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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät. Coriolis- Massendurchflussmessgeräte werden zur genauen Erfassung des Massendurchflusses in Rohrleitungen eingesetzt. Vorteilhaft am Coriolis-Durchflussmessprinzip ist die direkte Massendurchflussmessung in Unabhängigkeit von Medienviskosität oder Mediendichte. Darüber hinaus hat das in der Rohrleitung ausprägte Strömungsprofil des Mediums auch keinen Einfluss auf die Coriolis-Massendurchflussmessung, womit gegenüber anderen Messprinzipien, welche beispielsweise auf der Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen oder der durch einen Durchfluss durch ein Magnetfeld induzierten elektrischen Spannung basieren, mehrere große Vorteile offenbar werden. Nicht überraschend ist es, dass das Coriolis-Messprinzip mit anderen Schwierigkeiten zu kämpfen hat. Das Coriolis-Messprinzip basiert auf der genauen Vermessung von einer einer Rohrleitung aufgeprägten Schwingung. Schwingungen sind ein allgegenwärtiges Phänomen, wodurch die Schwierigkeit entsteht, bei einer vermessenen Schwingung zwischen dem Einfluss der künstlichen Erregung und Störeinwirkungen von außen zu unterscheiden. Mit viel mathematischem Aufwand lässt sich in dieser Hinsicht durchaus einiges erreichen. Es ist jedoch völlig klar, dass zunächst Störeinwirkungen von außen minimiert werden müssen, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erhalten. Die europäische Patentanmeldung EP0518124A1 offenbart ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät, welches ein Meßgerätgehäuse, einen Schwingungserzeuger, einen Meßwertaufnehmer und ein federnd gelagertes Tragsystem zum Tragen der Coriolis-Leitung aufweist. Eine wesentliche Eigenschaft des offenbarten Coriolis-Massendurchflussmessgeräts ist, dass das Tragsystem Eigenfrequenzen in einem sehr viel höher gelegenen Frequenzbereich aufweist, als das Meßgerätgehäuse und als die Coriolis-Leitung. Das führt zu einer akustischen Entkopplung des Tragsystems hinsichtlich der Coriolis-Leitung und hinsichtlich des Messgerätgehäuses. Da die Eigenfrequenzen des Messgerätgehäuses und der Coriolis-Leitung bei wesentlich tieferen Frequenzen als das Tragsystem angesiedelt sind, fällt die akustische Entkopplung zwischen diesen Komponenten geringer aus, womit die Störeinflüsse vom Messgerätgehäuse auf die Coriolis-Leitung unter Umständen merklich sind. Darüber hinaus stellt die starke Trennung der Eigenfrequenzen des Tragsystems gegenüber den Eigenfrequenzen der Coriolis-Leitung sowie den Eigenfrequenzen des Messgerätgehäuses hohe Ansprüche an die praktische Umsetzung eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts. Eine weitere Möglichkeit, eine akustische Entkopplung einer Coriolis-Leitung von dem Messgerätgehäuse zu erreichen, wird durch die Schrift
DE 10 2005 062 007 A1 offenbart. Hierbei wird die Vibration einer Coriolis-Leitung durch einen oder mehrere Gegenschwinger kompensiert. In einer weiteren Schrift, der
DE 10 2008 037 700 A1 , werden Messrohrbogen elastisch an ein Aufnehmergehäuse angebunden, womit Schwingungsankopplungen in das Messrohr verringert werden.
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Eine weitere Möglichkeit, das Einwirken von Störungen auf eine Coriolis-Durchflussmessung zu unterdrücken, ist die Einrichtung zweier Coriolis-Leitungen dergestalt, dass sich die den Coriolis-Leitungen aufgeprägten Schwingungen gegenseitig neutralisieren. Ein solches Messgerät ist beispielsweise in der Anmeldeschrift
DE 10 2013 102 708 offenbart. Jedoch ist hierbei eine genaue Steuerung des Mediums durch die beiden Leitungen notwendig, so dass die Masse bzw. die Dichte des Mediums in beiden Leitungen gleich ist. Des Weiteren müssen die Leitungen bei kleinen Rohrnennweiten mit hoher Genauigkeit in ihrer Ausformung übereinstimmen, damit sie eine gleichförmige Schwingcharakteristik aufweisen. Außerdem sind durch die Notwendigkeit einer zweiten Leitung der Fertigungsaufwand und der Materialaufwand erhöht, was unmittelbar negative Auswirkungen auf die Herstellungskosten hat.
