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Die Erfindung betrifft einen Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit geringer Druckabhängigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Coriolis-Massendurchflussmessgerätes.
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Gattungsgemäße Coriolis-Massendurchflussmessgeräte sind beispielsweise aus der
EP 2 657 659 A1 oder der
DE 10 2012 016 490 A1 bekannt. Sie werden in unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt, um den Massenstrom und/oder die Dichte eines Fluids zu messen. Bekannte Coriolis-Massendurchflussmessgeräte umfassen ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für einen Messstoff beziehungsweise ein fluides Medium, wobei der Einlass und der Auslass entlang einer Durchflussachse angeordnet sind. Die Durchflussachse entspricht beispielsweise der Flussrichtung in einem geraden Rohrabschnitt, in den das Coriolis-Massendurchflussmessgerät zwischengeschaltet wird. Darüber hinaus umfasst das Coriolis-Massendurchflussmessgerät wenigstens ein Messrohr, das von dem Messstoff in einer Strömungsrichtung durchströmbar ausgebildet und zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist. Das Messrohr kann den Messstoff über unterschiedliche Wege vom Einlass zum Auslass führen, beispielsweise kann das Messrohr bogenförmig, U-förmig oder auch gerade angeordnet sein. Die Fließrichtung des Messstoffs kann dabei um bis zu 90° von der Durchflussachse abweichen. Das Messrohr an sich wird an die jeweilige Anwendung angepasst, beispielsweise mit großem Durchmesser für große Durchflussvolumina. Auf diese Weise wird das Coriolis-Massendurchflussmessgerät an das zu messende Fluid und die erwarteten Volumenströme angepasst.
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Die Messung selbst beruht dann auf dem Coriolis-Prinzip. Dazu umfasst das Coriolis-Massendurchflussmessgerät einen Schwingungserreger, der dazu ausgebildet ist, das Messrohr in Schwingungen, vorzugsweise Resonanzschwingungen, in einer Schwingungsrichtung zu versetzen. Der Erreger kann beispielsweise als elektromagnetische Treiberspule ausgebildet sein. Darüber hinaus sind zwei Schwingungsaufnehmer zur Detektion der Messrohrbewegungen vorgesehen, die beispielsweise entlang der Strömungssrichtung des Messrohres voneinander beabstandet an diesem angeordnet sind, vorzugsweise auf unterschiedlichen Seiten des Schwingungserregers. Aufgrund der durch den Erreger induzierten Schwingung der Messrohre wirken Corioliskräfte auf das im Messrohr fließende Fluid, die zu einer Phasenverschiebung der von den Schwingungsaufnehmern detektierten Schwingung führen. Aus dieser Phasenverschiebung kann auf den Massenstrom des durch das Messrohr fließenden Fluids geschlossen werden. Aus der Frequenz der Resonanzschwingung des Messrohres kann die Dichte des Messstoffes abgeleitet werden. Coriolis-Massendurchflussmessgeräte zeichnen sich durch hohe Präzision und besonders flexible Einsatzmöglichkeiten aus, weshalb sie weit verbreitet sind und für die Messung verschiedenster Fluide eingesetzt werden.
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Die Bestimmung des Massenstromes und der Dichte des fluiden Mediums beruht, wie erläutert, auf den gemessenen Schwingungen des Messrohres. Störende Einflüsse ergeben sich durch eine Veränderung der Schwingungseigenschaften, beispielsweise der Steifigkeit des Messrohres, insbesondere während des Betriebes. steigt die Steifigkeit der Messrohre mit zunehmendem Innendruck, also mit zunehmendem Druck des zu messenden Fluids, an. Entsprechend ändern sich auch die Messwerte des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes mit dem Druck des zu messenden Fluids. Es ist bereits bekannt, diese Druckabhängigkeit rechnerisch zu erfassen, den Druck des Fluids zu messen und den Einfluss des Druckes auf die Messwerte bei der Auswertung der Messung zu berücksichtigen und mathematisch zu kompensieren. Nachteilig hieran ist allerdings, dass zum einen der Druck separat bestimmt werden muss und sich die Auswertung der Messergebnisse verkompliziert. Dadurch erhöhen sich die Kosten der Messstelle und durch die Beteiligung und Installation eines Druckmessgerätes erhöht sich der Wartungsaufwand und die Anzahl möglicher Fehlerquellen steigt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Druckabhängigkeit der Messung des Massenstroms und/oder der zu messenden Dichte des Fluids bei einem Coriolis-Massendurchflussmessgerät zu verringern. Dies soll derart realisiert werden, dass keine zusätzlichen Messungen, beispielsweise des Druckes, notwendig sind. Insgesamt sollen so die Kosten der Einrichtung der Messstelle und deren Wartungsaufwand verringert werden.