DE102012016490A1

DE102012016490A1 - Coriolis-Massendurchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102012016490A1
Application number: DE102012016490A
Authority: DE
Inventors: Thomas CHATZIKONSTANTINOU
Original assignee: Rota Yokogawa GmbH and Co KG
Current assignee: Rota Yokogawa GmbH and Co KG
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2013-12-05
Also published as: US20130319134A1; US9194731B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) mit zwei U-förmigen Messrohren (5) mit jeweils zwei äußeren Rohrabschnitten (A) und einem dazwischen liegenden zentralen Rohrabschnitt (Z). Es weist einen Schwingungserreger (9) zum definierten Anregen einer Bewegung der Messrohre (5), zwei Schwingungsaufnehmer (10) zur Aufnahme von Bewegungen der Messrohre (5) sowie ein Gehäuse (12) zur Aufnahme von zumindest Teilen der Messrohre (5) auf. Die Einlässe (3) und Auslässe (4) sind fest mit dem Gehäuse (12) verbunden. Eine erste und eine zweite Querstrebe (7, 7'), die im Rohrbereich zwischen den Ein- und Auslässen (3, 4) angeordnet sind, zum Koppeln der beiden Messrohre (5) bilden die Schwingungsknotenpunkte der Messrohre (5). Ein Rohrabschnitt (A) des einen Messrohrs (5) ist einstückig mit einem Rohrabschnitt des anderen Messrohrs (5) ausgebildet. Ferner sind die beiden Rohrabschnitte (A) einstückig mit Teilen des Gehäuses (12) oder einstückig mit einer der Querstreben (7, 7') ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät.
Ein solches Coriolis-Massendurchflussmessgerät ist aus der EP 1 985 975 A2 bekannt. Dieses umfasst zwei U-förmige Messrohre, durch welche das zu messende Fluid hindurchfließt. Ein Schwingungserzeuger versetzt die Messrohre in definierte Schwingung. Mittels zweier Schwingungsaufnehmer wird die Bewegung der beiden Messrohre an unterschiedlichen Stellen ermittelt. Aus der Phasenverschiebung der durch die beiden Schwingungsaufnehmer gemessenen Schwingungen wird der Massendurchfluss berechnet.
Die heute verwendeten Massendurchflussmessgeräte werden auch für Fluide mit geringer Dichte, zum Beispiel Gase, oder für Fluide mit sehr hoher Viskosität eingesetzt, wobei bei beiden genannten Arten von Fluiden zumeist ein sehr geringer Massendurchfluss herrscht. Daher ist die Phasenverschiebung an den beiden Schwingungsaufnehmern generell sehr klein. Um auch kleine Massendurchflüsse recht genau messen zu können, ist eine hohe Nullpunktstabilität des Massendurchflussmessgeräts notwendig. Für diese hohe Nullpunktstabilität ist es unter anderem erforderlich, dass die Massendurchflussmessgeräte im Bereich der Anschlussstelle möglichst vibrationsfrei sind, so dass möglichst keine Schwingungsenergie in die sich anschließende Prozessleitung abgeleitet wird. Werden die Kräfte, die durch die vibrierenden Messrohre erzeugt werden, nicht vollständig kompensiert, so kann das gesamte Gehäuse, in dem die Messanordnung aufgenommen ist, zu Schwingungen angeregt werden. Somit kann die Schwingungsenergie in die angrenzende Prozessleitung weitergeleitet. werden, was wiederum zu Rückkopplungen führt. Solche Rückkopplungen können das Messergebnis verfälschen. Verstärkt werden kann dieser negative Effekt dann, wenn die von der Messanordnung ausgehenden Schwingungen in Resonanz mit Schwingungen an angrenzenden hydraulischen und pneumatischen Einrichtungen sind. In diesem Fall können sehr starke Wechselwirkungen des Gerätes mit der Umgebung auftreten, was wiederum zu erheblichen Messfehlern führen kann.
