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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp zum Messen der Dichte und/oder des Massedurchflusses eines Mediums mit mindestens einem Oszillator der zwei mit einem Schwingungskoppler gekoppelte Messrohre aufweist, wobei die Messrohre in der Ruhelage in die gleiche Richtung gebogen sind.
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Ein derartiger Messumformer ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 010 178 A1 offenbart. Die Messrohre sind paarweise zu Oszillatoren gekoppelt, wobei jeweils zwei übereinander liegende Messrohre einen Oszillator bilden. Die dort gezeigte Kopplung erscheint jedoch sehr starr, so dass zwischen den Messrohren, die absehbar stark abweichende Eigenfrequenzen aufweisen, große Zwangskräfte und mechanische Spannungen zwischen den gekoppelten Messrohren zu erwarten sind, welche die Messgenauigkeit und Empfindlichkeit des Messaufnehmers beeinträchtigen. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
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Der erfindungsgemäße Messaufnehmer vom Vibrationstyp zum Messen der Dichte und/oder des Massedurchflusses eines Mediums ist ein Messaufnehmer mit mindestens einem ersten Oszillator, welcher umfasst: ein erstes Messrohr, welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine erste Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu einer ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das erste Messrohr dazu eingerichtet ist, in einem ersten, bezüglich der ersten essrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, ein zweites Messrohr, welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine zweite Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das zweite Messrohr dazu eingerichtet ist, in dem ersten, bezüglich der ersten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen,
mindestens einen ersten elastischen Schwingungskoppler, welcher das erste Messrohr und das zweite Messrohr miteinander zu dem Oszillator koppelt; und
mindestens einen Erreger zum Anregen von Oszillatorschwingungen zumindest im ersten Biegeschwingungsmode,
wobei das erste Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine erste Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der ersten Messrohrlängsachse und der ersten Messrohrlängsebene minimal ist, wobei das erste Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur ersten Messrohrlängsebene schwingt, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine zweite Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der zweiten Messrohrlängsachse und der zweiten Messrohrlängsebene minimal ist, wobei das zweite Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Messrohrlängsebene schwingt, wobei das erste Messrohr und das zweite Messrohr in die gleiche Richtung gebogen sind,
wobei der Oszillator eine erste Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode in Phase schwingen,
wobei der Oszillator eine zweite Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode gegenphasig schwingen,
wobei die zweite Oszillatoreigenfrequenz größer ist als die erste Oszillatoreigenfrequenz,
wobei das erste Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine erste Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei das zweite Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine zweite Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei die beiden Messrohreigenfrequenzen um nicht mehr als 8 % insbesondere nicht mehr als 4 % und bevorzugt nicht mehr als 2 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 % von, ihrem arithmetrischen Mittelwert abweichen.
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Durch die geringen Abweichungen zwischen den Eigenfrequenzen der Messrohre im ersten Biegeschwingungsmode können die beiden Messrohre durch einen vergleichsweise schwachen Schwingungskoppler zu einem Oszillator gekoppelt werden, ohne dass im Bereich der Schwingungskoppler zu große mechanische Spannungen auftreten.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die zweite Oszillatoreigenfrequenz nicht mehr als das Zweieinviertelfache, insbesondere nicht mehr als das Doppelte und bevorzugt nicht mehr als das 1,8-Fache der ersten Oszillatoreigenfrequenz.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Oszillatoreigenfrequenz um mindestens 4%, insbesondere mindestens 8%, vorzugsweise mindestens mindestens 16% größer als die erste Oszillatoreigenfrequenz.
