DE102020121681A1 - Coriolis flow meter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Durchflussmessgerät, umfassend:- eine Messrohranordnung (4), wobei die Messrohranordnung (4) mindestens ein, von einem Medium durchströmbares Messrohr (3) umfasst;- mindestens einen Schwingungserreger (7), welcher dazu eingerichtet ist das mindestens eine Messrohr (3) zu Schwingungen anzuregen;- mindestens einen Schwingungssensor (8), welcher dazu eingerichtet ist, die Schwingungen des mindestens einen Messrohres (3) zu erfassen, umfassend mindestens zwei Schwingungssensorkomponenten, wobei die mindestens zwei Schwingungssensorkomponenten mindestens einen Sensormagneten (38) und mindestens eine Sensorspule (39) umfassen, wobei der mindestens eine Sensormagnet (38) eine Magnetquerschnittsfläche AMsenkrecht zu einer Magnethauptfeldachse (54) aufweist, wobei die Sensorspule (39) eine Spulenquerschnittsfläche ASsenkrecht zu einer Spulenhauptfeldachse (55) aufweist, wobei AM> ASgilt, wobei eine Spulenfrontfläche (58) und eine Magnetfrontfläche (59) beabstandet sind,- eine Trägervorrichtung (16), umfassend eine Aufnahmevorrichtung (23) mit einer Aufnahme (29) und eine Schwingungssensorkomponente der mindestens zwei Schwingungssensorkomponenten, wobei die Messrohranordnung (4) zumindest teilweise in die Aufnahme (23) anordenbar ist und mechanisch lösbar mit der Trägervorrichtung (16) verbindbar ist.The invention relates to a Coriolis flowmeter, comprising: - a measuring tube arrangement (4), the measuring tube arrangement (4) comprising at least one measuring tube (3) through which a medium can flow; - at least one vibration exciter (7), which is set up for the at least excite a measuring tube (3) to vibrate;- at least one vibration sensor (8) which is set up to detect the vibrations of the at least one measuring tube (3), comprising at least two vibration sensor components, the at least two vibration sensor components having at least one sensor magnet (38) and at least one sensor coil (39), wherein the at least one sensor magnet (38) has a magnet cross-sectional area AM perpendicular to a main magnet field axis (54), the sensor coil (39) having a coil cross-sectional area AS perpendicular to a main coil field axis (55), where AM> AS holds, having a coil front surface (58) and a magnet front surface (59). andet are, - a carrier device (16), comprising a receiving device (23) with a receptacle (29) and a vibration sensor component of the at least two vibration sensor components, wherein the measuring tube arrangement (4) can be arranged at least partially in the receptacle (23) and can be mechanically detachable with the carrier device (16) can be connected.
Description
Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Durchflussmessgerät, insbesondere für bevorzugt pharmazeutische Bioprozessanwendungen.The invention relates to a Coriolis flow meter, in particular for preferably pharmaceutical bioprocess applications.
Feldgeräte der Prozessmesstechnik mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp und besonders Coriolis-Durchflussmessgeräte sind seit vielen Jahren bekannt. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Messgerätes wird beispielsweise in der
Typischerweise weisen Coriolis-Durchflussmessgeräte zumindest ein oder mehrere schwingfähige Messrohre auf, welche mittels eines Schwingungserregers in Schwingung versetzt werden können. Diese Schwingungen übertragen sich über die Rohrlänge und werden durch die Art des im Messrohr befindlichen fließfähigen Mediums und dessen Durchflussgeschwindigkeit variiert. Ein Schwingungssensor oder insbesondere zwei voneinander beabstandete Schwingungssensoren können an einer anderen Stelle des Messrohres die variierten Schwingungen in Form eines Messsignals oder mehrerer Messsignale aufnehmen. Aus dem oder den Messsignalen kann eine Auswerteeinheit sodann den Massedurchfluss, die Viskosität und/oder die Dichte des Mediums ermitteln.Coriolis flowmeters typically have at least one or more oscillatable measuring tubes, which can be made to oscillate by means of an oscillating exciter. These vibrations are transmitted over the length of the pipe and are varied by the type of medium in the measuring pipe and its flow rate. A vibration sensor or, in particular, two vibration sensors spaced apart from one another can record the varied vibrations in the form of a measurement signal or a plurality of measurement signals at another point on the measuring tube. An evaluation unit can then determine the mass flow rate, the viscosity and/or the density of the medium from the measurement signal or signals.
