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Die
Erfindung betrifft einen Coriolis Massendurchflussmessaufnehmer.
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Coriolis
Durchflussmessgeräte werden in der industriellen Messtechnik
zur Messung von Massendurchflüssen eingesetzt.
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Hierzu
weisen Coriolis Massendurchflussmessgeräte Messaufnehmer
mit mindestens einem Messrohr auf, das im Messbetrieb in ein bestehendes Rohrleitungssystem
eingesetzt ist. Die Messrohre werden im Messbetrieb von einem Medium
durchströmt, dessen Durchfluss zu messen ist.
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Das
Coriolis Messprinzip basiert auf einer kontrollierten Erzeugung
von Corioliskräften. Corioliskräfte treten auf,
wenn sich gleichzeitig translatorische und rotatorische Bewegungen überlagern.
Hierzu werden die vom Medium durchströmten Messrohre in
Schwingungen versetzt.
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Es
sind heute verschiedene Coriolis Massendurchflussmessaufnehmer auf
dem Markt, die sich insb. durch die Anzahl und die Form der eingesetzten
Messrohre unterscheiden. Die wichtigsten Bauformen sind Messaufnehmer
mit einem geraden Messrohr (
EP-A
1 298 421 ), mit zwei parallelen geraden Messrohren (
US-A 4,793,191 )
und Messaufnehmer mit zwei parallelen gebogenen Messrohren (
EP-B1 154 243 ).
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Die
Schwingung der Messrohre wird durch das hindurchströmende
Medium beeinflusst. Die Größe der hierdurch entstehenden
Corioliskraft ist abhängig von der im jeweiligen Messrohr
bewegten Masse und deren Geschwindigkeit und somit vom Massendurchfluss.
Messrohr und Medium bilden zusammen ein schwingungsfähiges
System, das in der Regel auf seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die
resultierende Schwingungsbewegung jedes Messrohrs wird üblicherweise
durch einen einlassseitig am jeweiligen Messrohr angeordneten ersten Schwingungssensor
und einen auslassseitig am jeweiligen Messrohr angeordneten zweiten
Schwingungssensor erfasst, deren Sensorsignale mittels einer Messaufnehmerelektronik
aufgenommen und verarbeitet werden. Anhand der aufbereiteten Sensorsignale
wird der Massendurchfluss bestimmt. Die Sensorsignale weisen eine
Frequenz auf, die gleich einer Frequenz der Schwingung des Messrohres
ist. Das einlassseitig abgenommene Messsignal weist gegenüber
dem auslassseitig abgenommenen Messsignal eine vom Massendurchfluss
durch das Messrohr abhängige Phasenverschiebung auf. Der
Grund hierfür sind die auftretenden Corioliskräfte,
die bewirken, dass die Rohrschwingung abhängig vom Massendurchfluss
einlassseitig verzögert und auslassseitig beschleunigt
wird.
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Herkömmliche
Coriolis Massendurchflussmessaufnehmer weisen zur Erfassung der
Messrohrschwingungen typischer Weise elektromagnetische Wandler
auf, bei denen ein am jeweiligen Messrohr befestigter Permanentmagnet
durch die Messrohrschwingung relativ zu einer am Messaufnehmergehäuse
oder an einem zweiten Messrohr befestigten Spule bewegt wird. Diese
Relativbewegung führt zu einer Induktionsspannung in der
Spule, die als analoges Sensorsignal abgegriffen wird.
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Es
gibt jedoch bereits einige Coriolis Massendurchflussmessaufnehmer,
die mit optischen Sensoren ausgestattet sind. Diese bieten den Vorteil, dass
sie berührungslos arbeiten und daher in der Regel entsprechend
unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen insb. von metallischen
Kleinteilen sind.
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Ein
Beispiel hierzu ist in der
US-B1 6,722,209 beschrieben.
Dort wird die Bewegung eines im Messbetrieb von einem Medium durchströmten
Messrohres optisch mittels eines Fabry Perot Interferometers erfasst.
Dabei wird von einer Lichtquelle bereitgestelltes Licht mit Hilfe
von Spiegeln zur Interferenz gebracht, wobei mindestens ein Spiegel seine
Position abhängig von der Messrohrschwingung verändert.
Derartige optische Sensoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass
die Messgenauigkeit in hohem Maß von der Anordnung und
Ausrichtung der Spiegel abhängig ist. Bereits geringste
Abweichungen, wie sie z. B. durch Fertigungstoleranzen entstehen
können führen zu einer deutlichen Verschlechterung
der Messgenauigkeit.
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In
der
US-B2 7,117,751 ist
ein weiterer Coriolis Massendurchflussmessaufnehmer mit optischen Sensoren
beschrieben. Dort wird die Bewegung des vom Medium durchströmten
Messrohres optisch anhand von zwei Lichtschranken erfasst. Die Lichtschranken
sind dabei derart angeordnet, dass das Messrohr aufgrund von dessen
Schwingung den Lichtpfad der Lichtschranken durchquert.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung einen Coriolis Massendurchflussmesser
mit optischen Sensoren anzugeben.
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Hierzu
besteht die Erfindung in einem Coriolis Massendurchflussmesser mit
mindestens einem Messrohr, das im Messbetrieb zu Schwingungen angeregt
wird, während ein Medium, dessen Massendurchfluss zu messen
ist, das Messrohr durchströmt, bei dem
- – für
mindestens ein Messrohr ein einlassseitig am jeweiligen Messrohr
angeordneter erster Sensor und ein auslassseitig am jeweiligen Messrohr angeordneter
zweiter Sensor zur Erfassung einer vom Massendurchfluss abhängigen
Schwingung des jeweiligen Messrohrs vorgesehen ist,
- – wobei jeder erste und jeder zweite Sensor
- – ein mit dem Messrohr verbundenes Muster aufweist,
- – eine auf das Muster ausgerichtet Lichtquelle aufweist,
die im Messbetrieb Licht auf das Muster strahlt, und
- – einen Detektor aufweist, der vom Muster in Richtung
des Detektors abgestrahltes Licht empfängt und in ein Ausgangssignal
umwandelt, dass einen zeitlichen Verlauf einer Intensität
des empfangenen Lichtes wiedergibt, und bei dem
- – jedes Muster im Messbetrieb aufgrund der Schwingung
des jeweiligen Messrohres relativ zu dem zugehörigen Detektor
bewegt wird, und
- – jedes Muster Bereiche mit unterschiedlichen optischen
Eigenschaften aufweist, die derart angeordnet sind, dass der zeitliche
Verlauf der Intensität des in Richtung des zugehörigen
Detektors abgestrahlten Lichtes die Schwingung des jeweiligen Messrohrs
im Bereich des jeweiligen Sensors wiedergibt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die optische Eigenschaft, durch die sich die Bereiche
voneinander unterscheiden deren Absorptions-, Reflexions- oder Streuungsvermögen.
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Gemäß einer
Weiterbildung weist das Muster auf einer homogenen Oberfläche
aufgebrachte punkt- oder streifenförmige Bereiche auf,
deren Absorptions-, Reflexions- oder Streuungsvermögen
von dem Absorptions-, Reflexions- oder Streuungsvermögen
der homogenen Oberfläche verschieden ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind die Lichtquellen inkohärente Lichtquellen,
insb. Leuchtdioden, und die Detektoren sind Fotodioden.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist zwischen dem Muster und dem Detektor eine Abbildungsoptik, insb.
eine Linse, in den Lichtpfad eingesetzt, die das reflektierte Licht
bündelt, und dem Detektor unmittelbar oder über
einen Lichtleiter, insb. über ein Glasfaserkabel, zuführt.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist ein einziger Lichtleiter vorgesehen, über
den im Messbetrieb, das Licht der Lichtquelle in Richtung des Musters
abgestrahlt wird, und über den das vom Muster in Richtung
des Detektors abgestrahlte Licht empfangen und dem Detektor zugeführt
wird.
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Gemäß einer
Variante der Erfindung wird das Muster durch ein auf dem Messrohr
montiertes Beugungsgitter erzeugt.