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Die beiden obigen Grenzen für das Frequenzverhältnis zwischen der ersten Oszillatoreigenfrequenz und der zweiten Oszillatoreigenfrequenz implizieren einerseits eine hinreichende Trennung um ein Übersprechen zwischen den beiden Schwingungsmoden des Oszillators auszuschließen, und andererseits einen nicht allzu Schwingungskoppler, wodurch die mechanischen Spannungen beim gegenphasigen Schwingungsmode mit der zweiten Oszillatoreigenfrequenz gering bleiben, insbesondere unterhalb des Bereichs plastischer Verformungen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung koppelt der mindestens eine erste elastische Schwingungskoppler das erste Messrohr und das zweite Messrohr symmetrisch zur Messrohrquerebene, insbesondere in der Messrohrquerebene miteinander zu dem Oszillator.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Messrohrlängsebene um nicht mehr als 8°, insbesondere nicht mehr als 4°, vorzugsweise nicht mehr als 2° und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 ° gegenüber der zweiten Messrohrlängsebene geneigt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messaufnehmer weiterhin einlaufseitig und auslaufseitig jeweils einen Sammler, wobei die Messrohre jeweils einlaufseitig und auslaufseitig mit einem Sammler strömungstechnisch zusammengefasst sind, wobei die einlaufseitig und auslaufseitig vorgesehenen Sammler insbesondere derart stabil ausgestaltet sind, dass sie die Funktionalität einer Knotenplatte erfüllen; und einen Trägerkörper, welcher den einlaufseitigen Sammler und den auslaufseitigen Sammler starr miteinander verbindet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messaufnehmer weiterhin mindestens einen zweiten Oszillator, welcher umfasst: ein drittes Messrohr, welches eine dritte Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Messrohrquerebene verläuft, wobei das dritte Messrohr dazu eingerichtet ist, in einem ersten, bezüglich der zweiten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, ein viertes Messrohr, welches eine vierte Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das zweite Messrohr dazu eingerichtet ist, in dem ersten, bezüglich der zweiten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, und mindestens einen zweiten elastischen Schwingungskoppler welcher das dritte Messrohr und das vierte Messrohr symmetrisch zur zweiten Messrohrquerebene, insbesondere in der zweiten Messrohrquerebene miteinander zu dem Oszillator koppelt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung gleicht der zweite Oszillator hinsichtlich seiner Schwingungseigenschaften dem ersten Oszillator, insbesondere hinsichtlich der Verhältnisse der Oszillatoreigenfrequenzen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das dritte Messrohr baugleich mit dem ersten Messrohr ist, und wobei das vierte Messrohr im Wesentlichen baugleich mit dem zweiten Messrohr.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Schwingungskoppler baugleich mit dem ersten Schwingungskoppler.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wirkt der Erreger zwischen einem Messrohr des ersten Oszillators und dem baugleichen Messrohr des zweiten Oszillators.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messumformer weiterhin auslaufseitig jeweils mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Knotenplatten wobei jedes der Messrohre einlassseitig und auslasseitig jeweils zumindest mit einem baugleichen Messrohr mittels zumindest einer Knotenplatte verbunden ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Ruhelagenabstand der Befestigungspunkte eines Schwingungskopplers an den mittels des Schwingungskopplers gekoppelten Messrohren bei Temperaturen zwischen 20°C auf 80°C einen Änderungskoeffizienten auf, der nicht mehr als 50% insbesondere nicht mehr als 20% vorzugsweise nicht mehr als 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Schwingungskopplers abweicht.
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Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- 1a: eine räumliche Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 1b: eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 1c: eine Frontansicht des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 1d: eine schematische Detailansicht des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 2a: eine Skizze zur Erläuterung von Symmetrien eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 2b: eine Skizze zur Erläuterung von allgemeinen Symmetriebedingungen eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 3a: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines ersten Ausführungsbeispiels;
- 3b: eine schematische Detailaufsicht entlang der Linie A-A aus 3a auf das zweite und vierte Messrohr des ersten Ausführungsbeispiels;
- 4a: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines zweiten Ausführungsbeispiels
- 4b: eine schematische Detailaufsicht entlang der Linie B-B aus 4a auf das zweite und vierte Messrohr des zweiten Ausführungsbeispiels.