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Coriolis-Massendurchflussmessgerät und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen bzw. Verfahrensvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Konkret gelingt die Lösung bei einem eingangs genannten Coriolis-Massendurchflussmessgerät, bei dem das Messrohr zumindest einen Abschnitt mit ovalem Querschnitt aufweist, so dass das Messrohr beziehungsweise der Querschnitt des Messrohres in diesem Abschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung eine längere Achse und eine kürzere Achse aufweist, dadurch, dass die längere Achse des ovalen Querschnittes des Messrohres im Wesentlichen in Schwingungsrichtung ausgerichtet ist. Ein Rohrabschnitt mit ovalem Querschnitt weist in Bezug auf Biegungen in Richtung der längeren Achse des ovalen Querschnittes eine erhöhte Steifigkeit im Vergleich zu einem Rohr mit einem runden Querschnitt auf. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich bei einer Erhöhung des Innendrucks in einem Rohr mit ovalem Querschnitt die Ovalität (vorliegend definiert als das Verhältnis der längeren Achse zur kürzeren Achse) des Querschnittes verringert, also die längere Achse kürzer und die kürzere Achse des Querschnittes länger wird. Dieser Effekt wird nachfolgend auch als Verrundung bezeichnet, da sich das ovale Rohr der Form eines Rohres mit rundem Querschnitt annähert. Aufgrund der Verrundung des Messrohres nimmt die Steifigkeit bezüglich einer Verbiegung in Richtung der längeren Achse des ovalen Querschnittes mit steigendem Innendruck ab. Wie eingangs schon erläutert wurde, steigt allerdings die Steifigkeit eines Messrohres ganz allgemein mit zunehmendem Innendruck an. Dieser Effekt tritt ebenfalls bei ovalen Rohren auf. Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es daher, sowohl die Erhöhung der Steifigkeit bei steigendem Innendruck als auch die Verringerung der Steifigkeit in Richtung der längeren Achse durch die Verrundung des zumindest abschnittsweise ovalen Messrohres gegeneinander derart zum Ausgleich zu bringen, dass insgesamt der Einfluss des Innendrucks auf die Steifigkeit des Messrohres in Richtung der längeren Achse des ovalen Querschnittes zumindest abgeschwächt oder im besten Fall kompensiert wird, und zwar insbesondere vollständig.
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Damit sich dieser Kompensationseffekt einstellen kann, ist es daher von entscheidender Wichtigkeit, dass die längere Achse des ovalen Querschnittes des Messrohres im Wesentlichen in Schwingungsrichtung der durch den Schwingungserreger induzierten Schwingung des Messrohres ausgerichtet ist. Nur bei dieser Anordnung wirken die Effekte der Druckerhöhung und der Verrundung des Rohrquerschnittes auf die Steifigkeit bezüglich der vom Schwingungserreger induzierten Schwingung genau gegensätzlich und gleichen sich zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus. „Im Wesentlichen“ bedeutet dabei im Rahmen der Erfindung, dass eine gewisse Abweichung von der exakten Ausrichtung der Längsachse des Ovals von der Schwingungsrichtung zulässig ist. Die Schwingungsrichtung ist grundsätzlich die vom Schwingungserreger auf das Messrohr induzierte Schwingungsrichtung. Abweichungen der Längsachse von der Schwingungsrichtung des Messrohrs sind möglich, wenn diese die Messergebnisse nicht über eine akzeptable Toleranzgrenze hinaus negativ beeinflussen. Dies ist abhängig vom Gerätetyp, jedoch wird im Allgemeinen die Abweichung der Oval-Längsachse von der Schwingungsrichtung des Messrohrs nicht mehr als 5° betragen.
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Die Erfindung unterscheidet sich also vom konventionellen Einsatz verschiedener Rohrgeometrien in Coriolis-Massendurchflussmessgeräten dadurch, dass die spezielle ovale Form des Messrohres in der Ausrichtung im Wesentlichen in Schwingungsrichtung die erfindungsgemäße Verringerung der Druckabhängigkeit der Messung durch das Coriolis-Massendurchflussmessgerät liefert. Die Erfindung geht daher über eine reine Anpassung des Messrohres zur Einstellung einer gewünschten Steifigkeit hinaus und ermöglicht eine bis zu einem gewissen Grad druckunabhängige Messung, die bei konventionellen Coriolis-Massendurchflussmessgeräten nicht erreicht wird.
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Es gibt Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit nur einem Messrohr. Darüber hinaus sind auch Ausführungen mit zwei oder mehr Messrohren bekannt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei, insbesondere U-förmig ausgebildete, Messrohre zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet, wobei die beiden Messrohre im Bereich des Einlasses und/oder des Auslasses so mit einem Fixierungselement verbunden sind, dass ihre relative Lage zueinander fixiert ist. Das Fixierungselement kann beispielsweise als Knotenblech ausgebildet sein. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform weisen beide Messrohre jeweils zumindest einen Abschnitt mit ovalem Querschnitt auf. Insgesamt ist es bevorzugt, dass sämtliche Messrohre des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes zumindest einen Abschnitt mit ovalem Querschnitt aufweisen, unabhängig davon, wie viele Messrohre eingesetzt werden. Auf diese Weise ist die Messung an sämtlichen Messrohren druckunabhängiger als eine Messung bei vergleichbaren Rundrohren.