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Gemäß einer
anderen Variante umfasst das Muster ein mit dem Messrohr verbundenes
erstes Liniengitter, dem ein zweites in einen Lichtpfad zwischen
dem ersten Liniengitter und dem Detektor fest eingesetztes zweites
Liniengitter optisch überlagert ist, wobei die Liniengitter
derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie von der durch die
Messrohrschwingung bedingten relativen Lage des ersten Liniengitters
zu dem zweiten Liniengitter abhängige Moire Strukturen
bilden.
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Gemäß einer
anderen Variante weisen die Muster eine auf dem jeweiligen Messrohr
befindliche Grundfläche mit hohem Reflexionsvermögen
auf, auf der Absorberflächen mit geringem Reflexionsvermögen
in Form eines Strichcodes aufgebracht sind, oder sie weisen eine
auf dem jeweiligen Messrohr befindliche Grundfläche mit
geringem Reflexionsvermögen auf, auf der Reflektorflächen
mit hohem Reflexionsvermögen in Form eines Strichcodes
aufgebracht sind.
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Gemäß einer
Weiterbildung besteht der Strichcode aus streifenförmigen
Bereichen, die senkrecht zu einer Achse verlaufen entlang derer
die Auslenkung des jeweiligen Messrohres erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung weist der Strichcode äquidistant
parallel zueinander angeordnete strichförmige Absorberflächen
auf, und zwischen zwei benachbarten Absorberflächen besteht jeweils
ein Abstand, dessen Breite gleich der Breite der strichförmigen
Absorberflächen ist.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung ist ein einziges Messrohr vorgesehen, das im
Messbetrieb mittels eines Schwingungserregers in Schwingung versetzt
wird. Dabei sind der erste und der zweite Sensor derart angeordnet,
dass das Licht der Lichtquellen im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene
des Messrohrs auf das Muster des jeweiligen Sensors trifft.
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Gemäß einer
Weiterbildung der ersten Ausgestaltung ist eine Signalverarbeitung
vorgesehen, die anhand der Ausgangssignale des Detektors des ersten
Sensors und des Detektors des zweiten Sensors eine vom Massendurchfluss
abhängige Phasenverschiebung oder eine vom Massendurchfluss
abhängige Zeitverschiebung zwischen den beiden Ausgangssignalen
bestimmt.
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Weiter
umfasst die Erfindung eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Coriolis-Massendurchflussmessaufnehmer, bei dem
- – zwei
parallel zueinander verlaufende Messrohre vorgesehen sind,
- – mindestens ein Schwingungserreger vorgesehen ist,
der dazu dient, die beiden Messrohre im Messbetrieb in gegenphasige
Schwingungen zu versetzen, und
- – an einem oder an beiden Messrohren jeweils ein erster
und ein zweiter Sensor derart angeordnet sind, dass das Licht der
Lichtquellen der jeweiligen Sensoren im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsebene
des jeweiligen Messrohrs auf das Muster des jeweiligen Sensors trifft.
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Gemäß einer
Weiterbildung der zweiten Ausgestaltung ist eine Signalverarbeitung
vorgesehen, die anhand der Ausgangssignale des Detektors eines ersten
Sensors und des Detektors des dem selben Messrohr zugeordneten zweiten
Sensors eine vom Massendurchfluss abhängige Phasenverschiebung
oder eine vom Massendurchfluss abhängige Zeitverschiebung
zwischen den beiden Ausgangssignalen bestimmt.
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Gemäß einer
Weiterbildung umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen
Coriolis-Massendurchflussmessaufnehmer, bei dem
- – die
Lichtquelle eine Lichtquelle, insb. eine gepulste Lichtquelle, ist,
die zeitabhängige Lichtsignale zeitgleich auf das Muster
des einlassseitig am jeweiligen Messrohr angeordneten ersten Sensors
und das Muster des zugeordneten auslassseitig am jeweiligen Messrohr angeordneten zweiten
Sensors strahlt,
- – eine Signalverarbeitung vorgesehen ist, die die zugehörigen
Ausgangssignale der Sensoren anhand des durch das zeitgleiche Ausstrahlen
der zeitabhängigen Lichtsignale auf die Muster gegebenen
zeitlichen Bezugs zwischen den jeweiligen Ausgangssignalen synchronisiert,
und
- – der Massendurchfluss anhand der synchronisierten
Ausgangssignale bestimmt wird.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass optische Sensoren berührungslos
arbeiten. Es ist hierfür keine Verbindung zwischen dem
Messrohr und dem Messaufnehmergehäuse erforderlich. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass optische Sensoren unempfindlicher gegenüber
Verschmutzungen insb. von metallischen Kleinteilen sind.
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Die
Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der
Zeichnung, in denen sieben Ausführungsbeispiele dargestellt
sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den
Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen Messaufnehmer eines Coriolis Massendurchflussmessers mit
einem einzigen geraden Messrohr;
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2 zeigt
einen Schnitt durch den in 1 dargestellten
Messaufnehmer wobei die Schnittebene senkrecht zu der Schnittebene
der in 1 gewählten Darstellung verläuft;
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3 zeigt
exemplarisch eine Ansicht eines optischen Sensors zusammen mit dem
zughörigen Abschnitt des Messrohrs, dessen Schwingung mit dem
Sensor erfasst wird;
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4 zeigt
eine Prinzipskizze des Aufbaus des in 3 dargestellten optischen
Sensors mit einem unmittelbar auf dem Messrohr angeordneten Muster;
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5 zeigt
eine Prinzipskizze einer Variante, bei der für die Abstrahlung
des Lichts auf das Muster und den Empfang des am Muster reflektierten
Lichtes ein einziger Lichtleiter vorgesehen ist;
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5a zeigt
eine Prinzipskizze einer Variante, bei der das Muster durch eine
unmittelbar auf dem Messrohr befindliche reflektierende Oberfläche
gebildet ist, und der Lichtleiter in der dargestellten Momentaufnahme
der Schwingung einen äußeren Ausschnitt des Messrohrs
ausleuchtet;
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5b zeigt
die Variante von 5a, bei der der Lichtleiter
in der dargestellten Momentaufnahme der Schwingung einen näher
an der Messrohrmitte liegenden Ausschnitt ausleuchtet;
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5c zeigt
die Variante von 5a, bei der Lichtleiter in der
dargestellten Momentaufnahme der Schwingung einen im Bereich der
Messrohrmitte liegenden Ausschnitt ausleuchtet;
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6a zeigt
eine Variante, bei der das Muster durch ein am Messrohr montiertes
Beugungsgitter gebildet ist;
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6b zeigt
eine Variante, bei der das Muster ein mit dem Messrohr verbundenes
Liniengitter umfasst, dem ein weiteres Liniengitter vorgeschaltet ist;
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7 zeigt
eine Variante, bei der das Muster drei punktförmige Bereiche
aufweinst, die entlang einer aufgrund der Messrohrschwingung von
dem Lichtstrahl sukzessive ausgeleuchteten Linie auf dem Messrohr
angeordnet sind;
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7a zeigt
ein Ausgangssignal eines Detektors eines einlassseitig am Messrohr
angeordneten ersten gemäß dem in 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel ausgebildeten Sensors;
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7b zeigt
ein Ausgangssignal eines Detektors eines auslassseitig am Messrohr
angeordneten zweiten gemäß dem in 7 dargestellten
Ausführungsbeispiel ausgebildeten Sensors;
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8 zeigt
eine Ansicht eines optischen Sensors gemäß der
in 3 dargestellten Variante, bei dem das Muster durch
einen Strichcode gebildet ist;
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9 zeigt
eine Prinzipskizze des in 8 dargestellten
Aufbaus;
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10 zeigt
eine Variante des in 8 dargestellten Aufbaus, bei
der das Muster durch einen auf einer ebenen außenseitlich
auf dem Messrohr montierten Platte aufgebrachten Strichcode gebildet ist;
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11 zeigt
ein Ausgangssignal eines Detektors eines einlassseitig am Messrohr
angeordneten ersten gemäß der in 8 dargestellten
Variante ausgebildeten Sensors;
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12 zeigt
ein Ausgangssignal eines Detektors eines auslassseitig am Messrohr
angeordneten zweiten gemäß der in 8 dargestellten
Variante ausgebildeten Sensors;
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13 zeigt
eine Ansicht eines Coriolis Durchflussmessaufnehmers mit zwei gebogenen Messrohren;
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14 zeigt
eine Ansicht der gebogenen Messrohre und der optischen Sensoren
des Messaufnehmers von 13;
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15 zeigt
die Ausgangssignale der vier Detektoren des in 13 und 14 dargestellten Coriolis
Durchflussmessaufnehmers,
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16 zeigt
ein Messrohr mit zwei Sensoren, deren Muster zeitgleich mittels
einer ein zeitabhängiges Lichtsignal aussenden Lichtquelle
angestrahlt werden, und deren Ausgangssignale anhand des dadurch
bestehenden zeitlichen Bezugs synchronisiert werden;
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17a zeigt den zeitlichen Verlauf der von den in 16 dargestellten
Mustern abgestrahlten Intensität der Lichtblitze;
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17b zeigt die mit der Anordnung von 16 abgeleiteten
Ausgangsignale der Sensoren; und
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17c zeigt die synchronisierten mit der Anordnung
von 16 abgeleiteten Ausgangssignale.
