DE102015104931A1

DE102015104931A1 - Coriolis-Massedurchfussmessgerät mit vier gebogenen Messrohren

Info

Publication number: DE102015104931A1
Application number: DE102015104931.7A
Authority: DE
Inventors: Hao Zhu; Alfred Rieder
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-06-30
Also published as: US10408652B2; EP3241000A1; US20170356777A1; EP3241000B1; CN107209039A; CN107209039B; WO2016107694A1

Abstract

Ein Coriolis-Massedurchflussmessgerät 100 umfasst vier gebogenene, Messrohre 110a, 110b, 110, 110dd, zwei Aktuatoranordnungen 140a, 140c, und zwei Sensoranordnungen 142a-1, 142a-2, 142c-1, 142c-2, wobei alle vier Messrohre (110a, 110b, 110c, 110d) jeweils einlassseitig und auslassseitig mit einem Sammler (120) strömungstechnisch zusammengefasst sind, wobei die Messrohre einlassseitig und auslassseitig jeweils paarweise mit Knotenplatten 132a, 132c, 134a, 134c zu Oszillatoren zusammengefasst sind, wobei die Aktuatoranordnungen 140a, 140c dazu eingerichtet sind jeweils Biegeschwingungsnutzmoden zwischen den beiden Messrohren eines Oszillators anzuregen, wobei der erste Oszillator und der zweite Oszillator jeweils einen Biegeschwingungsnutzmode mit einer ersten bzw. zweiten Nutzmodeeigenfrequenz (f11, f12) aufweisen, wobei der Betrag der Differenz der Nutzmodeeigenfrequenzen der beiden Oszillatoren (|f11–f12|) mindestens 0,1-Fache, beispielsweise mindestens das 0,2-Fache und insbesondere mindestens das 0,4-Fache der niedrigeren der beiden Nutzmodeeigenfrequenzen beträgt, wobei die Sensoranordnungen dazu eingerichtet sind, Schwingungen der Oszillatoren zu erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Coriolis Massedurchflussmessgerät (im Folgenden CMD) mit zwei in der Ruhelage gebogenen Messrohrpaaren. Derartige CMD sind bekannt aus den Offenlegungsschriften DE 10 2009 055 069 A1 , DE 10 2010 039 627 A1 , WO 2012/089431 A1 und DE 10 2011 010 178 A1 . In den genannten Offenlegungsschriften werden die Messrohre der CMD mechanisch gekoppelt angeregt. Dies ist konstruktiv sehr aufwändig und kann zu großen mechanischen Spannungen, insbesondere thermomechanischen Spannungen in den Messrohren führen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das CMD gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Coriolis-Massedurchflussmessgerät (im Folgenden CMD) umfasst vier Messrohre; mindestens eine erste Aktuatoranordnung und eine zweite Aktuatoranordnung; mindestens eine erste Sensoranordnung und eine zweite Sensoranordnung, wobei alle vier Messrohre jeweils einlassseitig und auslassseitig mit einem Sammler (3) strömungstechnisch zusammengefasst sind,
wobei das erste Messrohr und das zweite Messrohr einlassseitig und auslassseitig mit jeweils mindestens einer starren Knotenplatte, die beabstandet zum Sammler angeordnet ist, miteinander verbunden sind, um einen ersten Oszillator zu bilden, wobei die erste Aktuatoranordnung dazu eingerichtet ist, einen Biegeschwingungsnutzmode zwischen den beiden Messrohren des ersten Oszillators anzuregen,
wobei das dritte Messrohr und das vierte Messrohr einlassseitig und auslassseitig mit jeweils mindestens einer starren Knotenplatte, die beabstandet zum Sammler, angeordnet ist miteinander verbunden sind, um einen zweiten Oszillator zu bilden, wobei die zweite Aktuatoranordnung dazu eingerichtet ist, einen Biegeschwingungsnutzmode zwischen den beiden Messrohren des zweiten Oszillators anzuregen,
wobei der erste Oszillator und der zweite Oszillator jeweils einen Biegeschwingungsnutzmode mit einer ersten bzw. zweiten Nutzmodeeigenfrequenz (f₁₁, f₁₂) aufweisen,
wobei der Betrag der Differenz der Nutzmodeeigenfrequenzen der beiden Oszillatoren (|f₁₁–f₁₂|) mindestens 0,1-Fache, beispielsweise mindestens das 0,2-Fache und insbesondere mindestens das 0,4-Fache der niedrigeren der beiden Nutzmodeeigenfrequenzen beträgt,
wobei die erste Sensoranordnung dazu eingerichtet ist, Schwingungen des ersten Oszillators zu erfassen, und
wobei die zweite Sensoranordnung dazu eingerichtet ist Schwingungen des zweiten Oszillators zu erfassen.