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Bei Rohren mit kleinen Nennweiten und auch bei hygienischen Anwendungen ist eine Einrohrlösung zu bevorzugen, da ein Verteilerstück wegfällt mit unzugänglichen und schwierig zu polierenden Schweissnähten, Darüber hinaus können zu kleine Leitungen leicht verstopfen, so dass bei kleinen Messgeräten mit geringen Durchflussraten ein Verteilen des Mediums auf zwei oder mehrere Leitungen unvorteilhaft ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und robustes Coriolis-Massendurchflussmeßgerät mit verbesserter akustischer Entkopplung zwischen Messgerätgehäuse und Coriolis-Leitung vorzuschlagen, wobei geringe Anforderungen an die Trennung von Eigenfrequenzen verschiedener Komponenten des Coriolis-Massendurchflussmeßgeräts gestellt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird umgesetzt durch ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet,
mit mindestens einer das strömende Medium führenden Coriolis-Leitung, welche Coriolis-Leitung einen Leitungseinlauf und einen Leitungsauslauf aufweist, und wobei die Coriolis-Leitung eine S-Form aufweist;
und mit mindestens einem auf die Coriolis-Leitung einwirkenden Schwingungserzeuger; und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und /oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Schwingungsmeßwertaufnehmer;
wobei die Coriolis-Leitung über mindestens eine Halterung an eine Trägerplatte eines Tragsystems angeschlossen ist, wobei das Tragsystem in einem Messgerätgehäuse angeordnet ist und wobei das Tragsystem gegenüber dem Messgerätgehäuse federnd gelagert ist,
wobei die Coriolis-Leitung so an das Tragsystem angeschlossen ist, dass bei Anregung mindestens einer Schwingungsmode keine wesentliche, von der Coriolis-Leitung auf das Tragsystem übertragbare resultierende Kraft ausbildbar ist,
wobei das Tragsystem eine Tragsystem-Eigenfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 1.1 geringer ist als eine kleinste Coriolis-Eigenfrequenz.
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Die besondere Art und Weise, die Coriolis-Leitung an das Tragsystem anzuschließen ermöglicht es, eine nur geringe Trennung der Eigenfrequenzen des Tragsystems von den Coriolis-Eigenfrequenzen einzurichten und somit in dieser Hinsicht vereinfachte Anforderung an diese Komponenten zu stellen.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist die Trägerplatte mindestens eine Trägerplatten-Eigenfrequenz auf, welche Trägerplatten-Eigenfrequenz um mindestens einen Faktor 1.2 größer ist als die größte Coriolis-Eigenfrequenz.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind der Leitungseinlauf und der Leitungsauslauf und die Coriolis-Leitung aus einem Rohr gefertigt, wobei der Leitungseinlauf und der Leitungsauslauf zumindest abschnittsweise bogenförmig ausgebildet sind. Diese Ausführung führt gegenüber einer geradlinigen Ausgestaltung zu einer elastischeren und weicheren Verbindung zwischen dem Messgerätgehäuse und der Coriolis-Leitung, wodurch eine Übertragung von Schwingungen und somit von Störeinflüssen zwischen diesen Komponenten erschwert wird. Darüber hinaus findet eine Kompensation von Ausdehnungsänderungen durch Temperaturschwankungen statt. Die Fertigung aus einem Rohr führt zu einer kostengünstigen Umsetzung der Erfindung. Vorzugsweise ist das Rohr aus einem Metall wie zum Beispiel Titan oder Aluminium oder einer Metalllegierung wie zum Beispiel Edelstahl gefertigt. Es können aber auch Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silizium verwendet werden.