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1 zeigt
einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Coriolis-Massendurchflussmessaufnehmers.
Der Messaufnehmer ist im Messbetrieb in einer in 1 nicht dargestellten
Rohrleitung angeordnet, durch die ein Medium, z. B. ein Gas oder
eine Flüssigkeit, fließt, dessen Massendurchfluss
gemessen werden soll. Der Messaufnehmer weist in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ein einziges gerades Messrohr 1 auf,
das einlassseitig über eine Endplatte 3 an einem Flansch 5 und
auslassseitig über eine Endplatte 7 an einem Flansch 9 fixiert
ist. Das Messrohr 1 wird im Messbetrieb von dem Medium
durchströmt. Die Flansche 5, 9 und die
Endplatten 3, 7 sind an oder in einem Trägerrohr 11 befestigt.
Messrohr 1 und Trägerrohr 11 sind in
einem Messaufnehmergehäuse 12 angeordnet, auf
dass beispielsweise eine in einem in 1 nicht
dargestellte Messaufnehmer-Elektronik, montiert werden kann.
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Die
Erfindung ist nicht auf diesen speziellen Messaufnehmer mit einem
einzigen geraden Messrohr beschränkt. Sie kann auch in
Verbindung mit weiteren bekannten Messaufnehmern eingesetzt werden.
Zu erwähnen sind insb. Messaufnehmer mit einem einzigen
gebogenen Messrohr, sowie Messaufnehmer mit zwei parallelen, geraden
oder gebogenen Messrohren, wie sie z. B. in der
US-A 4,793,191 und der
EP-B1 1 154 243 beschrieben sind.
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Das
Messrohr 1 wird im Messbetrieb zu Schwingungen angeregt.
Zur Erzeugung der Messrohrschwingung ist in der Mitte zwischen den
beiden Endplatten 3, 7 am Messrohr 1 ein
Schwingungserreger 13 angeordnet. Als Schwingungserreger 13 eignet
sich z. B. ein elektromagnetischer Antrieb bestehend aus einem Permanentmagnet 15 und
einer Spule 17. Die Spule 17 ist am Trägerrohr 11 und
der Permanentmagnet 15 ist am Messrohr 1 befestigt. Über
einen in der Spule 17 fließenden Strom lassen sich
Amplitude und Frequenz einer in der Zeichenebene verlaufenden Biegeschwingung
des Messrohrs 1 steuern. Das Schwingungsgebilde wird dabei
vorzugsweise in Resonanz betrieben.
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In
der Zeichenebene treten Coriolis Kräfte auf, die bewirken,
dass nicht alle Punkte entlang des Messrohrs 1 in Phase
schwingen. Die vom Massendurchfluss abhängige Schwingung
des Messrohrs 1 wird mit Hilfe von einem einlassseitig
am Messrohr 1 angeordneten ersten Sensor 19 und
einem auslassseitig am Messrohr 1 angeordneten zweiten
Sensor 19 erfasst. Die Sensoren 19, 21 sind
optische Sensoren, die in einer Ebene senkrecht zur Schwingungsebene
des Messrohrs 1 ausgerichtet sind. 2 zeigt einen
Schnitt durch den Messaufnehmer 1 in dieser Ebene. Die
in 2 dargestellte Schnittebene verläuft
senkrecht zu der in 1 dargestellten Schnittebene.
Die Sensoren 19, 21 sind vorzugsweise identisch
und symmetrisch zu beiden Seiten des Schwingungserregers 13 angeordnet.
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3 zeigt
exemplarisch eine Ansicht und 4 eine Prinzipskizze
des Sensors 19 zusammen mit dem zughörigen Abschnitt
des Messrohrs 1, dessen Schwingung mit dem Sensor 19 erfasst
wird. Er umfasst einen mit dem Messrohr 1 verbundenes Muster 23,
eine Lichtquelle 25 und einen Detektor 27. Als
Lichtquelle 25 eignet sich eine inkohärente Lichtquelle,
z. B. eine Leuchtdiode. Als Detektor 27 eignet sich z.
B. eine Fotodiode.
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Das
Muster 23 befindet sich unmittelbar am Messrohr 1 und
führt die gleichen Schwingungsbewegungen aus wie das Messrohr 1.
Die Lichtquelle 25 und der Detektor 27 des jeweiligen
Sensors 19, 21 sind jeweils in eine Öffnung
im Trägerrohr 11 eingesetzt. Lichtquelle 25 und
Detektor 27 führen im Messbetrieb keine Bewegung
aus. Entsprechend wird das jeweilige Muster 23 im Messbetrieb
aufgrund der Schwingung des Messrohres 1 relativ zu der
Lichtquelle 25 und dem Detektor 27 bewegt.
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Die
Lichtquelle 25 ist derart auf das Muster 23 ausgerichtet,
dass das Licht im Messbetrieb auf das Muster 23 strahlt.
Dies kann unmittelbar erfolgen, indem die Lichtquelle 25 gegenüber
von dem Muster 23 in das Trägerrohr 11 eingesetzt
ist. Alternativ wird das Licht, wie in 4 dargestellt, über
einen Lichtleiter 29, z. B. ein Glasfaserkabel, zum Muster 23 geführt.
Die Verwendung des Lichtleiters 29 ermöglicht es,
die Lichtquelle 25 an einer leicht bzw. leichter zugänglichen
Stelle anzuordnen. Hierdurch kann die Lichtquelle 25 erforderlichenfalls
leichter ausgetauscht werden.
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Der
Detektor 27 ist derart auf das Muster 23 ausgerichtet,
dass ein von der momentanen Lage des Messrohrs 1 und der
Ausgestaltung des Musters 23 abhängiger Anteil
des Lichts vom Muster 23 in Richtung des Detektors 27 abgestrahlt
wird. Dies kann ebenfalls unmittelbar erfolgen, indem der Detektor 27 in
Reflektionsrichtung gegenüber von dem Muster 23 in
das Trägerrohr 11 eingesetzt ist. Vorzugsweise
wird jedoch, wie in 4 dargestellt, eine Abbildungsoptik 31,
z. B. in Form einer Linse, in den Lichtpfad eingesetzt, die das
vom Muster 23 in diese Richtung abgestrahlte Licht bündelt,
und über einen Lichtleiter 33, z. B. ein Glasfaserkabel,
zum Detektor 27 führt. Hierdurch wird eine höhere
Lichtausbeute erreicht, die zu einer Verbesserung des Signal- zu-Rausch-Abstandes
und damit zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit führt.
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Die
Abstrahlung des Lichts auf das Muster 23 und der Empfang
des vom Muster 23 in Richtung des Detektors 27 abgestrahlten
Lichtes kann unabhängig davon, ob eine Abbildungsoptik 31 verwendet wird
oder nicht, auch über einen einzigen Lichtleiter 34 erfolgen.
Diese Variante ist in 5 skizziert. Dort sind Lichtquelle 25 und
Detektor 27 an ein und denselben Lichtleiter 34 angeschlossen,
der auf das Muster 23 auf dem Messrohr 1 ausgerichtet
ist. Die Lichtquelle 25 sendet Licht über diesen
Lichtleiter 34 auf das am Messrohr 1 befindliche
Muster 23 und das vom Muster 23 in Richtung des
Lichtleiters 34 reflektierte Licht wird über den
Lichtleiter 34 aufgenommen und dem Detektor 27 zugeführt.