- 5: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines dritten Ausführungsbeispiels
- 6: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines vierten Ausführungsbeispiels
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Das in 1a bis 1d dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers 100 umfasst vier gebogene Messrohre 101, 102, 103, 104. Die Messrohre 101, 102, 103, 104 erstrecken sich zwischen einem einlassseitigen Sammler 120 und einem auslassseitigen Sammler 120, und sind mit den Sammlern 120 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 101, 102, 103, 104 von den Sammlern 120 aus dem Trägerrohr 124 heraus und wieder zurück geführt sind.
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Die Sammler 120 weisen endständig jeweils einen Flansch 122 auf, mittels dessen der Messaufnehmer 100 in einer Rohrleitung zu installieren ist. Durch Öffnungen 123 in den Flanschen 122 ist ein Medium durch den Messaufnehmer 100, insbesondere dessen Messrohre 101, 102, 103, 104 zu führen, um den Massedurchfluss und/oder die Dichte des Mediums zu bestimmen. Das erste Messrohr101 und das zweite Messrohr 102 sind mittels eines ersten Schwingungskopplers 212 zu einem ersten Oszillator O1 gekoppelt. Das dritte Messrohr 103 und vierte Messrohr 104 sind mittels eines zweiten Schwingungskopplers 234 zu einem zweiten Oszillator O2 gekoppelt (Im Sinne der Übersichtlichkeit sind die Schwingungskoppler in 1a nicht dargestellt).
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Bevor die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 100 weiter erläutert wird, sollen kurz anhand von 2a und 2b einige Symmetrieeigenschaften des erfindungsgemäßen Messaufnehmers erläutert werden. In 2a sind eine erste Messrohrmittenlinie 111 des ersten Messrohrs 101,eine zweite Messrohrmittenlinie 112 des zweiten Messrohrs 102,eine dritte Messrohrmittenlinie 113 des dritten Messrohrs 103, und eine vierte Messrohrmittenlinie des vierten Messrohrs 104 dargestellt. Die Messrohrmittenlinien sind jeweils gegeneben durch die Mittelpunkte einer Folge von Rohrquerschnitten entlang des Verlaufs eines Messrohrs.
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Jedem der Messrohre 101, 102, 103, 104 ist eine Messrohrlängsebene Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4 zugeordnet, zu welcher das Integral der Abstandsquadrate der jeweiligen Messrohrmittenlinie minimal ist. Insbesondere können die Messrohrmittenlinien vollständig in der jeweiligen Messrohrlängsebene verlaufen.
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Die Messrohrlängsebenen Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4 schneiden die Messrohrquerebene Sxy senkrecht, wie in 2b dargestellt ist, die eine Aufsicht auf die Messrohrquerebene zeigt. In dem dort gezeigten, allgemeinen Fall weist jedes Messrohr eine eigene Messrohrlängsebene Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4 auf, wobei die Messrohrquerebenen durchaus paarweise zusammenfallen können, wie in 2a für die Symmetrien des Ausführungsbeispiels aus 1a bis 1d gezeigt ist. Demnach liegen die erste und vierte Messrohrlängsebene in einer gemeinsamen Messrohrlängsebene Syz-1-4 sowie die dritte und zweite Messrohrlängseben in einer gemeinsamen Messrohrlängsebene Syz-3-2.
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Jede der Messrohrmittenlinien 111, 112, 113, 114 verläuft symmetrisch zu einer gemeinsamen Messrohrquerebene Sxy, welche demnach senkrecht von den Messrohrmittenlinien geschnitten wird. Die erste Messrohrmittenlinie 111 und die dritte Messrohrmittenlinie 113 verlaufen symmetrisch zueinander bezüglich einer Messaufnehmerlängsebene Syz-0. Weiterhin verlaufen die zweite Messrohrmittenlinie 112 und die vierte Messrohrmittenlinie 114 symmetrisch zueinander bezüglich der Messaufnehmerlängsebene Syz-0.