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Grundsätzlich führt jede ovale Rohrform, also jedes Rohr, das zumindest abschnittsweise einen ovalen Querschnitt aufweist, zur beschriebenen Verrundung, wobei unterschiedliche Formen zu unterschiedlichen Veränderungen der Steifigkeit in Richtung der längeren Achse des Querschnittes führen. Wie der Querschnitt exakt ausgebildet wird, kann daher an die jeweilige Anwendung angepasst werden, sodass - ausgehend von einem ovalen Querschnitt - während des Betriebs unter den herrschenden Bedingungen ein runderer Rohrquerschnitt entsteht und die Steifigkeitserhöhung bei erhöhtem Innendruck ausgeglichen wird. Ein exakt runder Querschnitt, bei dem theoretisch die Kompensationsfähigkeit des ovalen Abschnittes enden würde, wird unter den in der Praxis üblichen Drücken nicht erreicht. Besonders geeignet für die vorliegende Erfindung und daher bevorzugt ist es, dass der Querschnitt des Messrohres im ovalen Abschnitt elliptisch geformt ist. Der Querschnitt weist also die Form einer Ellipse auf. Die längere Achse des ovalen Querschnittes ist in diesem Fall die Hauptachse der Ellipse, während die kürzere Achse die Nebenachse ist. Ovale Querschnitte im Sinne der Erfindung umfassen ebenfalls solche Formen, die neben gerundeten auch gerade Abschnitte aufweisen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Querschnitt des Messrohres im ovalen Abschnitt zwei runde Abschnitte und zwei flache Abschnitte auf, die sich jeweils gegenüberliegen. Die geraden beziehungsweise flachen Abschnitte des Querschnittes sind dabei parallel zur längeren Achse und daher ebenfalls parallel zur Schwingungsrichtung ausgerichtet.
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Ein weiterer Effekt der Verwendung ovaler Rohre, der erfindungsgemäß beachtet werden muss, ist beispielsweise eine Volumenänderung des Rohres im ovalen Abschnitt während der Verrundung. Diese kann einen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes, insbesondere die Dichtemessung, haben. Darüber hinaus unterscheiden sich ebenfalls die Einflüsse der Verringerung der Ovalität auf den Phasenwinkel und auf die Resonanzfrequenz. Ein weiterer Parameter ist die Länge des ovalen Abschnittes entlang der Strömungsrichtung des Fluids. Auch diese Länge kann je nach Anwendungsfall angepasst und optimiert werden. Dies bedeutet, dass je nach Anwendungszweck eine andere Ovalität und/oder eine andere Länge des ovalen Abschnittes in Strömungsrichtung vorteilhaft sein können. Beispielsweise können die Ovalität und die Länge so gewählt werden, dass der Druckeinfluss auf die Messung des Massendurchflusses minimal wird, beispielsweise Null. Alternativ können die Ovalität und die Länge so gewählt werden, dass der Druckeinfluss auf die Messung der Dichte minimal wird, beispielsweise Null. Bei Anwendungen, bei denen es auf eine besonders genaue Messung entweder des Massenstroms oder der Dichte des Fluids ankommt, kann also eine entsprechende Lösung gewählt werden. Besonders bevorzugt ist es nun, dass das wenigstens eine Messrohr, insbesondere alle Messrohre, bezüglich ihrer Ovalität und der Länge des ovalen Abschnittes in Strömungsrichtung des Fluids sowie der Querschnittsform derart ausgebildet ist beziehungsweise sind, dass der Druckeinfluss sowohl auf die Messung des Massedurchflusses als auch auf die Messung der Dichte des Fluids minimal wird. Hierbei wird in Kauf genommen, dass der Druckeinfluss für die jeweilige Messung nicht vollständig verschwindet. Der Druckeinfluss kann allerdings für beide Messungen gleichzeitig so weit reduziert werden, dass akzeptable Ergebnisse erreicht werden. Es wird also ein Kompromiss zwischen einer völligen Kompensation des Einflusses auf die Messung des Massendurchflusses und des Einflusses auf die Messung der Dichte getroffen. Auf diese Weise können mit dem erfindungsgemäßen Coriolis-Massendurchflussmessgerät sowohl der Massendurchfluss als auch die Dichte in gegenüber konventionellen Geräten verbesserter Weise bestimmt werden. Besonders bevorzugte Ausführungen der Erfindung sehen daher vor, dass das Messrohr derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis der längeren Achse zur kürzeren Achse des Messrohres, also die Ovalität, kleiner als 1,17 und größer als 1,01, bevorzugt kleiner als 1,15 und größer als 1,02, besonders bevorzugt kleiner als 1,1 und größer als 1,04, ganz besonders bevorzugt kleiner als 1,08 und größer als 1,05, ist. In diesen Bereichen lässt sich ein besonders guter Kompromiss für eine verbesserte Genauigkeit der Messung des Massedurchflusses und der Messung der Dichte erreichen.