Es sind Coriolis-Durchflussmessgeräte mit austauschbaren Einweg-Messrohranordnungen bekannt. So wird beispielsweise in der
Eine besondere Herausforderung bei Coriolis-Durchflussmessgeräten mit austauschbaren Einweg-Messrohranordnungen ist die Reproduzierbarkeit der Positionierung der Einweg-Messrohranordnung - insbesondere der an der Einweg-Messrohranordnung angeordneten Schwingungssensorikkomponenten - relativ zu den korrespondierenden, üblicherweise an der Trägervorrichtung angeordneten Schwingungssensorikkomponenten. Weiterhin führen Fertigungstoleranzen des austauschbaren Einweg-Messrohres, aber auch der Trägervorrichtung dazu, dass sich die zuvor in einem Justierverfahren ermittelte Sensorkonstante KS nur äußerst unsicher reproduzieren lässt, wobei für die Sensorkonstante
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Coriolis-Durchflussmessgerät bereitzustellen, welches einen geringeren einbaubedingten und/oder fertigungstoleranzbedingten Messfehler aufweist.The object of the invention is to provide a Coriolis flowmeter which has a lower measurement error caused by installation and/or manufacturing tolerances.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Coriolis-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1.The object is achieved by the Coriolis flow meter according to
Das erfindungsgemäße Coriolis-Durchflussmessgerät umfasst:
- - eine Messrohranordnung, wobei die Messrohranordnung mindestens ein, von einem Medium durchströmbares Messrohr umfasst;
- - mindestens einen Schwingungserreger, welcher dazu eingerichtet ist, die Messrohranordnung, insbesondere das mindestens eine Messrohr zu Schwingungen anzuregen;
- - mindestens einen Schwingungssensor, welcher dazu eingerichtet ist, die Schwingungen des mindestens einen Messrohres zu erfassen, umfassend mindestens zwei Schwingungssensorkomponenten, wobei die mindestens zwei Schwingungssensorkomponenten mindestens einen Sensormagneten und mindestens eine Sensorspule umfassen, wobei zumindest eine Schwingungssensorkomponente der mindestens zwei Schwingungssensorkomponenten an der Messrohranordnung, insbesondere an dem mindestens einen Messrohr angeordnet ist, wobei der mindestens eine Sensormagnet eine Magnetquerschnittsfläche AM senkrecht zu einer Magnethauptfeldachse aufweist, wobei die Sensorspule eine Spulenquerschnittsfläche AS senkrecht zu einer Spulenhauptfeldachse aufweist, wobei AM > AS gilt, wobei die Sensorspule eine Spulenstirnseite und der Sensormagnet eine Magnetstirnseite aufweist, wobei die Spulenstirnseite und die Magnetstirnseite einander zugewandt sind, wobei die Spulenstirnseite eine Spulenfrontfläche und die Magnetstirnseite eine Magnetfrontfläche aufweist, wobei die Spulenfrontfläche und die Magnetfrontfläche beabstandet sind,
- - eine Trägervorrichtung, umfassend eine Aufnahmevorrichtung mit einer Aufnahme und eine Schwingungssensorkomponente der mindestens zwei Schwingungssensorkomponenten, wobei die Messrohranordnung zumindest teilweise in die Aufnahme anordenbar ist und mechanisch lösbar mit der Trägervorrichtung verbindbar ist.
