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Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Coriolis-Massendurchflussmessgeräte weisen ein einziges Messrohr oder eine Anzahl, z. B. ein Paar, von Messrohren auf, durch das bzw. die ein Medium, z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, strömt, dessen Massendurchfluss bestimmt werden soll. Dabei sind unterschiedliche Anordnungen und Geometrien der Messrohre bekannt. Beispielsweise gibt es Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit einem einzigen geraden Messrohr sowie Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit zwei gekrümmten, parallel zueinander verlaufenden Messrohren. Letztere, paarweise identisch ausgeführte Messrohre werden, wie beispielsweise aus der
DE 10 2010 006 429 A1 bekannt, durch eine im mittleren Bereich platzierte Erregeranordnung zur Erzielung eines Massenausgleichs so zum Schwingen angeregt, dass sie gegeneinander schwingen, d. h., dass die Schwingungen der beiden Messrohre um 180 Grad gegeneinander phasenversetzt sind. Damit wird ein Massenausgleich erreicht, bei welchem die Lage des Massenmittelpunkts des aus den beiden Messrohren gebildeten, schwingenden Systems im Wesentlichen konstant bleibt und auftretende Kräfte weitgehende kompensiert werden. Das hat als positive Konsequenz, dass das schwingende System kaum nach außen als solches wirksam wird. Vor und hinter der Erregeranordnung werden Schwingungsaufnehmer angebracht, zwischen deren Ausgangssignalen bei einer Massenströmung eine Phasendifferenz als Messsignal ausgewertet werden kann. Diese wird durch die bei einer Massenströmung herrschenden Corioliskräfte und damit durch den Massendurchfluss verursacht. Die Dichte des Mediums beeinflusst die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems. Damit kann neben dem Massendurchfluss u. a. auch die Dichte des strömenden Mediums bestimmt werden.
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Aus der
EP 1 223 412 B1 ist ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit vereinfachtem Aufbau bekannt, welches lediglich ein achsensymmetrisch trapezförmig gekrümmtes Messrohr aufweist, welches an seinem Ein- und Auslaufabschnitt durch einen Versteifungsrahmen gehalten wird. Eine Erregeranordnung erzeugt eine in Richtung der Symmetrieachse auf das Messrohr wirkende Kraft und regt das Messrohr zu Schwingungen an, die innerhalb der Ebene verlaufen, in welcher das Messrohr liegt. Ein Massenausgleich soll durch dabei entstehende drei Schwingungsbäuche erreicht werden. Dazu ist jedoch eine sehr genaue Einhaltung der Rohrgeometrie erforderlich, die nur mit vergleichsweise hohem Herstellungsaufwand erzielt werden kann. In der Praxis kann daher nicht von einem optimalen Massenausgleich ausgegangen werden. Zur Vermeidung von Vibrationen, die am Einbauort des Massendurchflussmessgeräts beispielsweise über Montageflansche in eine Rohrleitung, in welche das Gerät eingebaut ist, übertragen werden, ist daher ein vergleichsweise schwerer Versteifungsrahmen vorzusehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät zu schaffen, das sich durch einen guten Massenausgleich und damit geringe, nach außen dringende Vibrationen bei vergleichsweise niedrigem Herstellungsaufwand auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Coriolis-Massendurchflussmessgerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Geräts beschrieben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit einem im Wesentlichen V-förmigen Messrohr erheblich einfacher mit der erforderlichen geometrischen Genauigkeit herstellbar ist als das bekannte mit einem trapezförmigen Messrohr. Da für den Massenausgleich der beiden achsensymmetrisch zueinander schwingenden Schenkel des V-förmigen Messrohrs ein mit dem Messrohr verbundener, zusätzlicher Schwingkörper vorgesehen ist, ist die Form des Basisabschnitts, der sich an der Spitze der V-Form befindet, von untergeordneter Bedeutung. Der Basisabschnitt kann beispielsweise durch einen einzelnen Krümmer oder durch zwei Krümmer mit einem vorzugsweise kurzen, geraden Teil zwischen diesen realisiert sein. Wenn der Basisabschnitt als zwei Krümmer mit dazwischen liegendem kurzem geradem Teil ausgebildet ist, wird unter dem Begriff „kurz“ verstanden, dass die Länge des geraden Teils höchstens 30 % der Länge der beiden Schenkel beträgt. Ein Messrohr in dieser Form zeichnet sich durch einen geringen Druckverlust und hohe Durchflusskapazität aus. Die Form des Messrohrs kann in einfacher Weise durch Biegen aus einem einteiligen Rohr erhalten werden. Zudem ist das Messrohr vorteilhaft in drei der vier möglichen Einbaulagen selbstentleerend. Mit einem derartigen Coriolis-Massendurchflussmessgerät können ohne besondere Schwierigkeiten die Hygieneanforderungen der Lebensmittel- oder Arzneimittelindustrie erfüllt werden.