In einer Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Messrohre des ersten Oszillators symmetrisch zu einer ersten Spiegelebene, wobei die Messrohre des zweiten Oszillators ebenfalls symmetrisch zu der ersten Spiegelebene verlaufen, die zwischen den Messrohren des ersten Oszillators und zwischen den Messrohren des zweiten Oszillators verläuft.
In einer Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Messrohre des ersten Oszillators symmetrisch zu einer zweiten Spiegelebene, die senkrecht zur ersten Spiegelebene verläuft, und die Messrohre des ersten Oszillators schneidet, wobei die Messrohre des zweiten Oszillators ebenfalls symmetrisch zu der zweiten Spiegelebene verlaufen, und von der zweiten Spiegelebene geschnitten werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das CMD weiterhin eine Betriebsschaltung zum Treiben der Aktuatoranordnungen und zum Erfassen der Signale der Sensoranordnungen, wobei die Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Aktuatoranordnungen so zu treiben, dass die Biegeschwingungsnutzmoden des ersten bzw. zweiten Oszillators unabhängig voneinander bei der jeweiligen Nutzmodeeigenfrequenz angeregt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebsschaltung dazu eingerichtet, die Aktuatoranordnungen so zu treiben, dass die Biegeschwingungsnutzmoden des ersten bzw. zweiten Oszillators gleichzeitig angeregt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Oszillator dazu eingerichtet, jeweils den Biegeschwingungsnutzmoden überlagerte durch Corioliskräfte bedingte Auslenkungen (im folgenden „Coriolisauslenkungen“) aufzuweisen, wenn die Messrohre von einem Massestrom durchsetzt sind, wobei die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung jeweils mindestens zwei Sensorelemente aufweisen, um eine Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Coriolisauslenkungen und dem zugehörigen Biegeschwingungsnutzmode zu erfassen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Betriebsschaltung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung der jeweiligen Coriolisauslenkung einen ersten Massedurchfluss (dm/dt_{_1}) durch die Messrohre des ersten Oszillators und einen zweiten Massedurchfluss (dm/dt_{_2}) durch die Messrohre des zweiten Oszillators zu ermitteln, und die Summe des ersten Massedurchflusses (dm/dt_{_1}) und des zweiten Massedurchflusses (dm/dt_{_2}) als Gesamtmassedurchfluss (dm/dt) auszugeben (dm/dt = dm/dt_{_1} + dm/dt_{_2}).
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das CMD gebogene Messrohre auf, wobei die Messrohre jeweils eine Rohrmittelachse aufweisen, wobei einlassseitige und auslassseitige Schnittpunkte der Rohrmittelachsen der Messrohre eines Oszillators mit den Stirnflächen der Messrohre jeweils eine Basisebene des Oszillators definieren, wobei die Messrohre jeweils eines Oszillators eine Länge (l) aufweisen, wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des ersten Oszillators – bezogen auf die Basisebene des ersten Oszillators – bei der halben Rohrlänge (l/2) der Basisebene des zweiten Oszillators abgewandt sind, und wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des zweiten Oszillatorsbezogen auf die Basisebene des zweiten Oszillators – bei der halben Rohrlänge (l/2) den Messrohren des ersten Oszillators zugewandt sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Nutzmodeeigenfrequenz des zweiten Oszillators größer ist, als die Nutzmodeeigenfrequenz des ersten Oszillators.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Messrohre gebogen, wobei die Messrohre jeweils eine Rohrmittelachse aufweisen, wobei einlassseitige und auslassseitige Schnittpunkte der Rohrmittelachsen der Messrohre eines Oszillators mit den Stirnflächen der Messrohre jeweils eine Basisebene des Oszillators definieren, wobei die Messrohre jeweils eines Oszillators eine Länge aufweisen, wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des ersten Oszillators – bezogen auf die Basisebene des ersten Oszillators – bei der halben Rohrlänge der Basisebene des zweiten Oszillators abgewandt sind, und wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des zweiten Oszillators – bezogen auf die Basisebene des zweiten Oszillators – bei der halben Rohrlänge der Basisebene des ersten Oszillators abgewandt sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die einlassseitig und auslassseitig vorgesehenen Sammler derart stabil ausgestaltet, dass sie die Funktionalität einer Knotenplatte erfüllen.