- - a measuring tube arrangement, wherein the measuring tube arrangement comprises at least one measuring tube through which a medium can flow;
- - at least one vibration exciter, which is set up to excite the measuring tube arrangement, in particular the at least one measuring tube, to oscillate;
- - at least one vibration sensor, which is set up to detect the vibrations of the at least one measuring tube, comprising at least two vibration sensor components, wherein the at least two vibration sensor components comprise at least one sensor magnet and at least one sensor coil, wherein at least one vibration sensor component of the at least two vibration sensor components on the measuring tube arrangement, is arranged in particular on the at least one measuring tube, the at least one sensor magnet having a magnetic cross-sectional area A M perpendicular to a main magnet field axis, the sensor coil having a coil cross-sectional area A S perpendicular to a main coil field axis, wherein A M > A S applies, the sensor coil having a coil end face and the sensor magnet has a magnet face, wherein the coil face and the magnet face face each other, wherein the coil face has a coil face and the magnet face has a magnet face, the coil face and the magnet face being spaced apart,
- - A carrier device, comprising a receiving device with a receptacle and a vibration sensor component of the at least two vibration sensor components, wherein the measuring tube arrangement can be arranged at least partially in the receptacle and can be mechanically detachably connected to the carrier device.
Bei einem herkömmlichen Schwingungssensor mit einer Tauchspule ist der Sensormagnet zumindest teilweise innerhalb der Tauschspule, insbesondere innerhalb eines durch eine Tauchspulenwicklung begrenzten Volumens angeordnet und weist somit eine Magnetquerschnittsfläche auf, die deutlich geringer ist als die Spulenquerschnittsfläche der Tauschspule. Der Bereich, in dem sich das Magnetfeld stark ändert, befindet sich innerhalb der Tauchspule. Coriolis-Durchflussmessgeräte mit austauschbaren Messrohranordnungen weisen Schwingungserreger bzw. Schwingungssensoren auf, bei denen sich der entsprechende Erregermagnet bzw. Sensormagnet nicht in die Erregerspule bzw. Sensorspule erstreckt. Stattdessen ist ein Spalt zwischen den beiden jeweiligen Komponenten vorgesehen. Das bloße Anordnen der Sensor- und/oder Erregermagnete knapp außerhalb der Sensor- und/oder Erregerspule führt jedoch zu einer minderwertigen Messperformance. Dies liegt darin begründet, dass sich das geschwindigkeitsabhängige Messsignal in Abhängigkeit des Abstands des Sensormagneten zur Sensorspule selbst im Bereich von Zehntelmillimetern und weniger stark ändert.In a conventional vibration sensor with a plunger coil, the sensor magnet is at least partially arranged within the exchange coil, in particular within a volume delimited by a plunger coil winding, and thus has a magnet cross-sectional area that is significantly smaller than the coil cross-sectional area of the exchange coil. The area where the magnetic field changes significantly is inside the voice coil. Coriolis flowmeters with interchangeable measuring tube arrangements have vibration exciters or vibration sensors in which the corresponding exciter magnet or sensor magnet does not extend into the exciter coil or sensor coil. Instead, a gap is provided between the two respective components. However, simply arranging the sensor and/or excitation magnets just outside the sensor and/or excitation coil leads to inferior measurement performance. The reason for this is that the speed-dependent measurement signal changes as a function of the distance between the sensor magnet and the sensor coil itself in the range of tenths of a millimeter and less.
Durch die Gestaltung des Sensormagneten derart, dass die Magnetquerschnittsfläche größer als die Spulenquerschnittsfläche ist, erreicht der Schwingungssensor eine gute Linearität und Positionierungstoleranz. Die erzeugten Feldlinien des Magnetfeldes des mindestens einen Sensormagneten im Bereich der Sensorspule weisen näherungsweise einen konstanten Magnetfeldgradienten auf. Dadurch fällt das Magnetfeld in Richtung der Magnethauptfeldachse relativ langsam und näherungsweise linear ab. Dies führt dazu, dass sich die Sensorkonstante bei Verschiebung in Richtung der Magnethauptfeldachse bzw. in Schwingrichtung kaum ändert und somit eine hohe Positionierungstoleranz in Richtung der Magnethauptfeldachse bzw. Schwingrichtung erreicht wird. Dies erweist sich besonders dann als vorteilhaft, wenn die Signale zweier elektromagnetischer Sensoren durch eine Serienschaltung addiert werden, da in diesem Fall besonders geringe Toleranzen für die Amplituden der Spannungssignale der elektromagnetischen Schwingungssensoren erfüllt werden müssen.By designing the sensor magnet in such a way that the magnet cross-sectional area is larger than the coil cross-sectional area, the vibration sensor achieves good linearity and positioning tolerance. The generated field lines of the magnetic field of the at least one sensor magnet in the area of the sensor coil have an approximately constant magnetic field gradient. As a result, the magnetic field decreases relatively slowly and approximately linearly in the direction of the main magnetic field axis. The result of this is that the sensor constant hardly changes when shifted in the direction of the main magnet field axis or in the direction of oscillation and thus a high positioning tolerance in the direction of the main magnet field axis or direction of oscillation is achieved. This proves to be particularly advantageous when the signals from two electromagnetic sensors are added by a series circuit, since in this case particularly low tolerances for the amplitudes of the voltage signals from the electromagnetic vibration sensors must be met.