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In einer Ausführung sind der Leitungseinlauf und der Leitungsauslauf aus einem anderen Metall oder Halbleiter gefertigt, als die Coriolis-Leitung. Damit lassen sich der Leitungseinlauf und der Leitungsauslauf beispielsweise weicher ausgestalten als die Coriolis-Leitung, wodurch eine Übertragung von Schwingungen und somit von Störeinflüssen zwischen Messgerätgehäuse und Coriolis-Leitung weitergehend unterdrückbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Coriolis-Leitung so an das Tragsystem angeschlossen ist, dass bei Anregung mindestens einer Schwingungsmode kein wesentliches, von der Coriolis-Leitung auf das Tragsystem übertragbares resultierendes Drehmoment ausbildbar ist. Damit ist die Kopplung zwischen Tragsystem und Messgerätgehäuse nur noch durch Torsionsmomente und Momente noch höherer Ordnung gegeben. Dadurch sind die Anforderungen an eine Entkopplung durch Eigenfrequenztrennung weiter verringert.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die durch den Schwingungserzeuger angeregte Schwingungsmode eine F3-Schwingungsmode. Eine F3-Mode ist eine erste Mode, welche so an das Tragsystem anschließbar ist, dass eine Übertragung von resultierenden Kräften und resultierenden Drehmomenten ausschließbar ist. Darüber hinaus ist die F3-Mode eine noch leicht anzuregende Schwingungsmode. Bei Anregung höherer Moden ist die Coriolis-Leitung so an das Tragsystem anschließbar, dass die Übertragung von Torsionsmomenten und Momenten noch höherer Ordnung zwischen Tragsystem und Messgerätgehäuse ausschließbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist eine kleinste Eigenfrequenz des Messgerätgehäuses gegenüber einer größten Coriolis-Eigenfrequenz um mindestens einen Faktor 1.1 und bevorzugt um mindestens einen Faktor 1.2 und insbesondere mindestens einen Faktor 1.5 größer.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist das Tragsystem eine Tragsystem-Eigenfrequenz auf, die um mindestens einen Faktor 1.2 geringer und bevorzugt mindestens um einen Faktor 1.4 geringer und insbesondere mindestens um einen Faktor 1.5 geringer als eine kleinste Coriolis-Eigenfrequenz.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Federung des Tragsystems gegenüber dem Messgerätgehäuse berührungslos über Magnetfelder eingerichtet.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Federung des Tragsystems gegenüber dem Messgerätgehäuse durch mechanische Federelemente, beispielsweise durch Stahlfedern oder Gummimembranen, eingerichtet.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist die Federung jeweils einen durch einen oder mehrere Schnitte in der Trägerplatte freigelegten Bereich aufweisen, wobei die freigelegten Bereiche aus einer Trägerplattenebene elastisch auslenkbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausführung nimmt der in der Trägerplatte durch einen oder mehrere Schnitte freigelegte elastische Bereich eine Spiralstruktur an.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der in der Trägerplatte durch einen oder mehrere Schnitte freigelegte elastische Bereich als Kragträger ausgebildet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der Kragträger aus mindestens zwei verschachtelten Einzelkragträgern ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausführung weist die Federung Dämpfungselemente auf. Dadurch lassen sich größere Schwingungsamplituden vermeiden. Die Dämpfung ist dabei so ausgelegt, dass die damit verbundene Frequenzverbreiterung der Tragsystemschwingungsmoden nicht zu einer Überschneidung der Eigenfrequenzen des Tragsystems mit den Eigenfrequenzen des Messgerätgehäuses führt.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Dämpfung durch im Bereich der Federung aufgetragenen Polymerverguss bewerkstelligt.
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Es wird also durch die vorliegende Erfindung Coriolis-Massendurchflussmessgerät vorgeschlagen, wobei die Coriolis-Leitung durch eine Kombination mehrerer Merkmale vom Messgerätgehäuse effektiv akustisch entkoppelt ist.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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1 zeigt eine skizzierte Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Coriolis-Massendurchflussmessgerät.
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2 zeigt schematisiert die Auslenkung einer F3-Schwingungsmode zu einem Zeitpunkt.
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3 zeigt eine detaillierte Schrägansicht auf ein erfindungsgemäßes Federelement.
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4 zeigt weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen einer Coriolis-Leitung.
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1 zeigt eine Aufsicht in ein aufgeschnittenes Messgerätgehäuse 10, welches ein Tragsystem mit einer Trägerplatte 20 und mit Federelementen 21 und eine über die Halterungen 34, 35 angeschlossene Coriolis-Leitung 31 umfasst. Die Coriolis-Leitung weist einen Leitungseinlauf 32 und einen Leitungsauslauf 33 auf, wobei der Leitungseinlauf über das erste Lager 11 in das Gehäuse geführt ist, und wobei der Leitungsauslauf über das zweite Lager 12 in das Gehäuse geführt ist. Die Coriolis-Leitung wird über einen Schwingungserzeuger 38 zum Schwingen angeregt. Die erzeugte Schwingung wird durch Schwingungsmeßwertaufnehmer 36, 37 registriert und zur Berechnung des Massendurchflusses genutzt. Im Falle kapazitiver Anregung kann der Schwingungserzeuger 38 auch als Schwingungsmeßwertaufnehmer 36, 37 eingerichtet sein. Die Trägerplatte ist über die Federelemente 21 gegenüber dem Messgerätgehäuse federnd gelagert. Die in 1 dargestellte Ausformung der Coriolis-Leitung 31 ist selbstentleerbar. Es gibt eine Haltung in welcher ein in der Coriolis-Leitung 31 befindliches Medium ohne weiteres Handeln durch Schwerkraftwirkung die Coriolis-Leitung 31 über einen Leitungsauslauf 33 verlässt.