In einer Weiterbildung umfasst das CMD ein Trägerrohr welches den einlassseitigen Sammler und den auslassseitigen Sammler starr mit einander verbindet.
In einer Weiterbildung der Erfindung der Erfindung liegen das erste Messrohr und das dritte Messrohr in einer gemeinsamen ersten Ebene, und das zweite Messrohr und das vierte Messrohr liegen in einer gemeinsamen zweiten Ebene, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene parallel zueinander verlaufen.
Die gemeinsame erste Ebene und die zweite gemeinsame Ebene sind insbesondere die Ebenen in denen die Messrohrachsen der in ihnen liegenden Messrohre verlaufen.
Die gemeinsame erste Ebene und die zweite gemeinsame Ebene verlaufen insbesodere parallel zu der weiter oben definierten ersten Spiegelebene.
Zum Erzielen der unterschiedlichen Nutzmodeeigenfrequenzen unterscheiden sich Oszillatoren gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in mindestens einer der folgenden Eigenschaften:

• Wandstärke der Messrohre
• Schwingfähige Länge der Messrohre
• Innendurchmesser der Messrohre
• Außendurchmesser der Messrohre
• Rohrmaterial
• Form der Knotenplatten
• Position der Knotenplatten
• Zusatzmassen an den Messrohren,

Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1a: eine schematische Frontansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen CMD;
1b: eine schematische Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen CMD ohne Trägerrohr;
1c: eine räumliche Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen CMD ohne Trägerrohr;
1d: eine räumliche Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen CMD mit montiertem Trägerrohr;
2: ein Koordinatensystem zur Beschreibung einiger Eigenschaften des erfindungsgemäßen CMD;
3a: eine schematische Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen CMD mit montiertem Trägerrohr; und
3b: eine räumliche Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen CMD mit montiertem Trägerrohr;
Das in 1a bis 1d dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen CMD 100 umfasst vier gebogene Messrohre 110a, 110b, 110c, 110d. Die Messrohre 110a, 110b, 110c, 110d erstrecken sich zwischen einem einlassseitigen Sammler 120 und einem auslassseitigen Sammler 120, und sind mit diesen fest verbunden, beispielsweise durch Einwalzen, Hartlöten oder Schweißen. Zwischen den Sammlern 120 erstreckt sich ein massives Trägerrohr 124, das mit beiden Sammlern fest verbunden ist, wodurch die Sammler 120 starr miteinander gekoppelt sind. Das Trägerrohr 124 weist an seiner Oberseite Öffnungen auf, durch welche die Messrohre 110a, 110b, 110c, 110d von den Sammlern 120 aus dem Trägerrohr 124 heraus und wieder zurück geführt sind.
Die Sammler 120 weisen endständig jeweils einen Flansch 122 auf, mittels dessen das CMD in einer Rohrleitung zu installieren ist. Durch zentrale Öffnungen 123 in den Flanschen 122 ist ein Massestrom durch das CMD 100, insbesondere dessen Rohrleitungen 110a, 110b, 110c, 110d zu führen, um den Massestrom zu messen.
Ein erstes Messrohr 110a und ein zweites Messrohr 110b sind einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 132a, 134a verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 132a, also durch jene, welche einlassseitig bzw. auslassseitig jeweils am weitesten vom entsprechenden Sammler 120 entfernt sind, eine Schwingungslänge eines durch das erste Messrohr 110a, und das zweite Messrohr 110b gebildeten ersten Oszillators festgelegt ist. Diese freie Schwingungslänge hat großen Einfluss auf einen so genannten Biegeschwingungsnutzmode des ersten Oszillators, insbesondere auf dessen Eigenfrequenz, mit welcher der erste Oszillator anzuregen ist.
