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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des
Grenzfüllstands,
der Dichte und/oder der Viskosität
eines Mediums in einer Rohrleitung.
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Zur
Grenzstandmessung in Behältern
oder Rohrleitungen haben sich zwei Typen von Messgeräten etabliert,
vibronische und kapazitive Füllstandsmessgeräte.
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Die
Wirkungsweise eines vibronischen Füllstandsmessgeräts beruht
darauf, dass sich die Frequenz eines in Schwingung versetzten Schwingstabes
(meist zwei paddelförmige
Stäbe in
Form einer Schwinggabel) beim Übergang
von der Schwingung in Luft zur Schwingung in einem fluiden Medium ändert. Befindet
sich der Schwingstab im Medium, so muss er zusätzliche Masse mitbewegen, was
zu einer Abnahme der Schwingfrequenz führt. Zudem üben viskose Medien Dämpfungskräfte auf
den Schwingstab aus, was ebenfalls zur Frequenzabnahme führt. Die
Frequenzänderung
wird zur Erzeugung elektrischer Signale verwendet, welche zur Auslösung von
Schaltvorgängen
oder Anzeigen genutzt werden können.
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In
Anwendungen, welche hohe hygienische Standards erfüllen müssen, beispielsweise
in der Lebensmittelindustrie, führt
diese invasive Messmethode zu dem Problem, dass sich Rückstände an dem Schwingstab
ansetzen können,
was eine häufige Reinigung
desselben erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil ist, dass der
Schwingstab einen mechanischen Widerstand darstellt, was bei der
Anwendung des Messgeräts
in einer von einem Medium durchflossenen Rohrleitung meist nicht
erwünscht
ist.
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Die
Wirkungsweise eines kapazitiven Füllstandsmessgeräts beruht
auf der Änderung
der Kapazität
eines Kondensators, wenn ein Dielektrikum an Stelle von Luft zwischen den
Kondensatorplatten eingebracht wird. Das sich in einem Behälter oder
in einer Rohrleitung befindende Medium, das für diese Messmethode nicht oder
nur geringfügig
leitfähig sein
darf, stellt hierbei das Dielektrikum dar. Der Kondensator wird
entweder aus Behälter-
oder Rohrleitungswand und einer in Form einer Sonde in den Behälter oder
die Rohrleitung eingebrachten Elektrode gebildet, oder es wird eine
Sonde, welche zwei Elektroden aufweist, in den Behälter oder
die Rohrleitung eingebracht. Da lange Sonden in Rohrleitungen einen
für das
fließende
Medium unerwünschten
mechanischen Widerstand darstellen, werden für dieses Anwendungsgebiet meist
kompakte, zwei Messelektroden aufweisende Sonden verwendet, bei
welchen sich das elektrische Feld im Bereich der Sondenspitze ausbildet.
Derartige Sonden werden über
einen Anschlussstutzen an der Rohrleitung befestigt. Der Nachteil
hierbei ist, dass sich selbst bei frontbündigem Einbau ein Totraum bildet,
der sich negativ auf die Messgenauigkeit auswirkt. Zudem ist die
Herstellung von Sonden für
Anwendungen, welche hohe hygienische Standards erfüllen müssen, aufwendig,
da die einzelnen Bestandteile der Sonde sehr gut gegeneinander abgedichtet
werden müssen,
um ein Eindringen und Ablagern des Messmediums zu vermeiden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung bereit
zu stellen, mit welcher Grenzstandmessung in Rohrleitungen auf nicht
invasive Art und Weise möglich
ist, wobei die Vorrichtung leicht zu reinigen ist und sich kein
Totraum im für
die Messung sensitiven Bereich der Vorrichtung bildet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
für die
Vorrichtung ein Messrohr vorgesehen ist, dessen Querschnitt von
einer kreisrunden Form abweicht, achsensymmetrisch ist, und keine oder
eine gerade Anzahl paralleler Seiten aufweist, dass eine Antriebseinheit
mit mindestens einem Piezoelement oder einem elektrodynamischen
Antriebselement vorgesehen ist, welche das Messrohr in Schwingung
versetzt, dass eine Empfangseinheit mit mindestens einem Piezoelement
oder einem elektrodynamischen Empfangselement vorgesehen ist, welche
die Schwingungssignale des Messrohrs empfängt, und dass eine Regel- /Auswerteeinheit
vorgesehen ist, welche die Schwingungssignale der Empfangseinheit
auswertet und verarbeitet.