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Wie vorstehend bereits beschrieben, ist die längere Achse des ovalen Querschnittes des Messrohres im Wesentlichen in Schwingungsrichtung ausgerichtet. Die bestmöglichen Ergebnisse werden dann erzielt, wenn die längere Achse des ovalen Querschnittes des Messrohres exakt in Schwingungsrichtung ausgerichtet ist. Dies ist allerdings nur bis zu einer gewissen Genauigkeit realisierbar. Darüber hinaus sind die Abweichungen durch kleine Ungenauigkeiten tolerabel. Dennoch gilt, dass die Erfindung umso besser funktioniert, desto genauer die längere Achse des ovalen Querschnittes in Schwingungsrichtung ausgerichtet ist. Es ist daher bevorzugt, dass ein Winkel zwischen der Schwingungsrichtung und der längeren Achse des ovalen Querschnittes des Messrohres maximal 5°, bevorzugt maximal 4°, besonders bevorzugt maximal 3° und ganz besonders bevorzugt maximal 2° oder maximal 1°, beträgt.
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Bei der Schwingungsbewegung des Messrohres, die vom Schwingungserreger induziert wird, werden unterschiedliche Bereiche beziehungsweise Abschnitte des Messrohres unterschiedlich starken Verbiegungen ausgesetzt. Insbesondere in denjenigen Bereichen, in denen das Messrohr stark verbogen wird, hat die Veränderung der Steifigkeit des Messrohres einen großen Einfluss auf die durchgeführte Messung. Besonders diejenigen Abschnitte der Messrohre, in denen keine oder nur besonders kleine Corioliskräfte auf das Fluid wirken, werden typischerweise stark verformt. Es ist daher bevorzugt, den zumindest einen Abschnitt des Messrohres mit ovalem Querschnitt dort im Messrohr anzuordnen, wo keine oder nur besonders kleine Corioliskräfte auf das Fluid wirken. Mit anderen Worten ist es also bevorzugt, dass der zumindest eine Abschnitt des Messrohres mit ovalem Querschnitt in wenigstens einem Bereich des Messrohres angeordnet ist, in dem ein Winkel zwischen der Strömungsrichtung und der Durchflussachse besonders klein, insbesondere minimal, ist. Die Durchflussachse ist parallel zur Winkelgeschwindigkeit der durch den Schwingungserreger induzierten Schwingung, so dass in den genannten Bereichen die auf das im Messrohr fließende Fluid wirkende Corioliskraft besonders klein ist. Entsprechend ist in diesen Bereichen ebenfalls der Einfluss einer Steifigkeitsänderung des Rohres besonders stark. Die bevorzugten Bereiche sind also diejenigen Messrohrabschnitte, in denen das Messrohr das Fluid von der Durchflussachse weg und wieder in diese hineinleitet, und derjenige Messrohrabschnitt, der am weitesten von der Durchflussachse entfernt liegt und in dem die Strömungsrichtung des Fluids von weg von der Durchflussachse wieder zur Durchflussachse hin umgedreht wird. Mit anderen Worten liegen die bevorzugten Bereiche am Beispiel eines U-förmigen Messrohres an den Schenkelenden und am zentralen Kurvenstück.
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Typischerweise wird das wenigstens eine Messrohr des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts sowohl im Bereich des Einlasses als auch im Bereich des Auslasses mit einem Fixierungselement versehen, insbesondere, wenn zwei Messrohre eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es daher vorgesehen, dass der wenigstens eine Abschnitt des Messrohres mit ovalem Querschnitt sich zwischen diesen beiden Fixierungselementen befindet, besonders bevorzugt ebenfalls im Bereich des Einlasses und/oder des Auslasses, beispielsweise in Strömungsrichtung des Fluids unmittelbar hinter dem Fixierungselement des Einlasses und/oder unmittelbar vor dem Fixierungselement des Auslasses. Darüber hinaus kann auch die gesamte Länge des Messrohres zwischen den Fixierungselementen als Abschnitt mit ovalem Querschnitt ausgebildet sein. Gemäß dieser Variante ist dann das Messrohr zwischen einem im Bereich des Einlasses angeordneten Fixierungselement und einem Bereich des Auslasses angeordnet Fixierungselement oval ausgebildet.
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Das Messrohr ist über den Einlass mit einer Zuleitung und über den Auslass mit einer Ableitung für das Fluid verbunden. Die gesamte Länge des Messrohres erstreckt sich daher vom Einlass zum Auslass. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es nun vorgesehen, dass das Messrohr über seine ganze Länge hinweg oval ausgebildet ist. Auf diese Weise ist der Einfluss der Versteifung durch die Ovalität des Rohres und ebenfalls die Verringerung der Steifigkeit durch die Verrundung des Rohres bei steigendem Innendruck über die gesamte Länge des Messrohres gegeben.