Ein drittes Messrohr 110c und ein viertes Messrohr 110d sind einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 132c, 134c verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 132c, also durch jene, welche einlassseitig bzw. auslassseitig jeweils am weitesten vom entsprechenden Sammler 120 entfernt sind, eine Schwingungslänge eines durch das dritte Messrohr 110c und das vierte Messrohr 110d gebildeten zweiten Oszillators festgelegt ist. Diese freie Schwingungslänge hat großen Einfluss auf einen so genannten Biegeschwingungsnutzmode des zweiten Oszillators, insbesondere auf dessen Eigenfrequenz, mit welcher der zweite Oszillator anzuregen ist.
Sämtliche äußeren Knotenplatten 134a, 134c, die jeweils zwischen den inneren Knotenplatten 132a, 132c und den Sammlern 120 angeordnet sind, dienen insbesondere dazu, weitere Schwingungsknoten zu definieren, um einerseits die mechanischen Maximalspannungen an den schwingenden Messrohren zu reduzieren, und andererseits das Auskoppeln von Schwingungsenergie in eine Rohrleitung, in welcher das CMD montiert ist, bzw. das Einkoppeln von Störschwingungen aus der Rohrleitung zu minimieren.
Die Knotenplatten 132a, 132b, 134a, 134b definieren Schwingungsknoten für die Messrohre. Zwischen den inneren Kopplern bzw. Knotenplatten 132a, 132b können die Messrohre 110a, 110b frei schwingen, so dass durch die Position der inneren Koppler bzw. Knotenplatten die Schwingungseigenschaften des durch die Messrohre 110a, 110b gebildeten Oszillators, insbesondere Eigenfrequenzen von Schwingungsmoden des Oszillators wesentlich mitbestimmt werden.
Die freie Schwingungslänge der Messrohre 110a, 110b des ersten Oszillators ist wesentlich größer als die freie Schwingungslänge der Messrohre 110c, 110d des zweiten Oszillators, wobei die Messrohre 110a, 110b des ersten Oszillators in einem höheren Bogen geführt sind, als die Messrohre 110c, 110d des zweiten Oszillators. Dies führt beispielsweise dazu, dass bei dem dargestellen CMD, welches Messrohre mit einem Außendurchmesser von 3 Zoll, also etwa 76 mm und einer Wandstärke von 3,6 mm aufweist, unter Annahme der Befüllung der Messrohre mit einem Medium mit einer Dichte von Wasser der erste Oszillator einen Biegeschwingungsnutzmode mit einer Eigenfrequenz von etwa 110 Hz aufweist, während die Eigenfrequenz des Biegeschwingungsnutzmodes des zweiten Oszillators etwa 160 Hz beträgt.
Bevor die Funktionsweise des erfindungsgemäßen CMD 100 weiter erläutert wird, sollen kurz anhand von 2 einige Symmetrieeigenschaften des erfindungsgemäßen CMD erläutert werden. In 2 sind Messrohrmittelachsen 112a, 112b des ersten Messrohrs und des zweiten Messrohrs dargestellt, welche den ersten Oszillator bilden. Die Messrohrmittelachsen 112a, 112b verlaufen symmetrisch zu einer ersten Spiegelebene Syz, welche zwischen den Messrohren verläuft. Die Messrohrmittelachsen verlaufen weiterhin symmetrisch zu einer zweiten Spiegelebene Sxy, welche senkrecht zur ersten Spiegelebene Syz verläuft.
Die Messrohrachsen 112a, 112b verlaufen vorzugsweise in Ebenen, die parallel zur ersten Spiegelebene verlaufen.
Bezüglich einer dritte Ebene Szx, welche senkrecht zur ersten Spiegelebene und zur zweiten Spiegelebene verläuft, und in welcher die Messrohrachsen 112a, 112b in den Sammlern verlaufen ist keine Symmetrie der Messrohre gegeben.
Die obigen Ausführungen gelten entsprechend für die Messrohrachsen des dritten und vierten Messrohrs.
Vorzugsweise verlaufen die Achsen des ersten Messrohrs und des dritten Messrohrs in einer ersten Ebene sowie die Messrohrachsen des zweiten und vierten Messrohrs in einer zweiten Ebene, die jeweils parallel zur ersten Spiegelebene verlaufen.