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende Messprinzip unterscheidet sich
gänzlich
von den bisher zur Füllstandsmessung
genutzten Prinzipien. Die Wandung des Messrohrs wird zu Schwingungen senkrecht
zur Längsachse
des Messrohrs angeregt. Durch die Auswertung der Frequenz, mit welcher
das Messrohr schwingt, kann darauf geschlossen werden, ob das Messrohr
leer bzw. mit Luft gefüllt
ist, oder ob sich Medium darin befindet. Zusätzlich zur Füllstandsmessung
bietet die Vorrichtung bei gefülltem
Messrohr die Möglichkeit
zur Bestimmung der Viskosität
oder der Dichte des sich im Messrohr befindenden Mediums.
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Die
Vorrichtung besteht aus wenigen Elementen und erfordert weniger
aufwändige
Fertigungsschritte, wie sie beispielsweise zur Abdichtung der mehrere
Elektroden umfassenden kapazitiven Sonden nötig sind. Hieraus ergibt sich
der Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Da
nur das Messrohr mit dem Medium in Kontakt kommt, bietet sich dem
Medium keine Angriffsfläche,
wie zum Beispiel Ritzen, in die es eindringen und schwer zu entfernenden
Ansatz bilden könnte.
Zur Reinigung des Messrohrs muss dieses nicht ausgebaut werden;
es genügt,
es zusammen mit der Rohrleitung auszuspülen. Durch diese Vorteile ist
die Vorrichtung optimal für
Anwendungen mit hohen hygienischen Standards geeignet.
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In
einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Messrohr an
beiden Endbereichen Übergangsbereiche
zum Anschluss an die Rohrleitung auf, welche in ihrem Querschnitt
an den Querschnitt der Rohrleitung angepasst sind. Die Übergangsbereiche
und das Messrohr sind bevorzugt aus einem Stück gefertigt. Da der Querschnitt
der Rohrleitung in der Regel kreisförmig ist, weisen die Übergangsbereiche
an der zu der Rohrleitung weisenden Seite bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt
auf. Prinzipiell sind aber auch andere Ausgestaltungen möglich.
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Gemäß einer
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind das Messrohr und die Übergangsbereiche
spiegelsymmetrisch zur Längsachse
der Rohrleitung bzw. des Messrohrs. Durch die Symmetrie des Messrohrs
ist bei Anregung symmetrischer Schwingungen eine Entkopplung des
schwingenden Systems von der Rohrleitung gewährleistet, d. h. es werden
keine oder nur sehr geringe Schwingungen auf die Rohrleitung oder
die Einspannung des Messrohres übertragen.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine
Seite des Messrohrs eine Talsohle auf, die parallel zur Längsachse
des Messrohrs ausgebildet ist und die der Talsohle gegenüberliegende
Seite des Messrohrs liegt mit der Innenseite der beiden Übergangsbereiche
in einer Ebene, wobei der Flächeninhalt
der Querschnittsfläche
des Messrohrs gleich dem Flächeninhalt
der Querschnittsfläche
der Übergangsbereiche ist.
Durch diese Ausgestaltung des Messrohrs ergibt sich bei horizontalem
Einbau des Messrohrs in die Rohrleitung eine durchgängige Unterseite
des Messrohrs ohne tiefer liegende Senke, sodass das Medium sich
nicht im Messrohr absetzen und Ansatz bilden kann. Auf Grund der
gleich großen
Querschnittsflächen
wird zudem gewährleistet,
dass keine oder nur sehr geringe Druckverluste in der Rohrleitung vorliegen.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung sind Flansche vorgesehen, über welche
das Messrohr und/oder die Übergangsbereiche
mit der Rohrleitung verbindbar ist/sind. Durch die Flansche kann
das Messrohr auf einfache Art mit nahezu jeder Rohrleitung verbunden
werden, da es sich bei Flanschen um Standardverbindungen handelt.
Die Verbindung über Flansche
gewährleistet
zudem eine absolut dichte Verbindung.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Antriebseinheit derart
angebracht und ausgestaltet, dass das Messrohr in der ersten Eigenmode
des Systems schwingt. In dieser Mode schwingen zwei gegenüberliegende
Seiten des Messrohrs gegenphasig, wobei die Mitte des Messrohrs
bezüglich
der Längsrichtung
am stärksten
ausgelenkt wird. Diese Mode ist besonders vorteilhaft, weil sie
symmetrisch ist und daher eine Entkopplung des Messrohrs von der
Rohrleitung und der Einspannung gewährleistet und weil die erste
Eigenmode die geringste Anregungsfrequenz aller symmetrischen Moden
besitzt.