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Die Lösung der eingangs genannten Aufgabe gelingt ebenfalls mit einem Verfahren zur Herstellung eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes mit geringer Druckabhängigkeit, insbesondere eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes gemäß den vorstehenden Ausführungen, bei welchem wenigstens ein Messrohr von einem fluiden Medium in einer Strömungsrichtung durchströmbar ist und von einem Schwingungserreger in Schwingungen versetzt wird, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Messrohres mit zumindest einem ovalen Abschnitt, in dem das Messrohr senkrecht zur Strömungsrichtung eine längere Achse und eine kürzere Achse aufweist, und Anordnen des Messrohres im Coriolis-Massendurchflussmessgerät derart, dass die längere Achse des ovalen Abschnittes des Messrohres im Wesentlichen in der Schwingungsrichtung ausgerichtet und so ausgebildet ist, dass sich das Messrohr im ovalen Abschnitt durch den im Betrieb herrschenden Innendruck abrundet und die Steifigkeit in Schwingungsrichtung abnimmt.
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Sämtliche für das Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß der Erfindung beschriebenen Merkmale, Wirkungen und Vorteile gelten im übertragenen Sinne ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren, und andersherum. Es wird daher zur Vermeidung von Wiederholungen für das Verfahren auch auf die Beschreibung des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes Bezug genommen.
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Auch bezüglich des Verfahrens ist es beispielsweise bevorzugt, dass die Länge des ovalen Abschnittes des Messrohres und dessen Ovalität derart abgestimmt werden, dass die Abhängigkeit der Massendurchflussmessung und/oder die Abhängigkeit der Dichtemessung vom Druck des fluiden Mediums reduziert sind. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Länge des ovalen Abschnittes des Messrohres und dessen Ovalität derart abgestimmt werden, dass eine optimale Reduzierung der Abhängigkeit sowohl der Massendurchflussmessung als auch der Dichtemessung vom Druck des fluiden Mediums erreicht wird. Bevorzugt ist ebenfalls vorgesehen, dass ein Messrohr bereitgestellt wird, dessen Verhältnis der längeren Achse zur kürzeren Achse kleiner als 1,17 und größer als 1,01, bevorzugt kleiner als 1,15 und größer als 1,02, besonders bevorzugt kleiner als 1,1 und größer als 1,04, ganz besonders bevorzugt kleiner als 1,08 und größer als 1,05, ist.
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Wie schon erwähnt, kann die genaue Ausbildung der Messrohre, insbesondere deren Länge, deren Querschnittsformen und deren Ovalität je nach Anwendungsfall anders ausgestaltet werden. Unterschiede können hierbei beispielsweise in der Größe und dem Material der verwendeten Messrohre sowie deren Verlauf zwischen dem Einlass und dem Auslass bestehen. Es ist insgesamt bevorzugt, dass die benötigte Länge des ovalen Abschnittes des Messrohres, dessen Ovalität und/oder dessen Querschnittsform mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmt werden. Mittels der FEM lassen sich die verschiedenen Parameter des konkreten Anwendungsfalles computergestützt numerisch gegeneinander optimieren. Das genaue Verfahren ist dem Fachmann bekannt, so dass hier nicht näher darauf eingegangen wird. Auf diese Weise kann die optimale Rohrgeometrie in Bezug auf Steifigkeit und Verrundung unter Druck im Vorhinein bestimmt und eine optimale Ausgestaltung des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes erreicht werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- 1: eine Seitenansicht eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes;
- 2: das Messrohr innerhalb des Gehäuses des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes gemäß 1;
- 3: die Anordnung zweier Messrohre innerhalb des Gehäuses eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes;
- 4: eine Seitenansicht auf den Verlauf eines Messrohres;
- 5: einen runden Querschnitt eines Messrohres;
- 6: einen ovalen Querschnitt eines Messrohres;
- 7: einen Querschnitt eines Messrohres mit zwei runden Abschnitten und zwei flachen Abschnitten, die sich jeweils gegenüberliegen;
- 8: ein Ablaufdiagramm des Verfahrens und
- 9: den Zusammenhang zwischen Druckabhängigkeit der Dichtemessung und der Ovalität des Messrohres im Bereich eines Schenkels.
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Gleiche beziehungsweise gleich wirkende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Sich wiederholende Bauteile sind nicht in jeder Figur gesondert bezeichnet.
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1 zeigt ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 mit einem Transmitter 2 und einem Gehäuse 3. Der Transmitter 2 des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes 1 beherbergt die Elektronik unter anderem für den Schwingungserreger und die Schwingungsaufnehmer, sowie eine Steuereinrichtung 5. Er ist über einen Hals 34 mit dem Gehäuse 3 verbunden. Im Betrieb ist das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 mit seinem Gehäuse 3 in eine Rohrleitung montiert, die das zu messende Fluid transportiert. Insbesondere weist das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 ein Anschlussstück 30 auf, das wiederum einen Einlass 31 zum Anschluss an eine Zuleitung 40 und einen Auslass 32 zum Anschluss an eine Ableitung 41 der Rohrleitung aufweist. Die Rohrleitung, in der das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 montiert ist, definiert die Durchflussachse d. Die Durchflussachse d bezeichnet diejenige Richtung, in der das Fluid in der Rohrleitung fließen würde, wenn es nicht durch das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 geleitet würde.