Die Schnittlinie zwischen der ersten Spiegelebene Syz und der dritten Ebene definiert eine Z-Achse eines Koordinatensystems des CMD. Die Schnittlinie zwischen der zweiten Spiegelebene Sxy und der dritten Ebene Szx definiert eine X-Achse des Koordinatensystems, und die Schnittlinie zwischen ersten Spiegelebene Syz und der zweiten Spiegelebene definiert die Y-Achse des Koordinatensystems. Mit den solchermaßen definierten Koordinaten wenden wir uns wieder 1a bis 1d zu.
Zum Anregen von Biegeschwingungen der Messrohre in X-Richtung sind – bezogen auf die Längsrichtung bzw. die Z-Achse in der Mitte des CMD 100 – zwischen dem ersten Messrohr 110a und dem zweiten Messrohr 110b des ersten Oszillators eine erste Erregeranordnung 140a und zwischen dem dritten Messrohr 110c und dem vierten Messrohr 110d des zweiten Oszillators eine zweite Erregeranordnung 140c vorgesehen, beispielsweise jeweils eine induktive Erregeranordnung, die beispielsweise eine Tauchspule an einem Messrohr und einen Tauchkörper am gegenüberliegenden Messrohr umfasst. Zum Erfassen der Schwingungen der Messrohrpaare der Oszillatoren sind in Längsrichtung symmetrisch zu den Erregeranordnungen 140a, 140c jeweils eine erste Sensoranordnung 142a-1, 142c-1 und eine zweite Sensoranordnung 142a-2, 142c-2 vorgesehen, die jeweils als induktive Anordnung mit einer Tauchspule an einem Rohr und einem Tauchkörper am anderen Rohr gestaltet sind. Einzelheiten dazu sind dem Fachmann bekannt, und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. (Im Sinne der Übersichtlichkeit wurden die Positionen des Erregeranordnung und der Sensoranordnungen lediglich in 1b dargestellt und mit Bezugszeichen versehen).
Die Oszillatoren sind jeweils mit ihrer aktuellen Eigenfrequenz anzuregen, wobei hierzu entweder die Erregeranordnungen jeweils von einer unabhängigen Treiberschaltung mit dem Signal der jeweiligen Eigenfrequenz angetrieben werden können, oder wobei die Erregeranordnungen in Reihe geschaltet und mit einem überlagerten Signal der Eigenfrequenzen beider Oszillatoren beaufschlagt werden können. Aufgrund der hohen Güte der Oszillatoren wird jeder Oszillator praktisch nur mit seiner Eigenfrequenz angeregt.
Das in 2a und 2b dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen CMD 200 umfasst vier gebogene Messrohre 210a, 210b, 210c, 210d. Die Messrohre 210a, 210b, 210c, 210d erstrecken sich zwischen einem einlassseitigen Sammler 220 und einem auslassseitigen Sammler 220 und sind mit diesen fest verbunden, beispielsweise durch Einwalzen, Hartlöten oder Schweißen. Zwischen den Sammlern 220 erstreckt sich ein massives Trägerrohr 224, das mit beiden Sammlern fest verbunden ist, wodurch die Sammler 220 starr miteinander gekoppelt sind. Das Trägerrohr 224 weist an seiner Oberseite und Unterseite Öffnungen auf, durch welche die Messrohre 210a, 210b, 210c, 210d von den Sammlern 220 aus dem Trägerrohr 224 paarweise heraus und wieder zurück geführt sind.
Die Sammler 220 weisen endständig jeweils einen Flansch 222 auf, mittels dessen das CMD in einer Rohrleitung zu installieren ist. Durch zentrale Öffnungen 223 in den Flanschen 222 ist ein Massestrom durch das CMD 200, insbesondere dessen Rohrleitungen 210a, 210b, 210c, 210d zu führen, um den Massestrom zu messen.
Das zweite Ausführungsbeispiel eines CMD 200 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass die Messrohre paarweise in unterschiedliche Richtungen aus dem Trägerrohr heraus und zurück geführt sind.
Ein erstes Messrohr 210a und ein zweites Messrohr 210b sind einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 232a, 234a verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 232a, also durch jene, welche einlassseitig bzw. auslassseitig jeweils am weitesten vom entsprechenden Sammler 220 entfernt sind, eine Schwingungslänge eines durch das erste Messrohr 210a, und das zweite Messrohr 210b gebildeten ersten Oszillators festgelegt ist. Diese freie Schwingungslänge hat großen Einfluss auf einen so genannten Biegeschwingungsnutzmode des ersten Oszillators, insbesondere auf dessen Eigenfrequenz, mit welcher der erste Oszillator anzuregen ist.