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Mit einem Schwingkörper, der im Bereich der offenen Seite des im Wesentlichen V-förmigen Messrohrs angeordnet und für einen Massenausgleich in einem aus dem Messrohr und dem Schwingkörper achsensymmetrisch gebildeten schwingenden System auf die Eigenschaften des Messrohrs abgestimmt ist, kann in besonders einfacher und zuverlässiger Weise der gewünschte Massenausgleich erhalten werden. Aufgrund des guten Massenausgleichs ist das schwingende System kaum nach außen als solches wirksam und umgekehrt weitgehend unempfindlich gegenüber von außen eingetragenen Vibrationen. Damit verbunden sind eine besonders hohe Nullpunktstabilität des Massendurchflussmessgeräts und eine verbesserte Messempfindlichkeit.
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Bei einem im Wesentlichen V-förmigen Messrohr, das in seinem Verlauf im Massendurchflussmessgerät in die hintereinanderliegenden Abschnitte gerader Einlaufabschnitt, Einlaufkrümmer, Einlaufschenkel, Basisabschnitt, Auslaufschenkel, Auslaufkrümmer und gerader Auslaufabschnitt untergliedert werden kann, hat sich eine Anbringung des Schwingkörpers am Messrohr als besonders vorteilhaft erwiesen, bei welcher dieser an einer ersten Stelle im Bereich des Übergangs vom geraden Einlaufabschnitt zum Einlaufkrümmer und an einer zweiten Stelle im Bereich des Übergangs vom Auslaufkrümmer zum geraden Auslaufabschnitt mit dem Messrohr in Richtung parallel zur Symmetrieachse federnd verbunden ist. Da das Messrohr durch einen Versteifungsrahmen gehalten wird, haben die so gewählten Befestigungsstellen einen weitgehend konstanten Abstand zueinander und die wesentliche Bewegungskomponente des Messrohrs weist an den Befestigungsstellen in eine Richtung parallel zur Symmetrieachse. Aufgrund des Abstands der Befestigungsstellen zu Einlauf- und Auslaufschenkel des Messrohrs wird zudem deren freie Schwingfähigkeit vorteilhaft allenfalls geringfügig eingeschränkt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingkörper als Federbalken ausgebildet, der mit seinen Enden an der ersten Stelle bzw. an der zweiten Stelle an dem Messrohr befestigt ist. Die Befestigung kann durch eine Schweißverbindung, vorzugsweise jedoch durch eine Lötverbindung realisiert werden. Diese Ausgestaltung des Schwingkörpers ermöglicht eine besonders einfache Optimierung des Massenausgleichs in dem aus Messrohr und Schwingkörper gebildeten schwingenden System, insbesondere durch Variation der Geometrie des Federbalkens bei vorgegebenen Materialien für Messrohr und Schwingkörper. Zudem hat sich herausgestellt, dass diese Optimierung weitgehend unabhängig von der Dichte des Mediums ist.