Um die Nullpunktstabilität bei herkömmlichen Coriolis-Massendurchflussmessgeräten zu erhöhen, ist es bekannt, Querstreben zwischen den einzelnen Messrohren anzubringen. Diese Querstreben verbinden dann die U-förmigen Messrohre an deren äußeren Rohrabschnitten so miteinander, dass die relative Lage der Messrohre zumindest in diesen äußeren Rohrabschnitten zueinander fixiert bleibt. Sie haben die Aufgabe, die natürliche Eigenschwingung der Messrohre, die sich bei ruhendem Fluid einstellt, von auf Coriolis-Kräften beruhenden Schwingungen bei strömendem Fluid zu trennen und die Übertragung von Schwingungen zwischen Messrohren und Rohrleitungssystem zu verringern. Die bereits genannte EP 1 985 975 A2 beschäftigt sich mit der Frage, wie solche Querstreben genau anzuordnen sind, damit die Schwingungen möglichst gut gedämpft werden. Die Querstreben werden durch übliche Verbindungsmethoden, wie Kleben, Schweißen oder per Steckverbindungen miteinander verbunden. Alle diese Verbindungsmethoden unterliegen allerdings einer recht hohen Fertigungsstreuung. So kommt es dazu, dass jede Verbindung gewissermaßen ein Unikat darstellt, welches auch wiederum eine individuelle Übertragungscharakteristik bezüglich der anfallenden Schwingungen aufweist. Insofern werden in den Verbindungen mancher Messgeräte gewisse Schwingungsfrequenzen gut durchgeleitet, während in den Verbindungen anderer Messgeräte diese Schwingungsfrequenzen besser abgedämpft werden.
Es hat sich also gezeigt, dass hinsichtlich der Nullpunktstabilität trotz der bereits existierenden Lösungsansätze noch weiterer Verbesserungsbedarf besteht.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Coriolis-Massendurchflussmessgerät bereitzustellen, das über eine verbesserte Nullpunktstabilität verfügt. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Kern der Erfindung liegt nun insbesondere darin, dass einzelne Kernelemente des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes einstückig miteinander ausgebildet sind. Dies trifft im Speziellen zumindest auf einzelne Rohrabschnitte von benachbarten Messrohren zu. Das bedeutet, dass ein Abschnitt des einen Messrohrs einstückig mit einem Rohrabschnitt des anderen Messrohrs ausgebildet ist. Die Verbindung zwischen diesen Messrohren kann dann über das Gehäuse oder einen Abschnitt des Gehäuses erfolgen, welches auch wiederum einstückig mit diesen beiden Rohrabschnitten ausgebildet ist und/oder mit einer Querstrebe, welche auch wiederum einstückig mit diesen beiden Rohrabschnitten ausgebildet ist.
Durch die einstückige Ausbildung der angesprochenen Teile des Messgerätes können sehr stabile Einheiten aus diesen Elementen gebildet werden. Ferner können den Übergängen zwischen den einzelnen Elementen definierte Übertragungscharakteristiken zugewiesen werden. Diese Zuweisung von Übertragungscharakteristiken lässt sich dabei zuverlässig umsetzen und unterliegt in der Produktion keinerlei wesentlichen Qualitätsschwankungen, wie sie sich bei den bislang verwendeten Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Klebe-, Schweiß- oder Steckverbindungen, nicht vermeiden lassen.
Dabei ist es besonders von Vorteil, dass eine Querstrebe mit zwei benachbarten äußeren Rohrabschnitten zweier separater Messrohre ausgebildet ist und sich diese Querstrebe ferner noch einstückig an einen Wandungsabschnitt des Gehäuses anschließt. Damit kann auf recht einfache Art und Weise eine sehr zuverlässige und insbesondere sehr starre Verbindung zwischen den äußeren Rohrabschnitten und dem Gehäuse entstehen, und zwar an einer Stelle, die sich noch Messrohreinwärts von der eigentlichen Anschlussstelle zwischen den Messrohren und Prozessleitung befindet.
In einer sehr bevorzugten Ausgestaltung ist ein einstückig ausgebildetes Rohranschlussgehäuse vorgesehen, welches folgende Komponenten umfasst: Zwei äußere Rohrabschnitte, die insbesondere benachbart zueinander angeordnet sind und den beiden separaten Messrohren zugeordnet sind; ein Gehäuseabschnitt, zum Aufnehmen der beiden Rohrabschnitte; ein Anschlussstück des Gehäuses, an dem auch die Verbindung mit der Prozessleitung mit den Messrohren erfolgt; sowie eine Querstrebe, die die beiden äußeren Rohrabschnitte unmittelbar mit dem Gehäuse verbindet. Das bedeutet, dass die Querstrebe einstückig mit den beiden äußeren Rohrabschnitten und mit dem Gehäuseabschnitt ausgebildet ist.