Ein drittes Messrohr 210c und ein viertes Messrohr 210d sind einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 232c, 234c verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 132c, also durch jene, welche einlassseitig bzw. auslassseitig jeweils am weitesten vom entsprechenden Sammler 220 entfernt sind, eine Schwingungslänge eines durch das dritte Messrohr 210c und das vierte Messrohr 210d gebildeten zweiten Oszillators festgelegt ist. Diese freie Schwingungslänge hat großen Einfluss auf einen so genannten Biegeschwingungsnutzmode des zweiten Oszillators, insbesondere auf dessen Eigenfrequenz, mit welcher der zweite Oszillator anzuregen ist.
Sämtliche äußeren Knotenplatten 234a, 234c, die jeweils zwischen den inneren Knotenplatten 232a, 232c und den Sammlern 220 angeordnet sind, dienen insbesondere dazu, weitere Schwingungsknoten zu definieren, um einerseits die mechanischen Maximalspannungen an den schwingenden Messrohren zu reduzieren, und andererseits das Auskoppeln von Schwingungsenergie in eine Rohrleitung, in welcher das CMD montiert ist, bzw. das Einkoppeln von Störschwingungen aus der Rohrleitung zu minimieren.
Die Knotenplatten 232a, 232b, 234a, 234b definieren Schwingungsknoten für die Messrohre. Zwischen den inneren Kopplern bzw. Knotenplatten 232a, 232b können die Messrohre 210a, 210b frei schwingen, so dass durch die Position der inneren Koppler bzw. Knotenplatten die Schwingungseigenschaften des durch die Messrohre 210a, 210b gebildeten Oszillators, insbesondere Eigenfrequenzen von Schwingungsmoden des Oszillators wesentlich mitbestimmt werden.
Die freie Schwingungslänge der Messrohre 210a, 210b des ersten Oszillators ist wesentlich größer als die freie Schwingungslänge der Messrohre 210c, 210d des zweiten Oszillators, wobei die Messrohre 210a, 210b des ersten Oszillators in einem höheren Bogen geführt sind, als die Messrohre 210c, 210d des zweiten Oszillators. Dies führt beispielsweise dazu, dass bei dem dargestellen CMD, welches Messrohre mit einem Außendurchmesser von 3 Zoll, also etwa 76 mm und einer Wandstärke von 3,6 mm aufweist, unter Annahme der Befüllung der Messrohre mit einem Medium mit einer Dichte von Wasser der erste Oszillator einen Biegeschwingungsnutzmode mit einer Eigenfrequenz von etwa 110 Hz aufweist, während die Eigenfrequenz des Biegeschwingungsnutzmodes des zweiten Oszillators etwa 160 Hz beträgt.
Zum Anregen von Biegeschwingungen der Messrohre in X-Richtung sind – bezogen auf die Längsrichtung bzw. die Z-Achse in der Mitte des CMD 200 – zwischen dem ersten Messrohr 210a und dem zweiten Messrohr 210b des ersten Oszillators eine erste Erregeranordnung 240a und zwischen dem dritten Messrohr 210c und dem vierten Messrohr 210d des zweiten Oszillators eine zweite Erregeranordnung 240c vorgesehen, beispielsweise jeweils eine induktive Erregeranordnung, die beispielsweise eine Tauchspule an einem Messrohr und einen Tauchkörper am gegenüberliegenden Messrohr umfasst. Zum Erfassen der Schwingungen der Messrohrpaare der Oszillatoren sind in Längsrichtung symmetrisch zu den Erregeranordnungen 240a, 240c jeweils eine erste Sensoranordnung 242a-1, 242c-1 und eine zweite Sensoranordnung 242a-2, 242c-2 vorgesehen, die jeweils als induktive Anordnung mit einer Tauchspule an einem Rohr und einem Tauchkörper am anderen Rohr gestaltet sind. Einzelheiten dazu sind dem Fachmann bekannt, und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. (Im Sinne der Übersichtlichkeit wurden die Positionen des Erregeranordnung und der Sensoranordnungen lediglich in 2a dargestellt und mit Bezugszeichen versehen).