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Zur Anregung des Schwingungssystems zu einem gewünschten Schwingungsmodus dient in vorteilhafter Weise bereits eine einzige Erregeranordnung, wenn diese zur Anregung des aus Messrohr und Schwingkörper achsensymmetrisch gebildeten schwingenden Systems eine Kraft auf die Mitte des Schwingkörpers in einer Richtung parallel zur Symmetrieachse ausübt. Im Vergleich zu einer alternativ möglichen Anregung an den beiden Schenkeln des Messrohrs führt dies zu deutlich niedrigeren Herstellungskosten, da bereits lediglich eine einzige Erregeranordnung ausreicht. Da für die Anregung zudem keine zusätzlichen massebehafteten Bauteile, beispielsweise Magnete zur Realisierung einer elektromagnetischen Erregeranordnung, am Messrohr angebracht werden müssen, hat dies zudem den Vorteil, dass die Dichte des das Messrohr durchströmenden Mediums mit höherer Genauigkeit gemessen werden kann.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden genau zwei Schwingungsaufnehmer zur Erzeugung von Schwingungssignalen verwendet, deren Phasendifferenz die Basis zur Berechnung des Massendurchflusses bildet. Ein erster Schwingungsaufnehmer wird zur Erfassung von Schwingungen an der Hälfte des Einlaufschenkels vorgesehen, welche dem Einlaufkrümmer benachbart ist, ein zweiter Schwingungsaufnehmer an der Hälfte des Auslaufschenkels, welche zum Auslaufkrümmer führt. Eine derartige Anordnung der Schwingungsaufnehmer ist besonders vorteilhaft für die Messempfindlichkeit des Massendurchflussmessgeräts, da der auf Corioliskräften beruhende Phasenversatz der Schwingungssignale auf diese Weise besonders stark ausgeprägt ist. Zudem sind so platzierte Schwingungsaufnehmer besonders nahe beim Versteifungsrahmen, sodass deren Verdrahtung zum Anschluss an eine Ansteuer- und Auswerteeinheit mit vergleichsweise kurzen Signalleitungen realisiert werden kann.
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Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 – eine Seitenansicht eines Messrohrs,
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2 – ein bei Schwingungen ausgelenktes Messrohr,
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3 – ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät,
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4 – ein Befestigungsdetail eines Schwingkörpers,
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5 und 6 – Diagramme von Kräften und Drehmoment.
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Für gleiche Teile werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Gemäß 1 ist ein Messrohr 1, dessen Form bei der dargestellten Lage im Wesentlichen einem umgekehrten V entspricht, mit seinen Enden durch einen Versteifungsrahmen gehalten, von welchem in 1 zur besseren Anschaulichkeit lediglich zwei Befestigungsanker 2 und 3 sichtbar sind. Ein Schwingkörper 4, der als Federbalken ausgebildet ist, dient zum Massenausglich in dem aus Messrohr 1 und Schwingkörper 4 gebildeten, symmetrisch zu einer Achse 5 schwingenden System. Durch den Massenausgleich soll erreicht werden, dass auf die Anker 2 und 3 und damit nach außen in eine nicht dargestellte Rohrleitung, in welche das Coriolis-Massendurchflussmessgerät eingebaut ist, wirkende Kräfte Fx und Fy sowie ein Moment Mz verschwinden.
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Damit dies zumindest näherungsweise der Fall ist, wird das aus dem Messrohr 1 und dem Schwingkörper 4 bestehende System zu achsensymmetrischen Schwingungen angeregt, wie sie anhand 2 verdeutlicht werden. Zu dem in 2 dargestellten Zeitpunkt sind ein Einlaufschenkel 23 und ein Auslaufschenkel 25 des Messrohrs 1 sowie der Schwingkörper 4 nach innen gebogen, sodass der Massenschwerpunkt im Idealfall unverändert bleibt. Bei um 180 Grad versetzter Phase der Schwingung erfährt das System Auslenkungen in entgegengesetzten Richtungen bei im Idealfall ebenfalls unveränderter Lage des Massenschwerpunkts.
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Bei dieser Ausprägung der Schwingungen ergeben sich als bevorzugte Stellen zur Anbringung von Erregeranordnungen gemäß 1 die Positionen 11 und 12, wobei zusätzlich oder alternativ eine Erregeranordnung an der Position 13 angebracht werden kann, sowie zur Anbringung von Schwingungsaufnehmern die Positionen 14...17.