Eine gegebenenfalls vorgesehen Abbildungsoptik 31 befindet
sich zwischen dem Lichtleiter 34 und dem Messrohr 1.
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Der
Detektor 27 empfängt das vom Muster 23 in
Richtung des Detektors 27 abgestrahlte Licht und wandelt
es in ein Ausgangssignal um, dass einen zeitlichen Verlauf einer
Intensität des des vom Muster 23 abgestrahlten
vom Detektor 27 empfangenen Lichtes wiedergibt.
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Jedes
Muster 23 weist mit dem Messrohr 1 mit bewegte
Bereiche mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften auf, die
derart angeordnet sind, dass der zeitliche Verlauf der Intensität
des in Richtung des Detektors 27 reflektierten Lichtes
die Schwingung des jeweiligen Messrohrs 1 im Bereich des
jeweiligen Sensors 19, 21 wiedergibt.
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Die
optische Eigenschaft, durch die sich die Bereiche voneinander unterscheiden
sind deren Absorptions-, deren Reflexions- oder deren Streuungsvermögen.
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Im
einfachsten Fall wird dieses Muster 23 durch eine unmittelbar
auf das Messrohr 1 aufgebrachte oder durch das Messrohr 1 selbst
gebildete gekrümmte reflektierende Oberfläche 23a gebildet. Dieser
Fall ist in den 5a, 5b und 5c dargestellt.
Das Licht wird über den Lichtleiter 34 senkrecht
zur Messrohrschwingung eingestrahlt und trifft auf einen eng begrenzten,
von der momentanen Lage des Messrohrs 1 abhängigen
Ausschnitt A der Oberfläche 23a. Die Messrohrschwingung
ist in den Figuren durch Pfeile dargestellt. Aufgrund der Krümmung
des Messrohrs 1 weisen die einzelnen hier kontinuierlich
ineinander übergehenden Bereiche der Oberfläche 23a ein
unterschiedliches Streuvermögen auf. Hierdurch wird ein
von der momentanen Lage abhängiger Anteil des einfallenden
Lichts in Richtung des Detektors 27 reflektiert. Der vom
Detektor 27 empfangene reflektierte Anteil ist aufgrund
der Krümmung der Oberfläche 23a umso
geringer, je weiter außen der Lichtstrahl auf das Messrohr 1 auftrifft.
Die 5a, 5b und 5c zeigen
eine durch die Messrohrschwingung entstehende zeitliche Abfolge.
In 5a trifft der Lichtstrahl auf einen äußeren
Ausschnitt A1 des Messrohrs. Aufgrund der Messrohrkrümmung,
werden hier ca. 45% des auftreffenden Lichtes zum Detektor 27 zurück
reflektiert. Das Messrohr 1 schwingt nun in der Zeichenebene nach
oben und der Lichtstrahl beleuchtet in 5b einen
näher an der Messrohrmitte liegenden Ausschnitt A2. Aufgrund
der Messrohrkrümmung, werden hier ca. 60% des auftreffenden
Lichtes zum Detektor 27 zurück reflektiert. Eine
weitere Auslenkung des Messrohrs 1 in diese Richtung führt
zu der in 5c dargestellten Situation,
bei der der Lichtstrahl auf einen Ausschnitt A3 im Bereich der Messrohrmitte
trifft. Dieser Ausschnitt A3 reflektiert ca. 70% des einfallenden
Lichts in Richtung des Detektors 27 zurück. Dementsprechend
gibt der zeitliche Verlauf der mit dem Detektor 27 gemessenen
Intensität des reflektierten Lichtes die Schwingung des
jeweiligen Messrohrs 1 im Bereich dieses Sensors 19, 21 wieder.
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Die
erzielbare Auflösung mit der die Messrohrschwingung erfasst
werden kann, kann durch die Verwendung differenzierterer Muster 23 deutlich
verbessert werden. Hierzu werden vorzugsweise Muster 23 eingesetzt,
die auf einer homogenen Oberfläche aufgebrachte punkt-
oder streifenförmige Bereiche aufweisen, deren Absorptions-,
Reflexions- oder Streuungsvermögen von dem Absorptions-,
Reflexions- oder Streuungsvermögen der homogenen Oberfläche verschieden
sind. Diese punkt- oder streifenförmigen Bereiche können
beispielsweise in einer Punktmatrix bzw. in einer Streifenmatrix
angeordnet sein. Die entsprechenden Bereiche können auf
die Oberfläche des Messrohrs 1 z. B. durch einen
lithographischen Prozess aufgebracht werden.
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Die
Muster 23 können alternativ auch durch ein am
Messrohr 1 zu montierendes entsprechend ausgestaltetes
Beugungsgitter 23b erzeugt werden. Ein Beispiel hierzu
ist in 6a dargestellt.
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Alternativ
kann eine weitere Variante der Erfindung eingesetzt werden, bei
der der aus der Optik bekannte Moire Effekt genutzt wird. Ein Beispiel
hierzu ist in 6b dargestellt. Gemäß dieser
Variante umfasst das Muster 23 ein mit dem Messrohr 1 verbundenes
erstes Liniengitter 23-I, dem ein zweites in einen Lichtpfad
zwischen dem ersten Liniengitter 23-I und dem Detektor 27 fest
eingesetztes zweites Liniengitter 23-II optisch überlagert
ist. Das erste Liniengitter 23-I wird während
das Messrohr 1 schwingt mit dem Messrohr 1 mit
bewegt. Das zweite Liniengitter 23-II bewegt sich im Messbetrieb
nicht. Hierzu ist es beispielsweise starr mit dem Detektor 27 bzw.
mit dem Lichtleiter 34 verbunden. Die beiden Liniengitter 23-I und 23-II sind
derart ausgebildet und angeordnet, dass sie von der durch die Messrohrschwingung bedingten
relativen Lage des ersten Liniengitters 23-I zu dem zweiten
Liniengitter 23-II abhängige Moire Strukturen
bilden. Demgemäß sind die Liniengitter 23-I, 23-II beispielsweise
zwei gleichsinnig ausgerichtete Liniengitter, die gleiche oder zumindest
annährend gleiche Gitterkonstanten aufweisen. Die Liniengitter 23-I, 23-II sind
einander parallel oder zumindest annähernd parallel überlagert.
Alternativ können auch zwei Liniengitter mit jeweils variabler Gitterkonstante
eingesetzt werden. Durch die Überlagerung der beiden Liniengitter 23-I, 23-II entstehen Moire
Strukturen, die zu einer von der relativen Lage der beiden Liniengitter 23-I, 23-II zueinander
abhängigen Intensität des in Richtung des Detektors 27 abgestrahlten
Lichtes führen. Da die relative Lage der beiden Liniengitter 23-I, 23-II durch
die Messrohrschwingung bewirkt wird, gibt auch hier der zeitliche Verlauf
der Intensität des vom Detektor 27 empfangenen Lichts
die Messrohrschwingung im Bereich des jeweiligen auf diese Weise
aufgebauten Sensors 19, 21 wieder.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Muster 23c eingesetzt
wurde, das drei punktförmige Bereiche U1, G, U2 aufweist,
die entlang einer aufgrund der durch Pfeile angedeuteten Messrohrschwingung
von dem Lichtstrahl sukzessive ausgeleuchteten Linie auf dem Messrohr 1 angeordnet
sind. Die Bereiche U1, G, U2 sind derart angeordnet, dass der mittlere
Bereich G voll ausgeleuchtet ist, wenn das Messrohr 1 durch
dessen Gleichgewichtslage schwingt. Die beiden äußeren
Bereiche U1, U2 werden voll ausgeleuchtet, wenn sich dass Messrohr 1 an
dessen oberen bzw. unteren Schwingungsumkehrpunkt befindet. Die
drei Bereiche U1, G, U2 füllen vorzugsweise die volle von
der Lichtquelle 25 ausgeleuchtete optische Apertur aus.
Hierzu können die drei Bereiche U1, G, U2 formgleich, z.
B. kreisscheibenförmig, ausgebildet sein, oder es kann eine
an die Geometrie des Messrohrs 1 angepasste Ausgestaltung
gewählt werden, bei der beispielsweise der mittlere Bereich
G kreisscheibenförmig ist und die beiden äußeren
Bereiche U1, U2 elliptisch sind und symmetrisch zum mittleren Bereich
G angeordnet sind. Die drei Bereiche U1, G, U2 weisen die gleichen
optischen Eigenschaften auf. Letztere unterscheiden sich deutlich
von der ansonsten homogenen Messrohroberfläche, auf der
sie sich befinden, durch deren Absorptions-, Reflektions- oder Streuvermögen.