Die Oszillatoren sind jeweils mit ihrer aktuellen Eigenfrequenz anzuregen, wobei hierzu entweder die Erregeranordnungen jeweils von einer unabhängigen Treiberschaltung mit dem Signal der jeweiligen Eigenfrequenz angetrieben werden können, oder wobei die Erregeranordnungen in Reihe geschaltet und mit einem überlagerten Signal der Eigenfrequenzen beider Oszillatoren beaufschlagt werden können. Aufgrund der hohen Güte der Oszillatoren wird jeder Oszillator praktisch nur mit seiner Eigenfrequenz angeregt.
Die mechanisch unabhängige Anregung der Oszillatoren des erfindungsgemäßen CMD ermöglicht gegenüber den Eingangs dargestellten CMD nach dem Stand der Technik mit mechanisch gekoppelten Anregungen eine erhebliche Reduktion von thermo-mechanischen und schwingungsmechanischen Spannungen, die auf die Komponenten der Oszillatoren, insbesondere die Messrohre wirken. Da die versteifenden Komponenten des erfindungsgemäßen CMD damit letztendlich weniger Zwangskräfte zum Unterdrücken von Asymmetrien aufgrund von Toleranzen aufbringen müssen, können diese versteifenden Komponenten leichter und materialsparender ausgeführt werden.
Die deutliche Frequenztrennung zwischen den beiden Oszillatoren ermöglicht die Minimierung von gegenseitigen Störeinflüssen.
Weiterhin ermöglicht der Verzicht auf Symmetrie zwischen den Oszillatoren, insbesondere der Verzicht auf einen symmetrischen Strömungswiderstand, die Reduzierung des Strömungswiderstands in den Messrohren des höherfrequenten Oszillators. Damit ist der Gesamtströmungswiderstand des CMD gegenüber symmetrischen CMD mit vier Messrohren reduziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009055069 A1 [0001]
DE 102010039627 A1 [0001]
WO 2012/089431 A1 [0001]
DE 102011010178 A1 [0001]

Claims

Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) mit vier, insbesondere gebogenenen, Messrohren (110a, 110b, 110, 110dd), mindestens einer ersten Aktuatoranordnung und einer zweiten Aktuatoranordnung, mindestens einer ersten Sensoranordnung und einer zweiten Sensoranordnung, wobei alle vier Messrohre (110a, 110b, 110c, 110d) jeweils einlassseitig und auslassseitig mit einem Sammler (120) strömungstechnisch zusammengefasst sind, wobei das erste Messrohr und das zweite Messrohr einlassseitig und auslassseitig mit jeweils mindestens einer starren Knotenplatte, die beabstandet zum Sammler angeordnet ist, miteinander verbunden sind, um einen ersten Oszillator zu bilden, wobei die erste Aktuatoranordnung dazu eingerichtet ist, einen Biegeschwingungsnutzmode zwischen den beiden Messrohren des ersten Oszillators anzuregen, wobei das dritte Messrohr und das vierte Messrohr einlassseitig und auslassseitig mit jeweils mindestens einer starren Knotenplatte, die beabstandet zum Sammler, angeordnet ist miteinander verbunden sind, um einen zweiten Oszillator zu bilden, wobei die zweite Aktuatoranordnung dazu eingerichtet ist, einen Biegeschwingungsnutzmode zwischen den beiden Messrohren des zweiten Oszillators anzuregen, wobei der erste Oszillator und der zweite Oszillator jeweils einen Biegeschwingungsnutzmode mit einer ersten bzw. zweiten Nutzmodeeigenfrequenz (f₁₁, f₁₂) aufweisen, wobei der Betrag der Differenz der Nutzmodeeigenfrequenzen der beiden Oszillatoren (|f₁₁–f₁₂|) mindestens 0,1-Fache, beispielsweise mindestens das 0,2-Fache und insbesondere mindestens das 0,4-Fache der niedrigeren der beiden Nutzmodeeigenfrequenzen beträgt, wobei die erste Sensoranordnung dazu eingerichtet ist, Schwingungen des ersten Oszillators zu erfassen, und wobei die zweite Sensoranordnung dazu eingerichtet ist, Schwingungen des zweiten Oszillators zu erfassen.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Betriebsschaltung zum Treiben der Aktuatoranordnungen und zum Erfassen der Signale der Sensoranordnungen, wobei die Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Aktuatoranordnungen so zu treiben, dass die Biegeschwingungsnutzmoden des ersten bzw. zweiten Oszillators unabhängig voneinander bei der jeweiligen Nutzmodeeigenfrequenz angeregt werden.