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Eine besonders vorteilhafte Anbringung von Schwingungsaufnehmern 31 und 32 sowie einer Erregeranordnung 33 wird anhand 3 erläutert. Symbolisiert sind dazu Schwingungsaufnehmer 31 und 32 sowie eine Erregeranordnung 33 elektromagnetischer Art. Das im Wesentlichen V-förmige Messrohr 1 kann entsprechend seiner Form untergliedert werden in die hintereinanderliegenden Teile gerader Einlaufabschnitt 21, Einlaufkrümmer 22, Einlaufschenkel 23, Basisabschnitt 24, Auslaufschenkel 25, Auslaufkrümmer 26 und gerader Auslaufabschnitt 27. Die dabei verwendeten Begriffe Einlauf und Auslauf dienen lediglich zur Unterscheidung der jeweils bezeichneten Teile und nicht zur Kennzeichnung der Fließrichtung, da selbstverständlich mit dem Coriolis-Massendurchflussmessgerät ein Massenfluss in beliebiger Richtung gemessen werden kann.
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Die Schwingungsaufnehmer 31 und 32 sowie die Erregeranordnung 33 sind hinsichtlich der Bewegungsrichtung des Messrohrs 1 bzw. des Schwingkörpers 4 zur optimalen Erfassung der Schwingungen bzw. deren Anregung ausgerichtet. Eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 34 dient zur Erfassung und Auswertung von Schwingungssignalen 35 und 36, die durch die Schwingungsaufnehmer 31 bzw. 32 erzeugt werden, sowie zur Generierung und Ausgabe eines Treibersignals 37, durch welches das aus dem Messrohr 1 und dem Schwingkörper 4 gebildete schwingende System zu Schwingungen einer gewünschten Frequenz angeregt wird. Als Frequenz wird vorzugsweise eine Resonanzfrequenz gewählt, wobei diese nicht der Frequenz der Grundschwingung des schwingenden Systems entsprechen muss, sondern auch eine Frequenz einer Oberschwingung beispielsweise erster oder zweiter oder dritter Ordnung sein kann. Durch geeignete Wahl der Frequenz des Treibersignals 37 kann mittels der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 34 die Resonanzfrequenz oder eine geringfügig davon abweichende Frequenz für einen optimalen Massenausgleich des schwingenden Systems eingestellt werden.
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Zur Auswertung der Schwingungssignale 35 und 36 umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 34 einen Mikroprozessor sowie Speicher für Programme, Daten und Parameter, welche in 3 nicht näher dargestellt sind. Ergebnisse der Auswertung werden auf einer Anzeige ausgegeben und/oder über eine Leitung 38 an eine weitere Elektronikeinheit zur Signalkonditionierung oder direkt an eine übergeordnete Leitstation übertragen.
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3 zeigt weiterhin eine Befestigungsplatte 39, welche insbesondere zur Halterung der Schwingungsaufnehmer 31 und 32 sowie der Erregeranordnung 33 dient. Dabei wird besonders deutlich, dass aufgrund deren räumlicher Nähe bereits eine vergleichsweise kleine Befestigungsplatte 39 ausreicht und lediglich kurze Leitungslängen zu deren Verbindung mit der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 34 in einer praktischen Realisierung der Anordnung genügen. Das hat Vorteile bezüglich der Qualität der über die Anschlussleitungen übertragenen Signale und somit auch bezüglich der Messgenauigkeit. Zudem können weitere Bauteile, die zur mechanisch steifen Verbindung der Befestigungsplatte 39 mit dem zur besseren Anschaulichkeit in 3 nicht gezeigten Versteifungsrahmen erforderlich sind, in vergleichsweise kleinen Abmessungen realisiert werden, sodass insgesamt ein vergleichsweise leichtes Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit geringer Masse und somit geringem Materialverbrauch realisiert werden kann.