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7a zeigt
einen mit dem Detektor 27 eines einlassseitig am Messrohr 1 angeordneten
ersten gemäß 7 ausgebildeten
Sensors 19 aufgenommen Intensitätsverlauf I1(t) als Funktion der Zeit. Dabei weisen
die Bereiche U1, G, U2 ein höheres Reflektionsvermögen
als deren Umgebung auf. Der Intensitätsverlauf I1(t) ist über eine halbe Schwingungsperiode
dargestellt. Während dieser halben Schwingungsperiode wird
aufgrund der Messrohrschwingung zum Zeitpunkt t0 der
obere Bereich U1 ausgeleuchtet, zum Zeitpunkt t1 der
Bereich G ausgeleuchtet und zum Zeitpunkt t2 der
untere Bereich U2 voll ausgeleuchtet. Entsprechend zeigt der Intensitätsverlauf
zu diesen Zeiten t0, t1,
t2 ausgeprägte Maxima. Der zeitliche
Verlauf der Intensität I1(t) des
reflektierten Lichtes spiegelt die Schwingung des Messrohrs 1 im
Bereich des ersten Sensors 19 wieder. Auf analoge Weise
wird mit dem zweiten Sensor 21 die Schwingung des Messrohrs 1 im
Bereich des auslassseitig angeordneten identisch ausgebildeten zweiten
Sensors 21 aufgezeichnet. 7b zeigt
den zugehörigen mit dem Detektor 27 des zweiten
Sensors 21 aufgezeichneten zeitlichen Verlauf der Intensität
I2(t) des reflektierten Lichtes.
-
Die
beiden Ausgangssignale I1(t), I2(t)
weisen den gleichen Intensitätsverlauf und die gleiche Periodendauer
P, bzw. was gleichbedeutend ist, die gleiche Frequenz f auf. Sie
sind jedoch gegeneinander phasenverschoben.
-
Die
Phasenverschiebung Δφ zwischen den beiden Ausgangssignalen
I1(t), I2(t) dividiert
durch die Frequenz entspricht der Zeitverschiebung Δtφ zwischen den beiden Ausgangssignalen
I1(t), I2(t) und
ist ein Maß für den Massendurchfluss.
-
Die
Ausgangssignale I1(t), I2(t)
werden, wie in 5 dargestellt, einer Signalverarbeitung 39 zugeführt,
die anhand der Ausgangssignale I1(t), I2(t) die Phasenverschiebung Δφ oder
den Zeitversatz Δtφ, bestimmt.
Hierzu werden die Ausgangssignale I1(t), I2(t) vorzugsweise einem Analog-Digital Wandler
A/D zugeführt und in der Signalverarbeitung 39 in
digitaler Form weiter verarbeitet. Dabei kann die Phasenverschiebung Δφ bzw.
der Zeitversatz Δtφ anhand
der Ausgangsignale I1(t), I2(t)
z. B. durch die Bildung von Faltungintergralen, durch eine Fourier
Analyse oder durch Quadraturen abgeleitet werden. Der zu messende
Massendurchfluss ist proportional zu dem Verhältnis von
Phasenverschiebung Δφ und Schwingungsfrequenz
f des Messrohres 1. Anhand dieser Messgröße
wird der Massendurchfluss, wie bei herkömmlichen Coriolis-Massendurchflussmessgeräten auch,
auf klassische Weise abgeleitet.
-
8 und 9 zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem strichförmige
Bereiche aufweisende Muster 23d vorgesehen sind. Die Muster 23d weisen
jeweils eine auf das jeweilige Messrohr 1 aufgebrachte
Grundfläche 35 mit hohem Reflexionsvermögen
auf, auf der Absorberflächen 37 mit geringem Reflexionsvermögen
in Form eines Strichcodes aufgebracht sind. Alternativ können
die Muster 23d natürlich ebenso gut eine auf das
jeweilige Messrohr aufgebrachte Grundfläche mit niedrigem
Reflexionsvermögen aufweisen, auf der Reflektorflächen
mit hohem Reflexionsvermögen in Form eines Strichcodes
aufgebracht sind.
-
Der
Strichcode besteht aus durch die Absorberflächen 37 gebildeten
strichförmigen Bereichen, die senkrecht zu der Achse verlaufen,
entlang derer die Auslenkung des jeweiligen Messrohres 1 erfolgt. Dies
ist beispielsweise aus den in 8 und 9 gewählten
Darstellungen ersichtlich. In der Darstellung von 8 bewegt
sich das Messrohr 1 senkrecht zur Zeichenebene auf den
Betrachter zu und von diesem wieder weg, und die Striche verlaufen senkrecht
dazu von links nach rechts.
-
In
der Darstellung von 9 bewegt sich das Messrohr 1,
wie durch die Pfeile angedeutet in der Zeichenebene auf und ab und
die Striche verlaufen senkrecht zur Zeichenebene auf den Betrachter
zu bzw. von diesem weg.
-
Das
in 9 dargestellte Muster 23d ist unmittelbar
auf das Messrohr 1 aufgebracht und folgt der Rohrform.
Entsprechend weist die Grundfläche 35 eine im
Querschnitt kreissegmentförmige Geometrie auf.
-
Alternativ
könnte ein Muster 23e eingesetzt werden, bei dem
als Grundfläche 35' eine ebene Platte verwendet
wird, auf der Absorberflächen 37' aufgebracht
sind. Diese Grundfläche 35' ist, wie in 10 dargestellt,
außenseitlich auf dem Messrohr 1 montiert.
-
Der
Strichcode besteht in den dargestellten Ausführungsbeispielen
aus äquidistant parallel zueinander angeordneten strichförmigen
Absorberflächen 37. Zwischen zwei benachbarten
Absorberflächen 37 besteht jeweils ein Abstand,
dessen Breite in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
gleich der Breite der strichförmigen Absorberflächen 37 ist.
Bei der in 9 dargestellten Variante, bei
der das Muster unmittelbar auf das Messrohr 1 aufgebracht
ist, kann alternativ ein unmittelbar auf das Messrohr 1 aufgebrachtes
Muster verwendet werden, bei dem die einzelnen strichförmigen
Bereiche derart angeordnet und bemessen sind, dass deren Projektion
auf eine senkrecht zur Schwingungsrichtung und senkrecht zur Längsachse
des Messrohrs 1 angeordnete Ebene äquidistant
angeordnete streifenförmige Bereiche gleicher Breite ergibt.
-
Im
Messbetrieb wird das Messrohr 1 zu Schwingungen angeregt.
Dadurch werden die beiden in 9 dargestellten
Muster 23d relativ zu den Lichtquellen 25 und
den Detektoren 27 bewegt. Die Detektoren 27 empfangen
das reflektierte Licht und wandeln es jeweils in ein Ausgangssignal
I1(t), I2(t) um,
dass einen zeitlichen Verlauf einer Intensität des reflektierten
Lichtes wiedergibt. 11 zeigt das Ausgangssignal
I1(t) des Detektors 27 des einlassseitig
angeordneten gemäß 9 ausgebildeten
ersten Sensors 19 und 12 das
Ausgangssignal I2(t) des Detektors 27 des
auslassseitig angeordneten identisch ausgebildeten zweiten Sensors 21.
-
11 zeigt
den Intensitätsverlauf I1(t) für
einen Zeitraum, der etwas länger als eine volle Periodendauer
P der Messrohrschwingung ist. Die Periode beginnt zum Zeitpunkt
t0 und endet zum Zeitpunkt t1:=
t0 + P, zu dem die nächste Periode
beginnt. Der Ausschnitt ist derart gewählt, dass das Messrohr 1 zu Periodenbeginn
bei t0 durch dessen Ruhelage schwingt. Hier
weist das Messrohr 1 die höchste Geschwindigkeit
v auf. Entsprechend liegen die Intensitätsmaxima in diesem
Bereich sehr dicht beieinander. Von dort schwingt das Messrohr 1 bis
zu einem Umkehrpunkt, der dem Zeitpunkt t0 +
P/4 entspricht. Am Umkehrpunkt ist die Geschwindigkeit v des Messrohrs 1 gleich
Null. Entsprechend liegen die Intensitätsmaxima in diesem
Bereich sehr weit auseinander.
