwand 51c'' aber auch
zumindest abschnittsweise schräg und/oder helixförmig
verlaufen. Unbeachtlich der tatsächlichen Form und/oder
Länge des wenigstens einen Schlitzes 511c'' innerhalb
der Becherwand 51c'' kann grundsätzlich davon
ausgegangen werden, daß es hinsichtlich der Steifigkeit
des Magnetbechers insgesamt von Vorteil ist den Schlitz möglichst
schmal auszubilden. Dies umso mehr, als die Breite des Schlitzes 511c'' tatsächlich
nur geringen Einfluß auf die angestrebte Wirksamkeit der
Störungsunterdrückung nimmt. Dem Rechnung tragend
ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der wenigstens
eine Schlitz 511c'' so geformt, daß er einen größte
Breite aufweist die kleiner als 1 mm ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Dauermagnet 51b und
der wenigstens eine innerhalb der Becherwand verlaufende Schlitz 511c'' so
geformt und relativ zueinander ausgerichtet, daß beide
zumindest abschnittsweise, insb. überwiegend oder gänzlich,
zueinander im wesentlichen parallel verlaufen.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine
innerhalb der Becherwand 51c'' verlaufende Schlitz 511c'' so
geformt, daß er sich bis zu einem – hier im wesentlich
dem Gegenschwinger 20 zugewandten – freien Rand 51c''' des Magnetbechers 51c erstreckt.
Hierbei kann es zudem von besonderem Vorteil sein, den wenigstens
einen Schlitz 511c'' des weiteren so auszubilden, daß er,
ausgehend von nämlichen Rand des Magnetbechers 51c,
sich entlang der Becherwand 51c'' zumindest bis hin zum
Becherboden 51c' erstreckt.
-
Alternativ
oder in Ergänzung zu den vorgenannten Ausgestaltungen ist
gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, daß – wie in den 7b auch
der Becherboden 51c' geschlitzt ist. Im besonderen ist
dabei der wenigstens eine innerhalb der Becherwand 511c'' verlaufende
Schlitz 511c'' in der Weise verlängert, daß er
sich zumindest bis zum Becherboden 51c' erstreckt, oder
daß er sich gegebenenfalls zumindest abschnittsweise auch
entlang des Becherbodens 51c' erstreckt, beispielsweise
wie in 7b schematisch dargestellt,
in Richtung eines Radius des Becherbodens 51c'. Zudem kann die
Wirkung des wenigstens einen in den Becherboden eingeformten Schlitzes
dadurch weiter verbessert werden, daß dieser, wie in 7b schematisch dargestellt,
abschnittsweise aufgeweitet ist, beispielsweise inform einer entsprechenden
Bohrung im Becherboden.
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Obwohl
bereits jeweils mittels einem einzigen entlang der Becherwand 51c'' verlaufenden Schlitzes
eine signifikante Verbesserung der Nullpunktstabilität
des jeweiligen Meßwandlers erzielt werden kann, konnte,
wie bereits erwähnt, festegestellt werden, daß der
Einfluß von extern eingekoppelten, die Messung störender
Magnetfelder B insgesamt umso geringer ausfällt, je mehr
Schlitze im Magnetbecher eingebracht sind. Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist zur weiteren Verbesserung der Störungsunterdrückung
daher ferner vorgesehen, daß der Magnetbecher nicht nur
einen einzigen Schlitz, sondern, wie auch in den 7a und 7b schematisch
dargestellt, wenigstens zwei oder mehr solcher, beispielsweise zumindest
innerhalb der Becherwand zueinander im wesentlichen parallel verlaufende
und/oder im wesentlichen uniforme, Schlitze 511c'', 512c'', 513c'', 514c'' aufweist.
Wie zuvor am Beispiel eines Schlitzes erläutert, können
auch bei einer Vielzahl von Schlitzen im Magnetbecher 51c des
Schwingungssensors 51 zwei oder mehrere solcher Schlitze
innerhalb des Becherbodens 51c' eingeformt, beispielsweise
wiederum im wesentlichen radial verlaufend, und/oder im wesentlichen uniform
ausgebildet sein. Es sei an dieser Stelle allerdings ferner darauf
hingewiesen, daß die Anzahl der verwendeten Schlitze zumindest
hinsichtlich einer nach wie vor ausreichenden Homogeniserung und geeigneter
Führung des für die eigentliche Schwingungsmessung
erforderlichen Magnetfelds des Dauermagneten wiederum sinnvoll zu
begrenzen ist. Zur Erhöhung der Vibrationsfestigkeit und
der Steifigkeit des ein- oder mehrfach geschlitzten Magnetbechers und
damit einhergehend zur Vermeidung unerwünschter Eigenvibrationen
desselben kann es zudem von Vorteil sein, den Magnetbecher oder
zumindest geschlitze Abschnitte davon ganz oder teilweise in elektrisch
nicht leitfähige Keramik und/oder elektrisch nicht leitfähigen
Kunststoff, wie etwa einem Epoxidharz, einzubetten und/oder die
Schlitze zumindest teilweise damit auszufüllen.