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Die Messrohrlängsebenen Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4 verlaufen im ersten Ausführungsbeispiel parallel zur Messaufnehmerlängsebene Syz-0.
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Die Schnittlinie zwischen der Messrohrquerebene Sxy und der Messaufnehmerlängsebene Syz-0 definiert eine Y-Achse eines Koordinatensystems zur Beschreibung des Messaufnehmers. Eine Z-Achse des Koordinatensystems verläuft senkrecht zur Messrohrquerebene und schneidet die Y-Achse im gemeinsamen Ursprung. Die X-Achse verläuft senkrecht zu den anderen Achsen und schneidet diese im gemeinsamen Ursprung. Mit den solchermaßen definierten Koordinaten wenden wir uns 1a bis 1d zu.
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Das erste Messrohr 101 und das dritte Messrohr 103 sind einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 131 und 133 verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 131, also durch jene, welche einlassseitig bzw. auslassseitig jeweils am weitesten vom entsprechenden Sammler 120 entfernt sind, freie Schwingungslängen des ersten Messrohrs 101, und des dritten Messrohrs 103 festgelegt sind. Entsprechend sind das zweite Messrohr 102 und das vierte Messrohr 104 einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 132 und 134 verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 132 freie Schwingungslängen des zweiten Messrohrs 102, und des vierten Messrohrs 104 festgelegt sind. Aufgrund der Symmetrien haben die bezüglich der Messumformerlängsebene symmetrisch zueinander verlaufenden Messrohre jeweils die gleiche Schwingungslänge und damit bis auf minimale Abweichungen aufgrund von Fertigungstoleranzen die gleichen Schwingungseigenschaften. D.h., sie hätten beispielsweise ohne die Schwingungskoppler 212, 234 paarweise im Wesentlichen die gleichen Eigenfrequenzen, welche jeweils insbesondere durch die freien Schwingungslängen der Messrohre festgelegt sind. Insofern als das zweite und das vierte Messrohr 102, 104 eine andere Gestalt aufweisen als das erste und das dritte Messrohr, 101, 103, weisen die beiden Paare von Messrohren unterschiedliche Schwingungseigenschaften und insbesondere unterschiedliche Eigenfrequenzen auf, wobei agestrebt ist, die Unterschiede möglichst gering zu halten. Aufgrund der Kopplung der Messrohre durch die beiden Schwingungskoppler 212, 234 zum ersten und zweiten Oszillator O1, O2, schwingen die Messrohre in Biegeschwingsmoden der Oszillatoren, die sich aus Kopplung der Biegeschwingungsmoden der beteiligten Messrohre ergeben. Die Biege weisen Eigenfrequenzen auf, die von jenen der Biegeschwingsmoden der gekoppelten Messrohre abweichen.
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Der sogenannte Nutzmode, also jener Biegeschwingungsmode, in dem Messrohre bei einem gattungsgemäßen Messaufnehmer gewöhnlich angeregt werden, spaltet durch die Kopplung der Messrohren in zwei Biegeschwingungsmoden der Oszillatoren, kurz Oszillatorschwingungsmoden auf. In einem ersten Oszillatorschwingungsmode schwingt der erste Oszillator O1 gegen den zweiten Oszillator O2, wobei die beiden Messrohre eines Oszillators jeweils in Phase schwingen, also sich gleichzeitig in positive X-Richtung bewegen. In einem zweiten Oszillatorschwingungsmode schwingt der erste Oszillator O1 gegen den zweiten Oszillator O2, wobei die beiden Messrohre eines Oszillators jeweils in gegenphasig schwingen, also sich gleichzeitig in entgegengesetzte X-Richtung bewegen. Der zweite Oszillatorschwingungsmode weist eine höhere Eigenfrequenz auf als der erste Oszillatorschwingungsmode. Wie stark sich die Eigenfrequenzen der ersten und zweiten Oszillatorschwingungsmoden voneinander unterscheiden hängt von der Steifigkeit der Schwingungskoppler im Verhältnis zur Steifigkeit der Messrohre ab. Gestaltungsmöglichkeiten hierzu sind weiter unten dargestellt. In jedem Fall sollte die Frequenztrennung ein Mehrfaches einer Resonanzbreite der Oszillatorschwingungsmoden aufweisen, um ein Übersprechen zwischen den Oszillatorschwingungsmoden zu verhindern. Die Kopplung der Messrohre zu zwei Oszillatoren bewirkt, dass die Messrohre in definierten Phasen zueinander Schwingen, und dass sich die Schwingungsmoden nicht gegenseitig stören.