-
Am
Umkehrpunkt t0 + P/4 wechselt das Messrohr 1 die
Schwingungsrichtung und schwingt durch die Ruhelage durch zum gegenüberliegenden Umkehrpunkt.
Dabei wird zum Zeitpunkt t0 + P/2 die Ruhelage
und zum Zeitpunkt t0 + ¾P der gegenüberliegende
Umkehrpunkt erreicht. Am Ende der vollen Periodendauer P schwingt
das Messrohr 1 zum Zeitpunkt t0 +
P wieder durch dessen Ruhelage.
-
Die
beiden Ausgangssignale I1(t), I2(t)
weisen den gleichen Intensitätsverlauf und die gleiche Periodendauer
P, bzw. was gleichbedeutend ist, die gleiche Frequenz f auf. Sie
sind jedoch gegeneinander phasenverschoben.
-
Die
Phasenverschiebung Δφ zwischen den beiden Ausgangssignalen
I1(t), I2(t) dividiert
durch die Frequenz entspricht der Zeitverschiebung Δtφ zwischen den beiden Ausgangssignalen
I1(t), I2(t) und
ist ein Maß für den Massendurchfluss.
-
Die
Ausgangssignale I1(t), I2(t)
werden auch hier, wie in 9 dargestellt, einer Signalverarbeitung 39 zugeführt,
die anhand der Ausgangssignale I1(t), I2(t) die Phasenverschiebung Δφ oder
den Zeitversatz Δtφ, bestimmt.
Hierzu werden die Ausgangssignale I1(t),
I2(t) vorzugsweise einem Analog-Digital Wandler
A/D zugeführt und in der Signalverarbeitung 39 in
digitaler Form weiter verarbeitet. Dabei kann die Phasenverschiebung Δφ bzw.
der Zeitversatz Δtφ anhand
der Ausgangsignale I1(t), I2(t)
z. B. durch die Bildung von Faltungintergralen, durch eine Fourier
Analyse oder durch Quadraturen abgeleitet werden. Der zu messende
Massendurchfluss ist proportional zu dem Verhältnis von
Phasenverschiebung Δφ und Schwingungsfrequenz
f des Messrohres 1. Anhand dieser Messgröße
wird der Massendurchfluss, wie bei herkömmlichen Coriolis-Massendurchflussmessgeräten
auch, auf klassische Weise abgeleitet.
-
In
den 13 und 14 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Coriolis-Massendurchflussmessaufnehmers dargestellt. Dieser unterscheidet
sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch,
dass er zwei parallel zueinander verlaufende, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
gebogene, Messrohre 41, 43 aufweist. Die Messrohre 41, 43 sind
in einem Messaufnehmergehäuse 45 angeordnet, auf
dem ein Elektronikgehäuse 47 montiert ist. In
dem Elektronikgehäuse 47 befindet sich beispielsweise
die gesamte Messaufnehmerelektronik.
-
Der
Coriolis Massendurchflussmessaufnehmer umfasst mindestens einen
Schwingungserreger 49, der dazu dient, die beiden Messrohre 41, 43 im Messbetrieb
in gegenphasige Schwingungen zu versetzen. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist ein Schwingungserreger 49 vorgesehen,
der in der Mitte der beiden Messrohre 41, 43 zwischen
den beiden Messrohren 41, 43 angeordnet ist. Als
Schwingungserreger 49 eignet sich z. B. ein elektromagnetischer
Antrieb bestehend aus einem mit dem ersten Messrohr 41 verbundenen
Permanentmagnet und einer mit dem zweiten Messrohr 43 verbundenen
Spule. Über einen in der Spule fließenden Strom
lassen sich Amplitude und Frequenz der gegenphasigen Schwingungen
der beiden Messrohre 41, 43 steuern. Das Schwingungsgebilde
wird dabei vorzugsweise in Resonanz betrieben.
-
Analog
zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel treten auch
hier Coriolis Kräfte auf, die bewirken, dass nicht alle
Punkte entlang eines Messrohrs 41 bzw. 43 in Phase
schwingen. Zur Erfassung des Massendurchflusses ist daher mindestens
an einem der beiden Messrohre 41 oder 43 jeweils
ein erster und ein zweiter Sensor 51, 53 oder 55, 57 vorgesehen.
-
In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an jedem Messrohr 41, 43 jeweils
am erster und ein zweiter Sensor 51, 53 und 55, 57 vorgesehen.
Die vom Massedurchfluss abhängige Schwingung des ersten
Messrohrs 41 wird mit Hilfe von einem einlassseitig am
ersten Messrohr 41 angeordneten ersten Sensor 51 und
einem auslassseitig am ersten Messrohr 41 angeordneten
zweiten Sensor 53 erfasst. Die vom Massedurchfluss abhängige
Schwingung des zweiten Messrohrs 43 wird mit Hilfe von
einem einlassseitig am zweiten Messrohr 43 angeordneten ersten
Sensor 55 und einem auslassseitig am zweiten Messrohr 43 angeordneten
zweiten Sensor 57 erfasst.
-
Die
ersten und die zweiten Sensoren 51, 53, 55, 57 sind
vorzugsweise identisch zueinander und identisch zu einem der hier
beschriebenen Ausführungsbeispiele der Sensoren 19, 21.
In dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden
die in 9 dargestellten Sensoren 19, 21 verwendet.
-
Auch
hier sind die Sensoren 51, 53, 55, 57 derart
angeordnet, dass das Licht der Lichtquellen 25 der jeweiligen
Sensoren 51, 53, 55, 57 im Wesentlichen
senkrecht zur Schwingungsebene des jeweiligen Messrohrs 51, 53 auf
das jeweils zugehörige Muster 23 trifft.
-
Die
vier Detektoren 27 liefern vier Ausgangssignale, die jeweils
die vom jeweiligen Detektor 27 empfangene Intensität
I(t) in Abhängigkeit von der Zeit wiedergeben. Dabei sind
nachfolgend das Ausgangsignal des ersten einlassseitig am ersten
Messrohr 41 angeordneten Sensors 51 mit I1in(t), das Ausgangsignal des zweiten auslassseitig
am ersten Messrohr 41 angeordneten Sensors 53 mit
I1out(t), das Ausgangsignal des ersten einlassseitig
am zweiten Messrohr 43 angeordneten Sensors 55 mit
I2in(t), und das Ausgangsignal des zweiten
auslassseitig am zweiten Messrohr 43 angeordneten Sensors 57 mit I2out(t) bezeichnet. Auch hier werden die
Ausgangssignale I1in(t), I1out(t),
I2in(t), I2out(t)
vorzugsweise jeweils einem Analog-Digital Wandler A/D zugeführt
und in digitaler Form ausgewertet und weiter verarbeitet. 15 zeigt
die Intensitätsverläufe der vier Ausgangssignale
I1in(t), I1out(t),
I2in(t), I2out(t).
Dabei verhalten sich die Ausgangssignale I1in(t),
I1out(t) der am ersten Messrohr 41 angeordneten
Sensoren 51, 53 prinzipiell genauso, wie die beiden
zuvor anhand des Ausführungsbeispiels mit nur einem einzigen
Messrohr 1 beschriebenen in den 11 und 12 dargestellten
Ausgangssignale I1(t), I2(t).
Das gleiche gilt für die Ausgangssignale I2in(t),
I2out(t) der am zweiten Messrohr 43 angeordneten
Sensoren 55, 57. D. h. die Ausgangssignale eines Ausgangssignalpaares I1in(t), I1out(t)
bzw. I2in(t), I2out(t)
weisen den gleichen Intensitätsverlauf und die gleiche
Periodendauer P, bzw. was gleichbedeutend ist, die gleiche Frequenz
f auf. Sie sind jedoch gegeneinander phasenverschoben.
-
Die
Phasenverschiebung Δφ1 zwischen
den beiden Ausgangssignalen I1in(t), I1out(t) dividiert durch die Frequenz f entspricht
der Zeitverschiebung Δtφ1 zwischen
den beiden Ausgangssignalen I1in(t), I1out(t), und ist ein Maß für
den Massendurchfluss.