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2 zeigt eine detaillierte Schrägaufsicht auf die Coriolis-Leitung 31 mit gezeigtem Auslenkungsschema der Coriolis-Leitung bei Anregung einer F3-Schwingungsmode. Die Schwingungs Die Schwingungsmode unterteilt die Coriolis-Leitung 31 in ein erstes Leitungssegment 1, in ein zweites Leitungssegment 2 und ein drittes Leitungssegment 3, wobei die Trennung zwischen erstem Leitungssegment 1 und zweitem Leitungssegment 2 durch die erste Trennlinie a und wobei die Trennung zwischen zweitem Leitungssegment 2 und drittem Leitungssegment 3 durch die zweite Trennlinie b gegeben ist. Die Auslenkung benachbarter Leitungssegmente bei Anregung einer F3-Schwingungsmode, wie durch die zu den Leitungssegmenten gehörigen Pfeile dargestellt, ist gegensätzlich, so dass bei geeigneter Einstellung von F3-Schwingungsmode und geeigneter Platzierung der Halterungen 34, 35 an der Coriolis-Leitung keine wesentliche resultierende Kraft auf die Trägerplatte 20 ausgeübt wird. Die Halterungen 34, 35 sind dazu in Schwingungsknoten der F3-Schwingungsmode platziert. Bei geeigneter Geometrie der S-förmig ausgebildeten Coriolis-Leitung 31 ist auch die Übertragung von Drehmomenten von der Coriolis-Leitung 31 auf die Trägerplatte 20 vermeidbar. Als weitere Maßnahme gegen störende Einflüsse zwischen Messgerätgehäuse 10 (nicht gezeigt in 2) und Coriolis-Leitung 31 sind der Leitungseinlauf 32 und der Leitungsauslauf 33 zumindest abschnittweise bogenförmig ausgestaltet. Die bogenförmige Ausgestaltung kann dabei durch Schwingungen des Messgerätgehäuses 10 bewirkte Verzerrungen und Drehungen aufnehmen und dämpfen, so dass störende Einflüsse auf die Coriolis-Leitung 31 vom Messgerätgehäuse 10 ausgehend minimiert werden.
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3 zeigt eine detaillierte Schrägaufsicht auf ein erfindungsgemäßes Federelement 21, welches durch einen Schnitt 23 in der Trägerplatte 20 freigelegt ist, wobei der freigelegte Bereich aus der Trägerplattenebene elastisch auslenkbar ist. Das Federelement weist weiterhin eine Befestigungsöffnung auf, welche beispielsweise zum Anwenden einer Verschraubung eingerichtet ist. Über eine solche Verschraubung kann das Federelement 21 am oder im Messgerätgehäuse befestigt werden.
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4 zeigt weitere erfindungsgemäße Ausführungen einer Coriolis-Leitung 31 mit angepassten Leitungseinläufen 32 und angepassten Leitungsausläufen 33. Je nach geometrischer Ausformung der Coriolis-Leitung lassen sich bestimmte Coriolis-Schwingungsmoden und Coriolis-Eigenfrequenzen bevorzugen. Die geometrische Ausformung des Leitungseinlaufs und Leitungsauslaufs beeinflusst die Dämpfungseigenschaften dieser Elemente. Die in 4 gezeigten Ausformungen a)–c) sind nicht mehr selbstentleerbar im in der Beschreibung zu 1 definierten Sinn. Jedoch ist hier dennoch eine einfache Entleerbarkeit gegeben, da die Ausformungen der Coriolis-Leitung 31 keine Abwinklungen und wesentlichen Durchmesseränderungen aufweisen. Ein Ausblasen mit Druckluft führt daher zu vollständiger Entfernung eines Mediums aus der Coriolis-Leitung 31. Der Verzicht auf Selbstentleerbarkeit kann zu einer kompakteren Ausgestaltung des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts genutzt werden. Für kleine Durchflüsse wie sie im Laborbereich oder bei kleinen Abfüllanlagen auftreten, kann das vorteilhaft sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erstes Leitungssegment
- 2
- Zweites Leitungssegment
- 3
- Drittes Leitungssegment
- a
- erste Trennlinie
- b
- zweite Trennlinie
- 10
- Messgerätgehäuse
- 11
- Erstes Lager
- 12
- Zweites Lager
- 13
- Einlassflansch
- 14
- Auslassflansch
- 20
- Trägerplatte
- 21
- Federelement
- 22
- Befestigungsöffnung
- 23
- Schnitt in Trägerplatte
- 31
- Coriolis-Leitung
- 32
- Leitungseinlauf
- 33
- Leitungsauslauf
- 34, 35
- Halterung
- 36
- Schwingungsmeßwertaufnehmer
- 37
- Schwingungsmeßwertaufnehmer
- 38
- Schwingungserzeuger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005062007 A1 [0001]
- DE 102008037700 A1 [0001]
- DE 102013102708 [0002]