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Eine erste Ausgestaltung von Schwingungskopplern ist in 3a und 3b dargestellt. 3a zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 101, 102, 103 104 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 212 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des ersten Messrohrs 101 zum Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 102. Der erste Schwingungskoppler 212 umfasst einen ersten geraden Kopplerstreifen 206, der sich zwischen einem ersten Kopplerfuß 201 und einem zweiten Kopplerfuß 202 erstreckt. Der erste und zweite Kopplerfuß 201, 202 sind am Sattelpunkt des ersten Messrohrs 101 bzw. Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 202 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert. Der erste Koppelstreifen 206 ist entweder einstückig mit den zugehörigen Kopplerfüßen 201, 202 ausgebildet oder durch Fügen mit diesen verbunden.
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Ein zweiter Schwingungskoppler 234 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des dritten Messrohrs 103 zum Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 104. Der zweite Schwingungskoppler 234 umfasst einen zweiten geraden Koppelstreifen 206, der sich zwischen einem dritten Kopplerfuß 203 und einem vierten Kopplerfuß 204 erstreckt. Der dritte und vierte Kopplerfuß 203, 204 sind am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 103 bzw. Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 204 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert. Der zweite Koppelstreifen 206 ist entweder einstückig mit den zugehörigen Kopplerfüßen 203, 204 ausgebildet oder durch Fügen mit diesen verbunden. Die in 3b gezeigte Aufsicht auf das dritte und vierte Messrohr 103, 104 aus der Ebene A-A in 3a zeigt die Position des zweiten und vierten Kopplerfußes 102, 104 sowie den Verlauf der Koppelstreifen 206, 208 unterhalb der Ebene A-A. Die Koppelstreifen 206, 208 sind voneinander beabstandet um Reibung zwischen ihnen auszuschließen, aber sie sind möglichst dicht an der Messrohrquerebene positioniert um die Einleitung von Biegemomenten, die insbesondere den so genannten Coriolis-Mode beeinflussen könnten, möglichst gering zu halten. Die Schwingungskoppler sind aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Messrohre. Im Sinne der Übersichtlichkeit sind in 3a Schwingungserreger, die ebenfalls in der Messrohrquerebene positioniert sind, nicht dargestellt.
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Eine zweite Ausgestaltung von Schwingungskopplern ist in 4a und 4b dargestellt. 4a zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 301, 302, 303 304 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 312 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des ersten Messrohrs 301 zum Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 302. Der erste Schwingungskoppler 312 umfasst einen ersten bogenförmigen Kopplerstreifen 306, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des ersten Messrohrs 301 und Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 302 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist.