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Aktuatoranordnungen so zu treiben, dass die Biegeschwingungsnutzmoden des ersten bzw. zweiten Oszillators gleichzeitig angeregt werden.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach Anspruch 1, 2, oder 3, wobei der erste und der zweite Oszillator dazu eingerichtet sind, jeweils den Biegeschwingungsnutzmoden überlagerte durch Corioliskräfte bedingte Auslenkungen, im folgenden „Coriolisauslenkungen“, aufzuweisen, wenn die Messrohre von einem Massestrom durchsetzt sind, wobei die erste Sensoranordnung und die zweite Sensoranordnung jeweils mindestens zwei Sensorelemente aufweisen, um eine Phasenverschiebung zwischen dem jeweiligen Coriolisauslenkungen und dem zugehörigen Biegeschwingungsnutzmode zu erfassen.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach Anspruch 3 und 4, wobei die Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung der jeweiligen Coriolisauslenkung einen ersten Massedurchfluss (dm/dt_{_1}) durch die Messrohre des ersten Oszillators und einen zweiten Massedurchfluss (dm/dt_{_2}) durch die Messrohre des zweiten Oszillators zu ermitteln, und die Summe des ersten Massedurchflusses (dm/dt_{_1}) und des zweiten Massedurchflusses (dm/dt_{_2}) als Gesamtmassedurchfluss (dm/dt) auszugeben (dm/dt = dm/dt_{_1} + dm/dt_{_2}).
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messrohre jeweils eine Rohrmittelachse aufweisen, wobei einlassseitige und auslassseitige Schnittpunkte der Rohrmittelachsen der Messrohre eines Oszillators mit den Stirnflächen der Messrohre jeweils eine Basisebene des Oszillators definieren, wobei die Messrohre jeweils eines Oszillators eine Länge (l) aufweisen, wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des ersten Oszillators – bezogen auf die Basisebene des ersten Oszillators – bei der halben Rohrlänge (l/2) der Basisebene des zweiten Oszillators abgewandt sind, und wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des zweiten Oszillators – bezogen auf die Basisebene des zweiten Oszillators – bei der halben Rohrlänge (l/2) den Messrohren des ersten Oszillators zugewandt sind.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) Anspruch 6, wobei die Nutzmodeeigenfrequenz des zweiten Oszillators größer ist, als die Nutzmodeeigenfrequenz des ersten Oszillators.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) Einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messrohre jeweils eine Rohrmittelachse aufweisen, wobei einlassseitige und auslassseitige Schnittpunkte der Rohrmittelachsen der Messrohre eines Oszillators mit den Stirnflächen der Messrohre jeweils eine Basisebene des Oszillators definieren, wobei die Messrohre jeweils eines Oszillators eine Länge (l) aufweisen, wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des ersten Oszillators – bezogen auf die Basisebene des ersten Oszillators – bei der halben Rohrlänge (l/2) der Basisebene des zweiten Oszillators abgewandt sind, und wobei die Rohrmittelachsen der Messrohre des zweiten Oszillators – bezogen auf die Basisebene des zweiten Oszillators – bei der halben Rohrlänge (l/2) der Basisebene des ersten Oszillators abgewandt sind.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitig und auslassseitig vorgesehenen Sammler (3) derart stabil ausgestaltet sind, dass sie die Funktionalität einer Knotenplatte erfüllen.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend ein Trägerrohr welches den einlassseitigen Sammler und den auslassseitigen Sammler starr mit einander verbindet.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste Messrohr (110a) und das dritte Messrohr (110c) in einer gemeinsamen ersten Ebene und das zweite Messrohr (110b) und das vierte Messrohr (110d) in einer gemeinsamen zweiten Ebene liegen, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene parallel zueinander verlaufen.
Coriolis-Massedurchflussmessgerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der erste Oszillators in mindestens einer der folgenden Eigenschaften von dem zweiten Oszillator unterscheidet: • Schwingfähige Länge der Messrohre • Position der Knotenplatten • Form der Knotenplatten.