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Darüber hinaus weist das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 ein Rohrgehäuse 33 auf, in dem das wenigstens eine Messrohr 4 aufgenommen ist, wie in 2 dargestellt. 2 zeigt ebenfalls den Verlauf des Messrohres 4 durch das Gehäuse 3 vom Einlass 31 über das Rohrgehäuse 33 zum Auslass 32. Der im gezeigten Beispiel U-förmige Verlauf des Messrohres 4 definiert ebenfalls die Fließrichtung x des Fluids innerhalb des Messrohres 4 und damit innerhalb des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts 1. Das Messrohr 4 ist sowohl im Bereich des Einlasses 31 als auch im Bereich des Auslasses 32 mit jeweils einem Fixierungselement 35 fixiert, das im vorliegenden Beispiel als Knotenblech ausgebildet ist. Diese Fixierungselemente 35 kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn mehr als ein Messrohr 4, zum Beispiel zwei Messrohre 4 (siehe beispielsweise 3) zum Einsatz kommen. Wie ebenfalls aus 2 hervorgeht, ist am Messrohr 4 ein Schwingungserreger D angeordnet, der im Betrieb des Coriolis-Massendurchflussmessgeräts 1 dazu eingesetzt wird, das Messrohr 4 in Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, zu versetzen. Die vom Schwingungserreger D erregten Schwingungen sind in 2 in die Papierebene hinein beziehungsweise aus dieser heraus gerichtet. In Fließrichtung x vor und hinter dem Schwingungserreger D sind ein erster Schwingungsaufnehmer S1 und ein zweiter Schwingungsaufnehmer S2 am Messrohr 4 angeordnet. Die Schwingungsaufnehmer S1, S2 detektieren die Bewegungen des Messrohres 4 und insbesondere die vom Schwingungserreger D induzierten Schwingungen. Darüber hinaus ist am Messrohr 4 ein Temperatursensor RTD angeordnet, der beispielsweise als Widerstandsthermometer ausgebildet ist.
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Die 3 verdeutlicht die räumliche Anordnung von zwei parallelen Messrohren 4. 4 zeigt die Geometrie eines derartigen Messrohres 4. Beide Messrohre 4 sind jeweils mit dem Einlass 31 und dem Auslass 32 verbunden. In diesen Bereichen sind sie jeweils über ein Fixierungselement 35, hier als Knotenblech ausgebildet, aneinander befestigt, so dass ihre Lage relativ zueinander fixiert ist. Im gezeigten Beispiel weisen die Messrohre 4 einen im Wesentlichen U-förmigen Verlauf auf, dem ebenfalls die Fließrichtung x des durch die Messrohre 4 fließenden Fluids entspricht. Insbesondere weisen die Messrohre 4 jeweils zwei Kurven 44, zwei Schenkel 43 und ein die Schenkel 43 verbindendes Kurvenstück 42 auf. Die Kurven 44 bezeichnen dabei diejenigen Abschnitte der Messrohre 4, in denen das Fluid in die U-förmige Ausbuchtung ein- beziehungsweise aus dieser ausgeleitet wird. In den Kurven 44 und dem Kurvenstück 42 weicht die Fließrichtung x besonders wenig, insbesondere minimal, von der Durchflussachse d ab. Die Schenkel 43 bezeichnen diejenigen Abschnitte der Messrohre 4, in denen die Fließrichtung x besonders stark, insbesondere maximal, von der Durchflussachse d abweicht. Das Kurvenstück 42 wiederum beschreibt die bogenförmige Verbindung der U-förmigen Ausbuchtung zwischen den beiden Schenkeln 43. In 3 ist ebenfalls die Schwingungsrichtung f angegeben. Die Schwingungsrichtung f ergibt sich daraus, dass der Vektor der Winkelgeschwindigkeit der vom Schwingungserreger D induzierten Schwingung parallel zur Durchflussachse d ist und auf dieser liegt. In den Schenkeln 43 der Messrohre 4 weicht die Fließrichtung x am stärksten von der Durchflussachse d ab. Dies wird in 4 durch den Winkel β zwischen der Fließrichtung x und der Durchflussachse d (beziehungsweise einer Parallelen zur Durchflussachse d) gezeigt. Der Winkel β ist im gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere in den Schenkeln 43 besonders groß. Besonders klein ist der Winkel β dagegen in den Kurven 44 und dem Kurvenstück 42. Aus diesem Grund wirken im Bereich der Kurven 44 und des Kurvenstücks 42 die schwächsten Corioliskräfte auf das im Messrohr 4 geführte Fluid. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Abschnitte mit ovalem Querschnitt der Messrohre 4 befinden sich daher vorzugsweise im Bereich der Kurven 44 und/oder des Kurvenstücks 42. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in jedem Messrohr 4 nur in einer Kurve 44 oder im Kurvenstück 42 ein Abschnitt mit ovalem Querschnitt vorgesehen ist. Bevorzugt ist allerdings in jeder Kurve 44 und besonders bevorzugt auch im Kurvenstück 42 wenigstens ein Abschnitt mit ovalem Querschnitt vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Messrohre 4 auf der gesamten Länge ihrer Kurve 44, insbesondere in beiden Kurven 44, und im Kurvenstück 42 mit ovalem Querschnitt ausgebildet. Über die Länge der Schenkel 43 hinweg sind die Messrohre 4 des gezeigten Ausführungsbeispiels dagegen mit rundem Querschnitt ausgebildet.