-
Die
Phasenverschiebung Δφ2 zwischen
den beiden Ausgangssignalen I2in(t), I2out(t) dividiert durch die Frequenz f entspricht
der Zeitverschiebung Δtφ2 zwischen
den beiden Ausgangssignalen I2in(t), I2out(t), und ist ein Maß für
den Massendurchfluss.
-
Auch
hier ist analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
eine Signalverarbeitung 39 vorgesehen, die anhand der beiden
Ausgangssignale I1in(t), I1out(t)
und/oder I2in(t), I2out(t)
mindestens eines Ausgangssignalpaares eine vom Massendurchfluss
abhängige Phasenverschiebung Δφ1 und/oder Δφ2 oder
den Zeitversatz Δtφ1 und/oder Δtφ2, zwischen den beiden Ausgangssignalen
I1in(t), I1out(t) und/oder
I2in(t), I2out(t)
bestimmt.
-
Da
die Phasenverschiebung Δφ1 bzw. Δφ2 zwischen den Ausgangssignalen I1in(t), I1out(t)
bzw. I2in(t), I2out(t)
eines Ausgangssignalpaares bereits abhängig vom zu messenden
Massendurchfluss ist, genügt prinzipiell ein Satz von an
einem der beiden Messrohre 41, 43 angeordneten
Sensoren 51, 53 bzw. 55, 57,
um den zu messenden Massendurchfluss zu bestimmen. Durch den Einsatz
von zwei Sätzen von Sensoren 51, 53 und 55, 57 ist
ein redundantes System gegeben, dass zur Verbesserung der Messgenauigkeit
und/oder zur Erhöhung der Messsicherheit eingesetzt werden
kann.
-
Eine
erhöhte Messsicherheit wird unter anderem dadurch erzielt,
dass beim Ausfall oder einer Beschädigung eines einzelnen
Sensors 51, 53, 55, oder 57 mit
den verbleibenden intakten Sensoren des einwandfrei arbeitenden
anderen Sensorsatzes nach wie vor eine zuverlässige Messung
durchführbar ist.
-
Die
Messgenauigkeit lässt sich beispielsweise dadurch erhöhen,
dass die Ausgangssignale I1in(t), I1out(t) I2in(t),
I2out(t) miteinander in Verbindung gesetzt werden.
Hierzu kann beispielsweise die Summe oder der Mittelwert der mit
den einlassseitig angeordneten Sensoren 51, 55 abgeleiteten
Ausgangssignale I1in(t), I2in(t)
und die Summe oder der Mittelwert der mit den auslassseitig angeordneten
Sensoren 53, 57 abgeleiteten Ausgangssignale I1out(t) I2out(t)
bestimmt werden, und die vom Massendurchfluss abhängig
Phasendifferenz Δφ oder die Zeitdifferenz Δt
zwischen den ermittelten Summen oder Mittelwerten zur Bestimmung
des Massendurchflusses verwendet werden. Hierdurch lassen sich beispielsweise
durch Fertigungstoleranzen bedingte Asymmetrien, die sich auf das
Schwingungsverhalten auswirken können, kompensieren oder
ausgleichen.
-
Alternativ
hierzu kann anhand der vier Ausgangssignale I1in(t),
I1out(t), I2in(t),
I2out(t) eine Differenzmessung ausgeführt
werden, wie sie auch bei herkömmlichen Coriolis Massendurchflussmessgeräten mit
zwei parallelen Messrohren zur Bestimmung des Massendurchflusses
eingesetzt wird. Hierzu wird anhand der einzelnen Ausgangssignale
I1in(t), I1out(t) I2in(t), I2out(t)
die Lage des zugehörigen einlassseitigen bzw. auslassseitigen
Messrohrabschnittes x1in(t), x2in(t),
x1out(t), x2out(t)
berechnet, und daraus sowohl der einlassseitig als auch der auslassseitig
zwischen den beiden Messrohren 41, 43 bestehende
Abstand Δxin(t):= x1in(t) – x2in(t) und Δxout(t):=
x1out(t) – x2out(t)
berechnet. Anschließend wird anhand der beiden Abstände Δxin(t) und Δxout(t)
die vom Massendurchfluss abhängige Phasendifferenz Δφx(t) oder die Zeitdifferenz Δtx(t) zwischen dem einlassseitig und dem auslassseitig
bestehenden Abstand Δxin(t), Δxout(t) bestimmt und daraus der zu messende
Massendurchfluss abgeleitet. Der zu messende Massendurchfluss ist
proportional zu dem Verhältnis von Phasenverschiebung Δφ und
Schwingungsfrequenz f der Messrohre 41, 43. Anhand
dieser Messgröße wird der Massendurchfluss, wie
bei herkömmlichen Coriolis-Massendurchflussmessgeräten
auch, auf klassische Weise abgeleitet.
-
Bei
den erfindungsgemäßen Coriolis-Massendurchflussmessaufnehmern
wird jedes einzelne Ausgangssignal über einen eigenen Eingangszweig aufgenommen
und für die oben beschriebene Ableitung des Massendurchflusses
bereitgestellt. Jeder dieser Eingangszweige umfasst beispielsweise
eine Signalaufnahme, eine Signalaufbereitung und/oder eine Signalverarbeitung.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen umfassen die
Eingangszweige die Abbildungsoptik 31, den Lichtleiter 33 bzw. 34,
den jeweiligen Detektor 27 und den A/D Wandler. Auch wenn
alle Eingangszweige identisch aufgebaut sind, kann es sein, dass
die Signallaufzeiten, die das vom jeweiligen Muster abgestrahlte
Licht für das Durchlaufen des jeweiligen Eingangszweigs
bis zur Generierung des entsprechenden Ausgangssignals benötigt,
in den einzelnen Eingangszweigen verschieden sind. Dabei können
die Signallaufzeiten der einzelnen Eingangszweige nicht nur verschieden
sein, sondern sich auch während der Einsatzdauer des Messaufnehmers
verändern. Eine Ursache hierfür sind fertigungsbedingten
Bauteiltoleranzen, die dazu führen können, dass
an sich identische Bauteile ein unterschiedliches zeitliches Übertragungsverhalten
zeigen. Eine weitere Ursache sind Temperaturgefälle am
Messort, die bewirken, dass einzelne Komponenten der einzelnen Eingangszweige
unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind. Die unterschiedlichen Signallaufzeiten
der einzelnen Ausgangssignale führen zu einer schaltungsbedingten
zeitlichen Verschiebung der einzelnen Ausgangssignale. Diese in der
Regel geringe zeitliche Verschiebung ist unter Umständen
zeitabhängig und für jeden Sensor verschieden.
Dadurch wirkt sie sich nachteilig auf die für die Bestimmung
des Massendurchflusses erzielbare Messgenauigkeit aus.
-
Der
entstehende Messfehler kann erfindungsgemäß durch
eine Synchronisierung der am Ausgang der Eingangszweige für
die Ableitung des Massendurchflusses zur Verfügung stehenden
Ausgangssignale vermieden werden. Dies ist nachfolgend anhand eines
in 16 dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. 16 zeigt
genau wie 1 und 2 ein einziges
Messrohr 1, das mit dem einlassseitig angeordneten ersten
Sensor 19 und dem auslassseitig angeordneten zweiten Sensor 21 ausgestattet
ist. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen
Massendurchflussmessaufnehmern wird hier anstelle der zuvor beschriebenen
konstant Licht ausstrahlenden Lichtquellen 25 der Sensoren 19, 21 eine
einzige Lichtquelle 59 eingesetzt, die zeitabhängige
Lichtsignale erzeugt. Dies kann, wie in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel
näher erläutert, eine gepulste Lichtquelle sein,
die z. B. periodisch kurze Lichtblitze aussendet. Alternativ können
auch andere Ausgestaltungen zeitabhängiger Lichtsignale,
wie z. B. intensitätsmodulierte Signale, z. B. hoch frequenz
sinus modulierte Signale, eingesetzt werden. Die Lichtquelle 59 strahlt
das zeitabhängige Lichtsignal z. B. über entsprechende
Lichtleiter 61a und 61b zeitgleich auf das Muster 23 des
einlassseitig am Messrohr 1 angeordnete ersten Sensors 19 und
das Muster 23 des zugeordneten auslassseitig am Messrohr 1 angeordneten zweiten
Sensors 21. Jeder Sensor 19, 21 weist
einen zugehörigen Eingangszweig 63, 65 auf,
der das vom Muster 23 des jeweiligen Sensors 19, 21 in
Richtung des jeweiligen Detektors 27 abgestrahlte Licht
empfängt und in ein Ausgangssignal I1(t),
I2(t) umwandelt. Die Eingangszweige 63, 65 umfassen
hierzu beispielsweise, wie bereits anhand der oben genannten Ausführungsbeispiele
beschrieben, die Abbildungsoptik 31, den Lichtleiter 33 bzw. 34,
den jeweiligen Detektor 27 und den A/D Wandler. Die Ausgangssignale
I1(t), I2(t) werden
einer Signalverarbeitung 67 zugeführt, die die
Ausgangssignale I1(t), I2(t)
der beiden Eingangszweige 63, 65 anhand des durch
das zeitgleiche Ausstrahlen der zeitabhängigen Lichtsignale auf
die beiden Muster 23 gegebenen zeitlichen Bezugs zwischen
den beiden Ausgangssignalen I1(t), I2(t) synchronisiert. Dies ist nachfolgend
anhand eines Beispiels illustriert, bei dem die Lichtquelle 59 periodisch
kurze Lichtblitze aussendet. Entsprechend strahlen die beiden zeitgleich
von der Lichtquelle 59 angestrahlten Muster 23 der
beiden Sensoren 19, 21 synchron Lichtblitze aus.