Durch die derartige Ausbildung eines Rohrabschnittsgehäuses wird eine kompakte, starre Einheit gebildet, welche von angrenzenden Bereichen auftreffende Schwingungen als eine Einheit aufnehmen und, wenn gewünscht, absorbieren kann. Schwingungen, die entweder seitens der Einlässe oder seitens des zentralen Rohrabschnittes in Richtung des Rohranschlussgehäuses auftreffen, werden somit also nicht mehr zwangsläufig nur von den äußeren Rohrabschnitten aufgenommen und weitertransportiert bis zum Anschlussbereich, sondern können bereits vorher unmittelbar auf das eigentliche Gehäuse übertragen werden. Es versteht sich von selbst, dass ein solches Rohranschlussgehäuse sowohl im Einlassbereich, als auch im Auslassbereich vorgesehen sein kann.
Grundsätzlich ist es zwar möglich, dass sich separate zentrale Rohrabschnitte an äußere Rohrabschnitte anschließen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es allerdings vorgesehen, dass die Rohrabschnitte der Messrohre vom Einlass bis zum Auslass einstückig miteinander ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß werden zum Herstellen eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes der oben genannten Art Rohrabschnitte der beiden Messrohre und Teile des Gehäuses bzw. die Querstreben in einem Verfahrensschritt durch ein Urformverfahren hergestellt, bei dem die Rohrabschnitte und Teile des Gehäuses und/oder Querstreben schichtweise aus flüssigem oder verflüssigtem Material aufgebaut werden. Hierzu eignen sich die bekannten Rapid-Prototype-Verfahren, wie insbesondere der 3D-Druck oder die Stereolithographie. Die Kosten dieser Verfahren sinken in letzter Zeit beträchtlich, so dass unter Berücksichtigung der recht einfach zu erhaltenen Qualitätsverbesserung deren Anwendung zur Produktion solcher Messgeräte nun als besonders geeignet erscheint.
Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert. Es zeigen schematisch
1a: ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht;
1b: das Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß 1 in Seitenansicht;
2: einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Coriolis-Massendurchflussmessgeräts in Seitenansicht;
3: den Ausschnitt der 2 in perspektivischer Ansicht.
Die 1a und 1b zeigen ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 nach dem Stand der Technik. Die Darstellung gemäß 1a ist eine perspektivische Ansicht, die Darstellung gemäß 1b ist eine schematische Seitenansicht. Das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 umfasst dabei ein Gehäuse in Form eines metallischen Rahmens 12, an dessen Enden sich ein Einlass 3 und ein Auslass 4 für ein Fluid befinden. In der Nähe des Einlasses 3 und des Auslasses 4 befinden sich Prozessanschlüsse 13, um das Messgerät 1 in eine Prozessleitung einzubauen. Zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 befindet sich ein Paar U-förmiger Messrohre 5, die jeweils von einem fluiden Medium durchströmt werden können. Damit beide Messrohre 5 durchströmt werden, ist im vorliegenden Fall nahe des Einlasses 3 bzw. des Auslasses 4 jeweils ein Strömungsteiler 11 vorgesehen. Die beiden Messrohre 5 weisen dabei jeweils zwei äußere Rohrabschnitte A auf, zwischen denen ein zentraler Rohrabschnitt Z angeordnet ist. Die äußeren Rohrabschnitte A umfassen dabei die äußeren Krümmungen, während der zentrale Rohrabschnitt Z die zentrale Krümmung, die entgegen den äußeren Krümmungen verläuft, aufweist. An den äußeren Rohrabschnitten A sind vorliegend jeweils zwei Querstreben 7, 7' und 8, 8' vorgesehen, die die relative Lage der beiden Messrohre zumindest im Bereich des äußeren Rohrabschnitts A fixieren. Die Durchflussrichtung des Fluids ist mit d bezeichnet.