Die Positionierungstoleranz in senkrechter Richtung zur Magnethauptfeldachse ist sogar noch besser, da sich das Magnetfeld durch die Sensorspule in senkrechter Richtung zur Magnethauptfeldachse kaum ändert.The positioning tolerance in the direction perpendicular to the main magnet field axis is even better since the magnetic field through the sensor coil hardly changes in the direction perpendicular to the main magnet field axis.
Die Messrohranordnung bildet den, je nach wechselnder Anwendung austauschbaren Teil des Coriolis-Durchflussmessgerätes, welcher als EinwegArtikel zu verstehen ist. Daher ist die Messrohranordnung derart ausgebildet und dazu eingerichtet, mechanisch trennbar mit der Trägervorrichtung verbunden zu werden. Dafür weist die Trägervorrichtung eine Aufnahmevorrichtung mit einer Aufnahme auf, in welche die Messrohranordnung einführbar ist. Die Aufnahmevorrichtung kann eine Fixiervorrichtung zum Befestigen der Messrohranordnung an der Trägervorrichtung aufweisen.The measuring tube arrangement forms the part of the Coriolis flow meter that can be replaced depending on the changing application and is to be understood as a disposable item. The measuring tube arrangement is therefore designed and set up in such a way that it can be connected to the carrier device in a mechanically separable manner. For this purpose, the carrier device has a receiving device with a receptacle into which the measuring tube arrangement can be inserted. The receiving device can have a fixing device for fastening the measuring tube arrangement to the carrier device.
Herkömmliche in Coriolis-Durchflussmessgeräten eingesetzte Schwingungserreger umfassen zumindest einen Erregermagneten und eine Erregerspule. Eine Betriebsschaltung ist dazu eingerichtet, ein Betriebssignal zu erzeugen und auf die Erregerspule aufzubringen, so dass diese ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt. Herkömmliche in Coriolis-Durchflussmessgeräten eingesetzte Schwingungssensoren umfassen zumindest einen Sensormagneten und eine Sensorspule. Eine Messschaltung ist dazu eingerichtet, eine an der Sensorspule induzierte Messpannung zu erfassen.Conventional vibration exciters used in Coriolis flowmeters include at least one exciter magnet and one exciter coil. An operating circuit is set up to generate an operating signal and apply it to the exciter coil so that it generates a magnetic field that varies over time. Conventional vibration sensors used in Coriolis flowmeters include at least one sensor magnet and one sensor coil. A measurement circuit is set up to detect a measurement voltage induced at the sensor coil.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spulenfrontfläche und die Magnetfrontfläche mit einem Abstand x beabstandet sind,
wobei x ≤ 2,5 mm und bevorzugt x ≤ 2 mm gilt,
wobei x ≥ 0,25 mm und bevorzugt x ≥ 0,5 mm gilt.One embodiment provides that the coil front surface and the magnet front surface are spaced apart by a distance x,
where x ≤ 2.5 mm and preferably x ≤ 2 mm,
where x ≥ 0.25 mm and preferably x ≥ 0.5 mm.