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Eine
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die Antriebseinheit derart angebracht und ausgestaltet
ist, dass zwei gegenüberliegende
Seiten des Messrohrs gegenphasige Schwingungen durchführen.
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Eine
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, dass die Antriebseinheit derart angebracht und ausgestaltet
ist, dass die Schwingung des Messrohrs in einer Eigenmode des Systems
erfolgt, deren Form symmetrisch zur Längsachse des Messrohrs ausgebildet
ist.
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Bei
einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für die Antriebseinheit
und/oder Empfangseinheit ein Bimorphantrieb für den Einsatz der Vorrichtung
bei Temperaturen unterhalb einer Grenztemperatur von ca. 150°C vorgesehen.
Ein Bimorphantrieb wird beispielsweise im Produkt „Liquiphant
M” der
Anmelderin verwendet. Für
den Einsatz der Vorrichtung bei Temperaturen oberhalb der Grenztemperatur,
sowie bei Ausgestaltungsformen des Messrohrs, in welchen das Messrohr
keine ebenen Flächen
aufweist, ist ein Stapelantrieb vorgesehen. Ein Stapelantrieb besteht
aus mehreren Lagen von Piezoelementen und wird beispielsweise in
der zum Einsatz bei hohen Temperaturen geeigneten Variante des „Liquiphant” der Anmelderin
genutzt. Weist das Messrohr ebene Flächen auf und ist es für Anwendungen,
bei denen die Temperatur die Grenztemperatur nicht übersteigt,
vorgesehen, so handelt es sich bei der Antriebseinheit und der Empfangseinheit
bevorzugt um einen Bimorphantrieb.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs die
gleiche Anzahl an Antriebselementen und/oder Empfangselementen derart
angebracht, dass sich die Antriebselemente und/oder Empfangselemente gegenüberliegen.
Diese Art der Anordnung ist aus zwei Gründen vorteilhaft. Da sich durch
das Aufbringen eines Antriebs- oder Empfangselements die Steifigkeit
der jeweiligen Rohrseite ändert,
wird durch die paarweise Anordnung auf gegenüberliegenden Seiten gewährleistet,
dass die Steifigkeit von sich gegenüberliegenden Seiten identisch
ist. Zudem wird durch diese Anordnung erreicht, dass zu jeder wirkenden
Kraft eine entsprechende Gegenkraft vorhanden ist und somit keine
Kraft auf die Einspannung des Messrohrs oder die Rohrleitung wirkt.
Ist die Querschnittsfläche
des Messrohrs oval mit zwei parallelen Seiten, so sind die Antriebselemente
und/oder Empfangselemente bevorzugt auf den sich durch die parallelen
Seiten ergebenden flachen Bereichen des Messrohrs angeordnet.
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In
einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind auf zwei gegenüberliegenden
Seiten des Messrohrs je drei Antriebselemente angebracht. Diese
bevorzugte Anordnung der Antriebselemente dient der Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmoden
des Messrohrs. Im Fall eines Bimorphantriebs kann es sich bei zwei
oder mehr der Antriebselemente auch um Antriebs- und Empfangselemente
handeln, wie in der 3 beschrieben wird.
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Eine
weitere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Bimorphantrieb
in einem der Bereiche des Messrohrs angebracht ist, welche die höchste Biegespannung
erfahren.
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Eine
weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stapelantrieb
in einem der Bereiche des Messrohrs angebracht ist, welche die geringste
Deformation erfahren.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Messrohr aus einem
korrosionsbeständigen
Material gefertigt. Beispielsweise handelt es sich hierbei um Edelstahl.
Es ist gleichermaßen
denkbar, dass das Messrohr aus einem nicht korrosionsbeständigen Material
besteht, zum Schutz vor Korrosion jedoch zumindest auf der Innenseite,
welche mit dem Messmedium in Kontakt kommt, beschichtet ist. Es
ist ebenfalls möglich,
dass Messrohre aus korrosionsbeständigem Material eine zusätzliche
Beschichtung aufweisen.