Der zeitliche Verlauf L1(t), L2(t) der in Richtung der Detektoren 27 abgestrahlten Intensität
dieser Lichtblitze gibt die Schwingung des Messrohrs 1 im
Bereich des jeweiligen Sensors 19, 21 wieder.
In 17a ist ein Ausschnitt der beiden zeitlichen Verläufe
L1(t), L2(t) dargestellt. 17b zeigt
den zugehörigen Ausschnitt der Ausgangssignale I1(t), I2(t) der Eingangszweige 63, 65.
Aufgrund der unterschiedlichen zeitlichen Übertragungsverhalten
der beiden Eingangszweige 63, 65 sind die auf ein
und den selben von der Lichtquelle 59 ausgesendeten Lichtblitz
zurück zu führenden Messpunkte der Intensitäten
des Ausgangssignale I1(t), I2(t)
gegeneinander zeitlich versetzt. Dieser rein schaltungstechnisch
bedingte Effekt wird nun anhand des durch das zeitgleiche Ausstrahlen
der zeitabhängigen Lichtsignale auf die beiden Muster 23 gegebenen zeitlichen
Bezugs korrigiert, indem die beiden Ausgangssignalen I1(t),
I2(t) synchronisiert werden.
-
Die
erzielbare Messgenauigkeit wird bei der Verwendung der oben beschriebenen
konstanten Lichtquelle maßgeblich durch die zeitliche Auflösung der
in den Eingangszweigen verwendeten A/D-Wandler begrenzt. Dies ist
bei der Verwendung der zeitabhängigen Lichtquelle 25 nicht
mehr der Fall, da hier die Synchronisation der beiden Ausgangssignale
I1(t), I2(t) unabhängig
von der zeitlichen Auflösung der A/D-Wandler anhand des
zeitabhängigen Lichtsignals erfolgt. Dementsprechend können hier
auch kostengünstigere A/D-Wandler mit geringerer zeitlicher
Auflösung eingesetzt werden.
-
Wenn
die auftretenden zeitlichen Verschiebungen deutlich kleiner als
die Periodendauer der gepulsten Lichtquelle 59 sind, kann
dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass den A/D Wandlern der
Eingangszweige 63, 65 analoge Peak Detektoren
vorgeschaltet werden, die in dem Fall z. B. Bestandteil der Eingangszweige 63, 65 sind.
Sind die auftretenden zeitlichen Verschiebungen in der Größenordnung
der Periodendauer der gepulsten Lichtquelle 59 oder größer,
kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Signalverarbeitung 67 die
eingehenden Lichtpulse der Ausgangssignale I1(t),
I2(t) zählt und anhand deren fortlaufender
Nummerierung synchronisiert. 17c zeigt
die entsprechend synchronisierten Ausgangssignale I1'(t),
I2'(t). Dort liegen die auf den gleichen
von der Lichtquelle 59 gesendeten Lichtblitz zurück
zu führenden Messpunkte der Intensität der synchronisierten
Ausgangssignale I1'(t), I2'(t) zeitgleich übereinander.
Diese Vorgehensweise kann natürlich auch dann angewendet
werden, wenn die auftretenden zeitlichen Verschiebungen kleiner
als die Periodendauer der gepulsten Lichtquelle 59 sind. Anschließend
wird der Massendurchfluss anhand der synchronisierten Ausgangssignale
I1'(t), I2'(t) bestimmt.
Dies kann ebenfalls in der Signalverarbeitung 67 erfolgen,
die in dem Fall diese Funktion der zuvor beschriebenen Signalverarbeitung 39 mit übernimmt. Alternativ
kann die Signalverarbeitung 39 der Signalverarbeitung 67 nachgeschaltet
werden und mit den synchronisierten Ausgangssignalen I1'(t),
I2'(t) gespeist werden. Die Ableitung des
Massendurchflusses geschieht, wie bereits anhand der zuvor genannten
Ausführungsbeispiele beschrieben, in dem eine vom Massendurchfluss
abhängige Phasenverschiebung Δφ1(t) oder Δφ2(t)
oder eine vom Massendurchfluss abhängige Zeitverschiebung Δtφ1(t) oder Δtφ2(t) zwischen
den beiden synchronisierten Ausgangssignalen I1'(t), I2'(t) bestimmt
wird.
-
Diese
Vorgehensweise ist völlig analog auf Massendurchflussmessaufnehmer
mit mehr als einem Messrohr und/oder mehr als zwei Sensoren erweiterbar.
Dabei werden zumindest die Ausgangssignale der jeweils an ein und
demselben Messrohr angeordneten Sensoren anhand des durch die Verwendung
einer gemeinsamen zeitabhängige Lichtsignale sendenden
Lichtquelle gegebenen zeitlichen Bezugs synchronisiert. Bei Messaufnehmern
mit zwei Messrohren, die jeweils mit zwei Sensoren ausgestattet sind,
können die Ausgangssignale paarweise synchronisiert werden,
oder es können durch die Verwendung einer einzigen gemeinsamen
Lichtquelle 59 für alle vier Sensoren auch alle
vier Ausgangssignale vor der Ableitung des Massendurchflusses entsprechend
synchronisiert werden.
-
- 1
- Messrohr
- 3
- Endplatte
- 5
- Flansch
- 7
- Endplatte
- 9
- Flansch
- 11
- Trägerrohr
- 12
- Messaufnehmergehäuse
- 13
- Schwingungserreger
- 15
- Permanentmagnet
- 17
- Spule
- 19
- Sensor
- 21
- Sensor
- 23,
23a, 23c, 23d, 23e
- Muster
- 23b
- Beugungsgitter
- 23-I
- erstes
Liniengitter
- 23-II
- zweites
Liniengitter
- 25
- Lichtquelle
- 27
- Detektor
- 29
- Lichtleiter
- 31
- Abbildungsoptik
- 33
- Lichtleiter
- 34
- Lichtleiter
- 35,
35'
- Grundfläche
- 37,
37'
- Absorberfläche
- 39
- Signalprozessor
- 41
- Messrohr
- 43
- Messrohr
- 45
- Messaufnehmergehäuse
- 47
- Elektronikgehäuse
- 49
- Schwingungserreger
- 51
- erster
Sensor des ersten Messrohrs
- 53
- zweiter
Sensor des ersten Messrohrs
- 55
- erster
Sensor des zweiten Messrohrs
- 57
- zweiter
Sensor des zweiten Messrohrs
- 59
- Lichtquelle
- 61
- Lichtleiter
- 63
- erster
Eingangszweig
- 65
- zweiter
Eingangszweig
- 67
- Signalverarbeitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1298421
A [0005]
- - US 4793191 A [0005, 0056]
- - EP 154243 B1 [0005]
- - US 6722209 B1 [0009]
- - US 7117751 B2 [0010]
- - EP 1154243 B1 [0056]