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Die 5, 6 und 7 zeigen jeweils verschiedene Querschnittsformen der Messrohre 4. 5 zeigt einen runden Rohrquerschnitt, wie er beispielsweise in den Schenkeln 43 das Messrohres 4 gemäß der 3 und 4 vorliegt. Konkret zeigt 5 den Querschnitt entlang der Linie A-A aus 4. Der Durchmesser des Rohres in den Abschnitten mit rundem Querschnitt ist daher in allen Richtungen gleich und in 5 mit a0 bezeichnet. Die 6 und 7 zeigen dagegen ovale Querschnittsformen der Messrohre 4. 6 beispielsweise zeigt ein Messrohr 4 mit einem elliptischen Querschnitt. Der Querschnitt weist daher unterschiedliche Durchmesser auf, wobei der maximale Durchmesser der längeren Hauptachse a der Ellipse und der minimale Durchmesser der kürzeren Nebenachse b der Ellipse entspricht.
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7 zeigt einen alternativen ovalen Querschnitt eines Messrohres 4. Der Querschnitt gemäß 7 weist zwei runde Abschnitte 45 und zwei flache Abschnitte 46 auf, die sich jeweils gegenüberliegen. Rund und flach bezieht sich hierbei auf die jeweilige Ausbildung der Rohrwand. Diese ist im Bereich der runden Abschnitte 45 gerundet, insbesondere mit einer Krümmung, die einem runden Rohr, wie beispielsweise in 5 gezeigt, entspricht. Im Bereich der flachen Abschnitte 46 ist die Rohrwand dagegen flach, also plan, ausgebildet. Durch die Kombination von flachen Abschnitten 46 und runden Abschnitten 45 entsteht die Ovalität des Messrohres 4 gemäß 7. Entsprechend weist auch der Querschnitt durch das Messrohr 4 gemäß 7 eine längere Achse a und eine kürzere Achse b auf, die jeweils dem maximalen beziehungsweise minimalen Durchmesser des Rohres im Querschnitt entsprechen.
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Wie durch die Linie B-B in 4 angedeutet, sind Abschnitte mit einem ovalen Querschnitt gemäß 6 oder 7 beispielsweise in den Kurven 44 und dem Kurvenstück 42 des Messrohres 4 angeordnet. Dabei können sie sowohl in nur einer Kurve 44 oder dem Kurvenstück 42 oder in beiden Kurven 44 oder in beiden Kurven 44 und dem Kurvenstück 42 des Messrohres 4 angeordnet sein. Ebenfalls kann die Länge der jeweiligen Abschnitte mit ovalem Querschnitt je nach Anwendungsfall angepasst werden. Wie ebenfalls in den 6 und 7 angedeutet, sind die Messrohre 4 derart angeordnet, dass die längere Achse a in Schwingungsrichtung f beziehungsweise parallel zur Schwingungsrichtung f ausgerichtet ist. Die in 7 gestrichelt eingezeichnete Schwingungsrichtung f dient nur zur Veranschaulichung des Winkels α zwischen der Schwingungsrichtung f und der längeren Achse a. Der zum Verständnis in 7 übertrieben groß dargestellte Winkel α soll möglichst klein sein. Auf diese Weise macht sich die Verringerung der Steifigkeit des Messrohres 4 in Schwingungsrichtung f durch eine Verrundung des Rohres am stärksten bemerkbar. Die Abschnitte der Messrohre 4 mit ovalem Querschnitt können beispielsweise durch mechanische Verfahren in Rohre mit ursprünglich rundem Querschnitt eingebracht werden. Beispielsweise können die Abschnitte mit ovalem Querschnitt durch Pressen eingebracht werden und/oder durch Hydroforming. Ergänzend oder alternativ kommen ebenfalls eine Rollverformung oder andere mechanische Prozesse infrage.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 6. Das Verfahren 6 beginnt im Schritt 60 mit dem Bestimmen der benötigten Länge des ovalen Abschnittes des Messrohres 4, dessen Ovalität (also des Verhältnisses der längeren Achse a zur kürzeren Achse b) und/oder dessen Querschnittsform mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Mit diesem numerischen Verfahren kann die Auslegung des Messrohres 4 auf die im jeweiligen Anwendungsfall vorliegenden Arbeitsbedingungen angepasst werden, so dass im Vorhinein klar ist, welche Rohrgeometrie benötigt wird. Schritt 61 findet typischerweise gleichzeitig mit dem Bestimmen der Rohrgeometrie in Schritt 60 statt beziehungsweise fließt in diesen Schritt mit ein. In Schritt 61 werden die Parameter der Länge des ovalen Abschnittes des Messrohres, dessen Ovalität und dessen Querschnittsformen derart abgestimmt, dass die Abhängigkeit der Messung des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes 1 vom Druck des fluiden Mediums reduziert ist. Die Messung kann sich auf die Messung des Massedurchflusses und/oder die