Die zwei Messrohre 5 werden mittels eines Schwingungserregers 9 in gegenläufige Schwingung versetzt. Die beiden U-förmigen Messrohre bewegen sich dabei periodisch voneinander fort und erneut aufeinander zu. Dabei werden die Schwingungsbewegungen der Messrohre 5 durch die beiden Schwingungsaufnehmer 10 bzw. 10' delektiert. Fließt keinerlei Fluid durch das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1, so ist die durch die beiden Schwingungsaufnehmer 10 bzw. 10' detektierte Bewegung der Messrohre 5 in Phase zueinander. Fließt hingegen ein Fluid durch die Messrohre 5 hindurch, so erfährt das darin fließende Medium durch die Schwingungsbewegung der Messrohre 5 eine Coriolis-Kraft, die im Bereich der Schwingungsaufnehmer 10 bzw. 10' jeweils unterschiedlich gerichtet ist. Aus diesem Grunde kommt es zwischen den mittels der Schwingungsaufnehmer 10 bzw. 10' delektierten Signalen zu einer Phasenverschiebung. Der gemessene Phasenwinkel ist direkt propordonal zum Massedurchfluss. Der Elastizitätsmodul des Messrohrmaterials ist temperaturabhängig und geht ebenfalls in den Proportionalitätsfaktor zwischen Phasenwinkel und Massendurchfluss ein. Deshalb kann auch die Temperatur der Messrohre 5 bestimmt und der Phasenwinkel entsprechend kompensiert werden. Mittels einer geeigneten Signalverarbeitung entsteht aus den gemessenen Signalen ein Wert, der Aufschluss über den gesuchten Massendurchfluss gibt.
Der Grundaufbau dieses bekannten Massendurchflussmessgerätes trifft, sofern nicht anders angegeben, auch auf das erfindungsgemäße Massendurchflussmessgerät 1 zu, welches anhand der 2 und 3 nachfolgend erläutert wird. Dort ist der Übersichtlichkeit halber lediglich diejenige Hälfte des Messgerätes 1 gezeigt, die den Einlass 3 aufweist. Die andere Hälfte, die den Auslass 4 aufweist, ist identisch dazu ausgebildet. Ferner fehlen in der Darstellung die vorhandenen Sensoren und der Schwingungserreger. Eine Seitenwand des Gehäuses ist nicht dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die wesentlichen Elemente des Massendurchflussmessgeräts 1 einstückig miteinander ausgebildet sind, mit Ausnahme der Sensoren und des Schwingungserregers. So ist das Gehäuse 12 sowie die Messrohre 5 vollständig aus einem Stück hergestellt. Im Bereich des Einlasses 3 und Auslasses 4 besteht eine einstückige Verbindung zwischen dem Gehäuse 12 und den Messrohren 5 im Bereich eines Anschlussstücks 13, wo die Messrohre 5 an eine nicht dargestellte Prozessleitung angeschlossen werden können. Eine einstückige Verbindung zwischen den Messrohren 5 und dem Gehäuse 12 besteht ferner durch eine erste Querstrebe 7, die sich im Wesentlichen quer zur Durchflussrichtung erstreckt und senkrecht auf eine Seitenwandung des Gehäuses 12 trifft. Sie bildet einen ersten Schwingungsknotenpunkt der Messrohre 5. Eine von der ersten Querstrebe beabstandete zweite Querstrebe 7' bildet einen zweiten Schwingungsknotenpunkt der Messrohre 5. Die zweite Querstrebe 7' ist als Rohr ausgebildet, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Vierkantrohr. Sie ist dem Einlass beziehungsweise dem Anschlussstück 13 abgewandt und ausgehend von den äußeren Rohrabschnitten A dem zentralen Rohrabschnitt Z zugewandt, ragt im Vergleich zur ersten Querstrebe 7 aber nicht bis zur Gehäusewand 12, sondern endet vorher. Insofern sind die zweite Querstrebe 7' und die Gehäusewand 12 nicht unmittelbar miteinander verbunden. So wird es ermöglicht, dass Bereiche der Messrohre 5, die weiter in Richtung des zentralen Rohrabschnitts Z gelegen sind, sich vermehrt relativ zum Gehäuse 12 bewegen können. Die Bewegung der beiden Messrohre 5 ist in diesem Bereich mittels der zweiten Querstrebe 7' gekoppelt.