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Ein zweiter Schwingungskoppler 334 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des dritten Messrohrs 303 zum Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 304. Der zweite Schwingungskoppler 334 umfasst einen zweiten bogenförmigen Koppelstreifen 308, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 303 bzw. Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 304 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist. Die in 3b gezeigte Aufsicht auf das zweite und vierte Messrohr 302, 304 aus der Ebene B-B in 4a zeigt den Verlauf der beiden Koppelstreifen 306, 308 unterhalb der Ebene B-B. Der bogenförmige Verlauf der Koppelstreifen 306, 308 ermöglicht es, die Koppelstreifen aneinander vorbei zu führen, und dennoch die Enden der Koppelstreifen in oder nahe der Messrohrquerebene zu positioniert um die Einleitung von Biegemomenten, die insbesondere den so genannten Coriolis-Mode beeinflussen könnten, zu minimieren. Die Schwingungskoppler 312, 334 sind aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Messrohre. Im Sinne der Übersichtlichkeit sind in 4a Schwingungserreger, die ebenfalls in der Messrohrquerebene positioniert sind, nicht dargestellt. Durch Gestaltung des gebogenen Verlaufs der Koppelstreifen 306, 308 kann die Steifigkeit der Schwingungskoppler kontrolliert werden. Damit kann Frequenztrennung zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillatorschwingungsmode auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Zudem können mechanische Spannungsspitzen insbesondere beim zweiten Oszillatorschwingungsmode vermieden werden.
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Vorzugsweise wird der Messaufnehmer im ersten Oszillatorschwingungsmode betrieben, welcher das Material der Schwingungskoppler und die zugehörigen Befestigungen am Messrohr weniger beansprucht, wodurch insbesondere das Risiko plastischer Verformungen im Bereich der Schwingungskoppler erheblich reduziert ist. Grundsätzlich kann der Messaufnehmer aber auch im zweiten Oszillatorschwingungsmode betrieben werden, insbesondere zu Diagnosezwecken.
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In der Darstellung der Ausführungsbeispiele mit diagonalen Schwingungskopplern besteht hinsichtlich der Definition einer gegenphasigen und einer gleichphasigen Schwingung der Zwang zu einer willkürlichen Festlegung, der im diagonalen Verlauf der Schwingungskoppler begründet ist. Was aus der Perspektive jeweils eines Schwingungskopplers in Phase erfolgt (gleichzeitige Bewegung in positive x-Richtung), ist bezogen auf die Messaufnehmerlängsebene gegenphasig (das erste und das dritte Messrohr nähern sich einander, während sich das vierte und das zweite Messrohr voneinander entfernen). Vorliegend fiel die Entscheidung den niederfrequenten, spannungsärmeren ersten Oszillatorschwingungsmode als „gleichphasig“ zu bezeichnen.
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Zum Anregen von der Biegeschwingungen der Messrohre der Oszillatoren O1 und O2 in X-Richtung ist in der Messrohrquerebene Sxy zwischen dem ersten Messrohr 101 und dem dritten Messrohr 103 eine elektrodynamische Erregeranordnung 141 angeordnet. Die Erregeranordnung 141 umfasst eine Tauchspule an einem der beiden Messrohre und einen Tauchkörper am gegenüberliegenden Messrohr. Die Erregeranordnung ist an den Scheitelpunkten des ersten und dritten Messrohrs in der Messrohrquerebene positioniert. Weiterhin ist eine zweite elektrodynamische Erregeranordnung 142 vorgesehen, die zwischen dem zweitem Messrohr 102 und dem vierten Messrohr wirkt, und insbesondere baugleich zur ersten Erregeranordnung ist. Die zweite Erregeranordnung 142 ist an den Sattelpunkten des zweiten und vierten Messrohrs in der Messrohrquerebene positioniert (Im Sinne der Übersichtlichkeit sind die Erregeranordnungen in 1d nicht dargestellt).
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Durch Speisen der Tauchspulen mit Wechselstromsignalen geeigneter Frequenz und Phasenlage werden die Messrohre zu Schwingungen angeregt, wobei die Schwingungen über den ersten Schwingungskoppler 212 zwischen dem ersten Messerohr 101 und dem zweiten Messrohr 102, sowie den zweiten Schwingungskoppler 234 zwischen dem dritten Messrohr 103 und dem vierten Messrohrauf 104 gekoppelt sind.