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Beispielsweise
ist für
manche Anwendungen eine Beschichtung aus Gummi, PFA oder PTFE vorteilhaft.
Es kommen aber auch durch Emaillierung, Verzinkung oder Eloxieren
erzeugte Beschichtungen in Frage. Es versteht sich von selbst, dass
die Wahl des Materials des Messrohrs, sowie des Materials der Beschichtung
von dem jeweiligen Anwendungsgebiet abhängen und auch andere Materialien
zum Einsatz kommen können.
Bei alten Beschichtungsarten ist es für eine präzise Messung notwendig, eine gute
Haftung zwischen Messrohr und Beschichtung zu gewährleisten.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
den Schnitt durch eine symmetrische Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messrohrs,
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1a zeigt
den Querschnitt des Messrohrs nach 1,
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2 zeigt
den Schnitt durch ein nicht symmetrisches, eine Talsohle aufweisendes,
Ausgestaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messrohrs,
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2a zeigt
den Querschnitt des Messrohrs nach 2,
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3 zeigt
ein Anordnungsbeispiel der Antriebselemente auf dem Messrohr nach 1,
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4 zeigt
den Schnitt durch ein in der ersten Eigenmode schwingendes Messrohr
nach 1 oder 3,
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5 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines in der ersten Eigenmode schwingenden
Messrohrs mit elliptischer Querschnittsfläche.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Messrohrs 1 dargestellt, dessen Querschnittsfläche oval
mit zwei parallelen Seiten ist und welches Übergangsbereiche 3 mit
im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt
aufweist. Der Abschnitt des Messrohrs, dessen Querschnitt oval mit
zwei parallelen Seiten ist, wird im Folgenden als Flach-Ovalrohr 2 bezeichnet.
Ein Rohr dieser Querschnittsform wird beispielsweise durch Kraftausübung auf
ein gewöhnliches
zylindrisches Rohr erhalten. Gegenüber dem Rohr mit kreisrundem
Querschnitt weisen Rohre dieser Ausgestaltung eine geringere Steifigkeit
auf, sodass das deformierte Rohr mit niedrigeren Frequenzen zu resonanten
Schwingungen anregbar ist. Das Flach-Ovalrohr 2 ist in
diesem Ausführungsbeispiel symmetrisch
zur Längsachse 11 zwischen
den Übergangsbereichen 3 angeordnet.
In anderen Ausgestaltungen liegt dem Messrohr 1 ein Querschnitt
zu Grunde, welcher mehr als zwei parallele Seiten aufweist, beispielsweise
ein Rechteck oder ein Vieleck mit einer geraden Anzahl an parallelen
Seiten, dessen Ecken spitz, abgeflacht oder abgerundet sind. In wieder
anderen Ausgestaltungen weist der Querschnitt des Messrohrs 1 keine
parallelen Seiten auf, beispielsweise im Fall eines elliptischen
oder ovalen Querschnitts.
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2 offenbart
eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messrohrs 1,
dessen Grundkörper
ein Flach-Ovalrohr 2 ist und welches Übergangsbereiche 3 mit
im Wesentlichen kreisförmigem
Querschnitt sowie eine Talsohle 4 aufweist. Durch die auf
einer Seite bündige
Anordnung des Flach-Ovalrohrs 2 an
den Übergangsbereichen 3 ergibt
sich eine durchgehend ebene Seite, welche keine Vertiefungen aufweist,
sodass sich bei horizontalem Einbau des Messrohrs 1 in
die Rohrleitung das durchströmende
Medium nicht absetzen kann. In diesem Fall versteht sich von selbst,
dass der Einbau des Messrohrs 1 in die Rohrleitung mit
der Talsohle 4 nach oben erfolgt.
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3 zeigt
eine beispielhafte Anordnung von piezoelektrischen Antriebselementen
an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das Messrohr 1 besteht in dieser Ausgestaltung aus einem
Flach-Ovalrohr 2 und Übergangsbereichen 3 mit
im Wesentlichen kreisförmigem
Querschnitt. Der Anschluss an die Rohrleitung erfolgt beidseitig über entsprechend dimensionierte
Flansche 5. Auf den beiden flachen Seiten 7 des
Flach-Ovalrohrs 2 sind jeweils drei Piezoelemente 6 gegenüberliegend angebracht.