Es ist zu erkennen, dass sich ein Rohranschlussgehäuse 14 im Bereich des Einlasses 3 und auch im Bereich des nicht dargestellten Auslasses ausbildet, der durch die Gehäusewandung 12 im Bereich des Einlasses bzw. Auslasses, die äußeren Rohrabschnitte A sowie die erste Querstrebe 7 gebildet wird. Unabhängig davon, dass auch die anderen Elemente einstückig miteinander ausgebildet sind, entsteht bereits durch dieses einstückig ausgebildete Rohrabschnittsgehäuse 14 eine sehr kompakte und stabile Einheit, welche es ermöglicht, dass die Prozessanschlüsse 13 im Wesentlichen vollständig entkoppelt sind von Schwingungen im zentralen Rohrabschnitt Z. Die Übergänge zwischen den einzelnen Elementen des Rohranschlussgehäuses lassen sich stets in gleichbleibender Qualität reproduzieren, so dass das Schwingungsübertragungsverhalten definiert vorgegeben werden kann.
Die Ausgestaltung der Querstreben 7, 7' trifft gleichermaßen auf die nicht dargestellten Querstreben zu.
Zur Herstellung solcher Messgeräte eignen sich solche Urformverfahren, insbesondere Rapid-Prototype-Verfahren, wie die Stereolithographie oder der 3D-Druck, welche die einstückig miteinander ausgebildeten Elemente des Messgeräts schichtweise aus flüssigem oder verflüssigtem Material aufbauen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1985975 A2 [0002, 0004]

Claims

Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1), umfassend zwei U-förmige Messrohre (5) mit jeweils zwei äußeren Rohrabschnitten (A) und einem dazwischen liegenden zentralen Rohrabschnitt (Z), wobei die Messrohre von einem Fluid durchströmt werden, wobei die Messrohre (5) jeweils einen Einlass (3) und einen Auslass (4) aufweisen; einen Schwingungserreger (9) zum definierten Anregen einer Bewegung der Messrohre (5); zwei Schwingungsaufnehmer (10) zur Aufnahme von Bewegungen der Messrohre (5), ein Gehäuse (12) zur Aufnahme von zumindest Teilen der Messrohre (5), wobei insbesondere die Einlässe (3) und Auslässe (4) fest mit dem Gehäuse (12) verbunden sind; eine erste und zweite Querstrebe (7, 7') zum Koppeln der beiden Messrohre (5) im Rohrbereich zwischen den Ein- und Auslässen (3, 4); dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrabschnitt (A) des einen Messrohrs (5) einstückig mit einem Rohrabschnitt des anderen Messrohrs (5) ausgebildet ist, und dass die beiden Rohrabschnitte (A) ferner einstückig mit Teilen des Gehäuses (12) oder einstückig mit einer der Querstreben (7, 7') ausgebildet sind.
Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrohre (5) ferner vom Einlass (3) bis zum Auslass (4) vollständig einstückig ausgebildet sind.
Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Querstrebe (7) einstückig mit zwei benachbarten äußeren Rohrabschnitten (A) der zwei separaten Messrohre (5) ausgebildet ist und ferner sich einstückig an einen Wandungsabschnitt des Gehäuses (12) anschließt.
Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Querstrebe (7') als Rohr ausgebildet ist, insbesondere als Vierkantrohr.
Coriolis-Massendurchflussmessgerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massendurchflussmessgerät (1) ein einstückig ausgebildetes Rohranschlussgehäuse (14) aufweist, wobei das Rohranschlussgehäuse umfasst: – zwei äußere Rohrabschnitte (A), die jeweils einem der beiden Messrohre (5) zugeordnet sind, – ein Gehäuseabschnitt zum Aufnehmen der beiden äußeren Rohrabschnitte (A), – ein Anschlussstück (13) zum Verbinden der Messrohre (5) mit der Prozessleitung; – eine erste und zweite Querstrebe (7, 7'), die die beiden äußeren Rohrabschnitte (A) unmittelbar mit dem Gehäuseabschnitt verbindet.
Verfahren zum Herstellen eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Rohrabschnitte (A) der beiden Messrohre (5) und Teile des Gehäuses (12) und/oder die Querstreben (7, 7') in einem Verfahrensschritt durch ein Urformverfahren hergestellt werden, bei dem die äußeren Rohrabschnitte (A) und Teile des Gehäuses (12) und/oder die Querstreben (7, 7') schichtweise aus flüssigem oder verflüssigtem Material aufgebaut werden.