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Alternativ
oder in Ergänzung zur vorgenannten Mehrfachschlitzung des
Magnetbechers kann eine weitere Verbesserung der Störungsunterdrückung
auch dadurch erzielt werden, daß, wie auch in der 7a angedeutet,
zusätzlich zum Magnetbecher 51c auch der Dauermagnet 51b zumindest
abschnittsweise geschlitzt ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung weist zusätzlich zum Magnetbecher auch der
Dauermagnet 51b wenigstens einen, insb. sich zumindest
abschnittsweise in Richtung der im wesentlichen koplanaren Schwingungen von
Meßrohr 10 und Gegenschwinger 20 erstreckenden,
Schlitz 511b auf. Dieser Schlitz 511b kann beispielsweise
so ausgebildet sein, daß er sich bis zu einem nicht mit
dem Meßrohr 10 verbundenen freien Ende bzw. Rand 51b'''' des
Dauermagneten 51b erstreckt. Alternativ oder in Ergänzung
dazu kann der Dauermagnet 51b des weiteren auch wenigstens zwei,
insb. mehre und/oder zueinander im wesentlichen parallel verlaufende
und/oder im wesentlichen uniforme, Schlitze 511b, 512b aufweisen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, den wenigstens
einen Schwingungserreger 41 und den wenigstens einen Schwingungssensor 51 nach
dem gleichen Wirkprinzip aufzubauen, insb. im wesentlichen einander
baugleich auszubilden. Dementsprechend weist gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung ferner auch der wenigstens eine Schwingungserreger 41 weiters einen
zumindest anteilig aus magnetisch leitfähigem Material
bestehenden Magnetbecher 41c mit einem, beispielsweise
am Meßrohr 10 oder – wie aus der Zusammenschau
von 4, 8a und 8b ohne weiteres
ersichtlich – am Gegenschwinger 20 befestigten,
Becherboden 41c' auf, an dem der mit der Spule 41a magnetisch
gekoppelte Dauermagnet 41b gehaltert ist. Alternativ dazu
können aber auch, wie bereits erwähnt, die Spule 41a am
Gegenschwinger 20 und Magnetbecher 41c mit darin
plaziertem Dauermagnet 41b dementsprechend am Meßrohr
fixiert sein, so daß dann also die wenigstens eine Spule 41a der
Erregeranordnung 40 mit dem Gegenschwinger 20 mechanisch
verbunden, insb. starr gekoppelt, ist. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zudem vorgesehen, daß auch
eine, insb. im wesentlichen kreiszylindrisch und/oder rohrförmig
ausgebildete, sich vom Becherboden 41c' des Magnetbechers 41c wenigstens
einen Schwingungserregers 41 aus, in Richtung des Gegenschwingers bzw.
in Richtung des Meßrohrs, erstreckende Becherwand 41c'' des
Magnetbechers 41c wenigstens einen, insb. sich zumindest
abschnittsweise in Richtung der Schwingungen von Meßrohr 20 und
Gegenschwinger 20 und/oder zu einem freien Rand 41c''' des
Magnetbechers 41c erstreckenden, Schlitz 411c'' aufweist.
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Wie
sich aus den vorangegangenen Erläuterungen unschwer erkennen
läßt, zeichnet sich der erfindungsgemäße
Meßwandler u. a. auch dadurch aus, daß im Vergleich
zu konventionellen Meßwandlern der in Rede stehenden Art
aus konstruktiver bzw. fertigungstechnischer Sicht lediglich geringfügige, einfach
realisierbare Modifikationen am Schwingungssensor bzw. an den herkömmlicherweise
dafür bereits verwendeten Magnetbechern erforderlich sind,
um Schwingungsmeßsignale der vorbeschriebenen Art auf sehr
effektive Weise frei von infolge externer Magnetfelder B induzierten
Störungen zu halten, insb. auch bei ansonsten konventionellem
Aufbau des Meßwandlers und/oder konventioneller Verdrahtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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