Die Spulenfrontfläche und die Magnetfrontfläche sind einander zugewandt und zudem mit einem Abstand x beabstandet. Der beanspruchte Wertebereich für den Abstand x hat sich als besonders vorteilhaft für die Ausrichtung der Sensorspule relativ zum Sensormagneten herausgestellt, so dass sich die im Justierverfahren ermittelte Sensorkonstante im Einsatz genauer reproduzieren lässt im Vergleich mit Anordnungen bei denen größere bzw. geringere Abstände x vorliegen. Die Sensorkonstante eines Schwingungssensors, der den hier bezeichneten Ansprüchen genügt, hat im beanspruchten Abstandsbereich in der Regel ein relativ flaches Maximum, d.h. die Änderung der Sensorkonstante in Abhängigkeit des Abstandes ist minimal. Zum Erreichen der maximalen Positionierungstoleranz sollte der Abstand so gewählt werden, dass ein Maximalwert der Sensorkonstante erreicht wird.The coil front surface and the magnet front surface face each other and are also spaced apart by a distance x. The claimed value range for the distance x has turned out to be particularly advantageous for the alignment of the sensor coil relative to the sensor magnet, so that the sensor constant determined in the adjustment process can be reproduced more accurately in use compared to arrangements in which larger or smaller distances x exist. The sensor constant of a vibration sensor that satisfies the requirements specified here generally has a relatively flat maximum in the claimed distance range, ie the change in the sensor constant as a function of the distance is minimal. To achieve the maximum positioning tote The distance should be chosen so that a maximum value of the sensor constant is reached.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Ausdehnung des Sensormagnetes in Richtung der Magnethauptfeldachse eine Magnetdicke hM aufweist,
wobei
whereby
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Ausdehnung der Sensorspule in Richtung der Spulenhauptfeldachse eine Dicke hS aufweist,
wobei
whereby
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass hS ≤ 10 mm, insbesondere hS ≤ 5 mm und bevorzugt hS ≤ 2 mm gilt.A further embodiment provides that h S ≦10 mm, in particular h S ≦5 mm and preferably h S ≦2 mm.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass AM ≥ 1,77 • AS, bevorzugt AM ≥ 4 · AS und insbesondere AM ≥ 16 · AS gilt.One embodiment provides that A M ≧1.77*A S , preferably A M ≧4*A S and in particular A M ≧16*A S .
Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das durch den Sensormagneten im Randbereich erzeugte inhomogene Magnetfeld nicht durch die Sensorspule verläuft. Das hat zur Folge, dass sich eine Abweichung von einer Idealposition der Sensorspule relativ zum Sensormagneten nur geringfügig auf die im Justierverfahren ermittelte Sensorkonstante Einfluss nimmt. Dabei beschreibt die Idealposition die Positionierung der Sensorspule relativ zum Sensormagneten, die beim betriebsseitigen Justierverfahren vorlag.Such a configuration has the advantage that the inhomogeneous magnetic field generated by the sensor magnet in the edge area does not run through the sensor coil. As a result, a deviation from an ideal position of the sensor coil relative to the sensor magnet has only a slight influence on the sensor constant determined in the adjustment process. In this case, the ideal position describes the positioning of the sensor coil relative to the sensor magnet, which was present during the operational adjustment process.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensorspule eine Windungszahl N aufweist,
wobei 250 ≤ N ≤ 2500 und bevorzugt 500 ≤ N ≤ 2000 gilt.One embodiment provides that the sensor coil has a number of turns N
where 250≦N≦2500 and preferably 500≦N≦2000.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensorspule einen Sensorspulendraht umfasst,
wobei der Sensorspulendraht einen Sensorspulendrahtdurchmesser DSD aufweist,
wobei DSD ≤ 150 µm, insbesondere DSD ≤ 100 µm und bevorzugt DSD ≤ 20 µm gilt.One embodiment provides that the sensor coil includes a sensor coil wire,
wherein the sensor coil wire has a sensor coil wire diameter D SD ,
where D SD ≦150 μm, in particular D SD ≦100 μm and preferably D SD ≦20 μm.