Messung der Dichte des fluiden Mediums beziehen. Ist entweder die Massendurchflussmessung oder die Dichtemessung besonders wichtig im vorliegenden Anwendungsfall, so kann das Messrohr 4 derart ausgelegt werden, dass die Abhängigkeit der jeweiligen Messung vom Druck im Wesentlichen verschwindet. Sind beide Messungen wichtig, so kann zumindest ein Kompromiss in der Auslegung des Messrohres 4 gefunden werden, in dem eine optimale Reduzierung der Abhängigkeit sowohl der Massendurchflussmessung als auch der Dichtemessung vom Druck des fluiden Mediums erreicht wird. In diesem Fall verschwindet die Druckabhängigkeit der jeweiligen Messungen zwar nicht vollständig, kann aber dennoch für beide Messungen gleichzeitig reduziert werden. Das derart bestimmte Messrohr 4 wird sodann im Schritt 62 des Verfahrens 6 bereitgestellt. Das Messrohr 4 weist also zumindest einen ovalen Abschnitt auf, in dem das Messrohr 4 senkrecht zur Strömungsrichtung x eine längere Achse a und eine kürzere Achse b aufweist. Im Schritt 63 des Verfahrens 6 wird das Messrohr 4 dann derart im Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 angeordnet, dass die längere Achse a des ovalen Abschnittes des Messrohres 4 im Wesentlichen in der Schwingungsrichtung f ausgerichtet ist. Durch die beschriebene Rohrgeometrie des Messrohres 4 ist dieses so ausgebildet, dass sich das Messrohr 4 im ovalen Abschnitt durch den im Betrieb des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes 1 herrschenden Innendruck abrundet und die Steifigkeit in Schwingungsrichtung f abnimmt. Dieser Effekt wirkt der Versteifung des Messrohres 4 durch den erhöhten Innendruck entgegen, so dass sich diese beiden Einflüsse zumindest teilweise gegeneinander aufheben. Auf diese Weise lässt sich insgesamt bei dem durch das erfindungsgemäße Verfahren 6 hergestellten Coriolis-Massendurchflussmessgerät 1 die Druckabhängigkeit der Messung verringern.
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9 zeigt beispielhaft die Ergebnisse einer Berechnung mittels FEM. Im gezeigten Diagramm der 9 ist auf der Abszisse die Ovalität des Abschnittes mit ovalem Querschnitt des Messrohres 4 als Quotient der längeren Achse a zur kürzeren Achse b aufgetragen. Die Ordinate zeigt die Druckabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Messrohres 4. Konkret berechnet sich der auf der Ordinate aufgetragenen Wert FPC aus der Ableitung der Resonanzfrequenz nach dem Druck, geteilt durch die Resonanzfrequenz bei 20 °C. Da, wie vorstehend erläutert, aus der Resonanzfrequenz die Dichte des fluiden Mediums berechnet wird, zeigt 9 insgesamt die Abhängigkeit der Dichtemessung vom Druck des fluiden Mediums für verschiedene Ovalitäten des Messrohres 4. Es ist daher das erfindungsgemäße Ziel, diese Druckabhängigkeit, sprich den Wert von FPC, möglichst klein zu machen. Die im Diagramm eingezeichneten Rauten zeigen jeweils mittels FEM berechnete Werte von FPC bei der entsprechenden Ovalität. Wie aus den berechneten Werten ersichtlich ist, ergibt sich in etwa eine Gerade, die durch den dünnen Strich bis auf einen FPC-Wert von Null extrapoliert wurde. Demnach würde ungefähr bei einer Ovalität des Messrohres 4 von 15 % die Messung der Dichte des fluiden Mediums komplett unabhängig vom Druck, die Verrundung des Messrohres 4 würde also zu einer vollständigen Kompensation der Steifigkeitserhöhung des Messrohres 4 durch den Druckanstieg führen. Eine analoge Berechnung kann ebenfalls für die Druckabhängigkeit der Messung des Massendurchflusses durchgeführt werden. Den vorstehend beschriebenen Ergebnissen der Berechnung mittels der FEM lag ein Modell zugrunde, bei dem sich der Abschnitt mit ovalem Querschnitt des Messrohres 4 in einem der Schenkel 43 befand. Dies hatte den rein praktischen Grund, dass die Berechnung mittels FEM in diesem Fall einfacher durchzuführen ist. Wie vorstehend bereits beschrieben wurde, sind allerdings die Auswirkungen des Abschnittes mit ovalem Querschnitt größer, wenn dieser beispielsweise in den Kurven 44 und/oder im Kurvenstück 43 des Messrohres 4 angeordnet ist. Es ist daher für diese Fälle davon auszugehen, dass der Einfluss der Ovalität auf die Druckabhängigkeit der Dichtemessung beziehungsweise der Massendurchflussmessung noch größer ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2657659 A1 [0002]
- DE 102012016490 A1 [0002]