Durch diese Art der Anordnung werden keine Kräfte auf die Einspannung des
Messrohrs 1 und die Rohrleitung übertragen. Bei den in dieser
Figur gezeigten Piezoelementen 6 handelt es sich um einen
Bimorphantrieb. Die jeweils äußeren Piezoelemente 6 gehören zur
Antriebseinheit, während
die jeweils in der Mitte angeordneten Piezoelemente 6 sowohl
der Antriebseinheit als auch der Empfangseinheit zugeordnet sind.
Die Verwendung eines Bimorphantriebs als Antriebselement und als
Empfangselement lässt
sich beispielsweise durch eine Zweiteilung der Elektrode des Piezoelements
erreichen. In anderen Ausgestaltungen ist ein Anteil der vorhandenen
Piezoelemente nur der Antriebseinheit und der andere Anteil der
vorhandenen Piezoelemente nur der Empfangseinheit zugeordnet. Die
Anzahl der vorhandenen Piezoelemente 6 sowie deren Zuordnung
zur Antriebs- oder Empfangseinheit sind je nach Ausgestaltung verschieden.
Die Piezoelemente des Bimorphantriebs sind in Bereichen höchster Biegespannung
angeordnet. Der hier nicht dargestellte Stapelantrieb ist in Bereichen
geringster Deformation, beispielsweise in den Übergangsbereichen 3 oder
auf den gekrümmten,
zwischen den flachen Seiten 7 liegenden Flächen, angeordnet.
Die in anderen Ausgestaltungen vorgesehenen elektrodynamischen Antriebselemente
sind in Bereichen, welche die höchste
Deformation erfahren, angebracht. Übliche elektrodynamische Antriebselemente
ermöglichen
eine kontaktlose Schwingungsanregung des Messrohrs. Beispielsweise
ist ein Kontaktelement aus einem magnetostriktiven oder elektrisch
leitenden Material auf dem Messrohr angebracht oder das Messrohr
besteht selbst aus einem magnetostriktiven oder elektrisch leitenden
Material. Bei Einkopplung eines magnetischen Feldes, üblicherweise
durch eine Spule, oder eines elektrischen Feldes wird in dem Kontaktelement
die magnetische oder elektrische Energie in mechanische Energie
umgewandelt und das Messrohr zu Schwingungen angeregt. In dieser
Figur nicht dargestellt ist die Regel-/Auswerteeinheit, welche die
Signale der Empfangseinheit verarbeitet und welche die Antriebseinheit
steuert. Die Regel-/Auswerteeinheit befindet
sich beispielsweise in einem Gehäuse,
welches vom Messrohr 1 entkoppelt und nur über Kontaktierungen
mit diesem verbunden ist. Beispielsweise ist das Gehäuse im Bereich
der Einspannung des Messrohrs 1 angebracht.
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In 4 ist
die Schwingung eines ein Flach-Ovalrohr 2 aufweisenden
Messrohrs 1 in der ersten Eigenmode dargestellt. Die beiden
flachen Seiten 7 führen
gegenphasige Schwingungen aus, während
die Übergangsbereiche 3 nahezu
ruhen. Die Bereiche maximaler Auslenkung befinden sich jeweils in
der Mitte der flachen Seiten 7. Durch die gegenphasige
symmetrische Schwingung beträgt
die Summe der auf die gesamte Vorrichtung wirkenden Kräfte Null,
sodass die Vorrichtung von der Einspannung entkoppelt ist.
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5 offenbart
ein in der ersten Eigenmode schwingendes Messrohr 1 mit
elliptischer Querschnittsfläche,
wobei nur der elliptische Teil 8 ohne die Übergangsbereiche 3 dargestellt
ist. Die beiden breiten Seiten 9 führen gegenphasige Schwingungen aus,
wobei die maximale Auslenkung wie bei dem in 4 dargestellten
Flach-Ovalrohr 2 in der Mitte der schwingenden breiten
Seiten 9 liegt. Die schmalen Seiten 10 des elliptischen
Teils 8 des Messrohrs 1 bleiben bei der Schwingung
in Ruhe.
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- 1
- Messrohr
- 2
- Flach-Ovalrohr
- 3
- Übergangsbereich
- 4
- Talsohle
- 5
- Flansch
- 6
- Piezoelement
- 7
- Flache
Seite
- 8
- Elliptischer
Teil
- 9
- Breite
Seite
- 10
- Schmale
Seite
- 11
- Längsachse