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Anhand 4 wird eine mögliche Art einer Befestigung eines Schwingkörpers 4, der als Federbalken einer Dicke d ausgebildet ist, an einem Messrohr 1 erläutert. Dazu ist in 4 das eine Ende 41 des Schwingkörpers 4 dargestellt, mit welchem dieser an einer Stelle im Bereich des Übergangs vom geraden Einlaufabschnitt 21 zum Einlaufkrümmer 22 befestigt ist. Das gegenüberliegende, nicht dargestellte andere Ende ist dazu achsensymmetrisch ausgebildet und befestigt. Das gezeigte Ende 41 ist mit einer Ausnehmung 42 versehen, die derart ausgebildet ist, dass aufgrund der Ausnehmung 42 zwei Backen 43 und 44 erhalten werden, mit welchen das Ende 41 das Messrohr 1 zangenartig umgreift. Die Backen 43 und 44 sind am Ende 41 jeweils mit zum Messrohr 1 weisenden Vorsprüngen 45 bzw. 46 versehen, deren Innenflächen durch Hartlöten oder alternativ durch Schweißen mit dem Messrohr 1 verbunden sind. Diese Punktlötung bzw. Punktschweißung stellt eine stabile Verbindung dar, welche die über den Einlaufkrümmer 22 bei Schwingungen eingeleiteten Kräfte und Momente aufnehmen und mithilfe des Schwingkörpers 4 weitgehend kompensieren kann, so dass die über die Verbindungsstelle auf den Einlaufabschnitt 21 übertragenen, resultierenden Kräfte und Momente nahezu verschwinden.
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Anhand der 5 und 6 werden im Folgenden die vorteilhaften Auswirkungen des Schwingkörpers 4 zur Verbesserung des Massenausgleichs eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts weiter erläutert. 5 zeigt ein Diagramm, an dessen Abszisse die Dicke d des als Federbalken ausgebildeten Schwingkörpers 4 in mm (Millimeter) und an dessen Ordinate die Kräfte Fx und Fy (1) als normierte Größen aufgetragen sind. Im Unterschied dazu ist in 6 das Moment Mz (1) als normierte Größe an der Ordinate aufgetragen. Die in den Diagrammen eingezeichneten Werte und Verläufe wurden bei der gewünschten Resonanzfrequenz des Messrohrs ermittelt. Die auf den Ordinaten liegenden Punkte 51 (5) und 61 (6) wurden zum Vergleich für ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät ohne Schwingkörper, d. h. Dicke d = 0, und einem mit Wasser befüllten Messrohr aufgenommen. Entsprechend dem Punkt 51 beträgt die Kraft Fy fast das 8.000-fache entsprechend Punkt 52 Fx etwa das 200-fache und entsprechend dem Punkt 61 das Moment Mz etwa das 250-fache der jeweiligen Minimalwerte, die mit einem Schwingkörper optimal bemessener Dicke d erhalten wurden. Die mittels des Schwingkörpers erreichbare Verbesserung des Massenausgleichs ist somit erheblich. Ein Verlauf 53 stellt die für verschiedene Dicken d ermittelte Kraft Fy für ein mit Wasser gefülltes Messrohr, ein Verlauf 54 für ein mit Luft gefülltes Messrohr dar. Entsprechend zeigt ein Verlauf 63 ermittelte Momente Mz für ein wasserbefülltes Messrohr und ein Verlauf 64 Momente Mz für ein luftbefülltes Messrohr. An den Verläufen 53 und 54 bzw. 63 und 64 ist erkennbar, dass die Kraft Fy bzw. das Moment Mz bei einer Dicke d von etwa 1,4 mm für ein wasserbefülltes Messrohr und bei einer Dicke d von etwa 1,5 mm für ein luftbefülltes Messrohr Minimalwerte erreichen. Daraus ist ersichtlich, dass zur Erreichung eines guten Massenausgleichs eine Anpassung des Schwingkörpers an die Messrohreigenschaften ausreichend ist. Durch eine Anpassung beispielsweise der Dicke d eines als Federbalken ausgeführten Schwingkörpers an die Dichte des jeweils zu messenden Mediums könnte prinzipiell zwar eine weitere Optimierung des Massenausgleichs durchgeführt werden, diese kann jedoch entfallen, da bei vorbestimmter Dicke d eine eher geringe Abhängigkeit der Qualität des Massenausgleichs von der Mediendichte besteht. In 5 sind zusätzlich Verläufe 55 und 56 der Kraft Fx für ein wasserbefülltes Messrohr bzw. für ein luftbefülltes Messrohr eingezeichnet. Die Kraft Fx zeigt eine deutlich geringere Abhängigkeit von der jeweiligen Dicke d und ist über einen größeren Bereich nahezu konstant.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010006429 A1 [0002]
- EP 1223412 B1 [0003]