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Beim ersten, gleichphasigen Oszillatorschwingungsmode müssen die beiden Erregeranordnungen gegenphasig eine anziehende Kraft ausüben. Beim zweiten, gegenphasigen Oszillatorschwingungsmode müssen die beiden Erregeranordnungen gleichphasig eine anziehende Kraft ausüben.
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Zum Erfassen der Schwingungen zwischen dem ersten Messrohr 101 und dem dritten Mesrohr 103 sind symmetrisch zur Messrohrquerebene zwischen dem ersten Messrohr 101 und dem dritten Messrohr 103 zwei elektrodynamische Sensoranordnungen 151 angeordnet mit jeweils einer Tauchspule an einem Rohr und einem Tauchkörper am anderen Rohr. Entsprechend sind zum Erfassen der Schwingungen zwischen dem zweiten Messrohr 102 und dem vierten Messrohr 104 symmetrisch zur Messrohrquerebene zwischen dem zweiten Messrohr 102 und dem vierten Messrohr 104 zwei elektrodynamische Sensoranordnungen 152 angeordnet mit jeweils einer Tauchspule an einem Rohr und einem Tauchkörper am anderen Rohr. 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).
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Neben den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen mit diagonalen Schwingungskopplern, umfasst die Erfindung auch Messaufnehmer mit einer Schwingungskopplung der unmittelbar übereinanderliegenden Messrohre, wie im Folgenden anhand von den zwei in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert wird.
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Das in 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich durch die Art der Schwingungskopplung von den ersten beiden Ausführungsbeispielen. 5 zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 401, 402, 403 404 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 414 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines ersten Messrohrs 401 zum Scheitelpunkt eines zweiten Messrohrs 404. Der erste Schwingungskoppler 401 umfasst einen ersten metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des ersten Messrohrs 401 und Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 404 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist. Ein zweiter Schwingungskoppler 432 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines dritten Messrohrs 403 zum Scheitelpunkt eines vierten Messrohrs 402. Der zweite Schwingungskoppler 432 umfasst einen zweiten metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 401 und Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 404 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist.
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Das in 6 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel weist eine ähnliche Schwingungskopplung wie das dritte Ausführungsbeispiel auf. 6 zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 501, 502, 503 504 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 514 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines ersten Messrohrs 501 zum Scheitelpunkt eines zweiten Messrohrs 504. Der erste Schwingungskoppler 501 umfasst einen ersten bogenförmig verlaufenden metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des ersten Messrohrs 501 und Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 504 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist. Ein zweiter Schwingungskoppler 532 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines dritten Messrohrs 503 zum Scheitelpunkt eines vierten Messrohrs 502. Der zweite Schwingungskoppler 532 umfasst einen zweiten bogenförmig verlaufenden metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 501 und Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 404 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist.
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Die Gestaltung des bogenförmigen Verlaufs der Kopplererstreifen ermöglicht eine kontrollierte Abstimmung der Steifigkeit der Schwingungskoppler. Damit kann Frequenztrennung zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillatorschwingungsmode auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Zudem können mechanische Spannungsspitzen insbesondere beim zweiten Oszillatorschwingungsmode vermieden werden.
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Das äußeren baugleichen Messrohre 101, 103; 401, 403; 501, 503, haben im Biegeschwingungsgrundmode ohne Schwingungskopplung eine Eigenfrequenz von etwa 150 Hz, wobei die entsprechende Eigenfrequenz der inneren baugleichen Messrohre 102, 104; 402, 404; 502, 504 etwa 0,2 Hz größer ist. Die erste Oszillatoreigenfrequenz der gekoppelten Messrohre des Oszillatorschwingungsmodes in Phase ist im wesentlichen der Mittelwert der obigen Frequenzen. Je nach Steifigkeit der Schwingungskoppler beträgt die zweite Oszillatoreigenfrequenz des gegenphasigen Oszillatorschwingungsmodes etwa 156 Hz bis etwa 270 Hz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011010178 A1 [0002]