Zur Kompensation der kleinen Abmessungen der Sensorspule und zur Kompensation der durch Abstand und Abmessungen des Magneten reduzierten Magnetfeldstärke im Bereich der Spule hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Windungszahl der Sensorspule höher auszulegen als bei herkömmlichen Schwingungssensoren üblich. Zudem muss ein möglichst dünner Wickeldraht verwendet werden, damit die Sensorspule die vorteilhaften geometrischen Anforderungen erfüllt und gleichzeitig dazu ausgebildet ist, ein ausreichend großes Messsignal zu detektieren.To compensate for the small dimensions of the sensor coil and to compensate for the reduced magnetic field strength in the area of the coil due to the distance and dimensions of the magnet, it has proven advantageous to design the number of turns of the sensor coil to be higher than is usual with conventional vibration sensors. In addition, the thinnest possible winding wire must be used so that the sensor coil meets the advantageous geometric requirements and at the same time is designed to detect a sufficiently large measurement signal.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messrohranordnung zwei Messrohre, nämlich ein erstes Messrohr und ein zweites Messrohr umfasst,
wobei das Coriolis-Durchflussmessgerät vier Schwingungssensoren mit jeweils einer Sensorspule und einem Sensormagneten umfasst,
wobei ein erster Schwingungssensor eine erste Sensorspule und einen ersten Sensormagneten umfasst,
wobei ein zweiter Schwingungssensor eine zweite Sensorspule und einen zweiten Sensormagneten umfasst,
wobei ein dritter Schwingungssensor eine dritte Sensorspule und einen dritten Sensormagneten umfasst,
wobei ein vierter Schwingungssensor eine vierte Sensorspule und einen vierten Sensormagneten umfasst,
wobei der erste Sensormagnet und der zweite Sensormagnet an dem ersten Messrohr angeordnet sind,
wobei der dritte Sensormagnet und der vierte Sensormagnet an dem zweiten Messrohr angeordnet sind,
wobei die erste Sensorspule und die dritte Sensorspule und/oder die zweite Sensorspule und die vierte Sensorspule jeweils elektrisch in Reihe geschaltet sind.
wobei sich die erste Sensorspule und die dritte Sensorspule einlaufseitig und die zweite Sensorspule und die vierte Sensorspule auslaufseitig befinden.One embodiment provides that the measuring tube arrangement comprises two measuring tubes, namely a first measuring tube and a second measuring tube.
wherein the Coriolis flow meter comprises four vibration sensors, each with a sensor coil and a sensor magnet,
wherein a first vibration sensor comprises a first sensor coil and a first sensor magnet,
wherein a second vibration sensor comprises a second sensor coil and a second sensor magnet,
wherein a third vibration sensor comprises a third sensor coil and a third sensor magnet,
wherein a fourth vibration sensor comprises a fourth sensor coil and a fourth sensor magnet,
wherein the first sensor magnet and the second sensor magnet are arranged on the first measuring tube,
wherein the third sensor magnet and the fourth sensor magnet are arranged on the second measuring tube,
wherein the first sensor coil and the third sensor coil and/or the second sensor coil and the fourth sensor coil are each electrically connected in series.
wherein the first sensor coil and the third sensor coil are on the upstream side and the second sensor coil and the fourth sensor coil are on the downstream side.
Die im Betrieb mittels der Messschaltung ermittelte Messspannung weist gemäß der Ausgestaltung somit immer den Beitrag beider Sensorspulen auf. Daher ist es besonders notwendig, dass die einzelnen Schwingungssensoren eine möglichst hohe Positionierungstoleranz in alle drei Raumrichtungen aufweisen, so dass die Amplitudensignale der einzelnen Schwingungssensoren robust gegen Variationen der Abstände zwischen den Spulen und den Magneten sind und somit beim Addieren der Signale durch die Reihenschaltung kein zusätzlicher Phasenfehler erzeugt wird. Erst dann lässt sich mit Hilfe einer derartigen Verschaltung der einzelnen Sensorspulen eine vereinfachte Auswertung der Messsignale ausführen.According to the embodiment, the measurement voltage determined during operation by means of the measurement circuit always has the contribution of both sensor coils. Therefore, it is particularly necessary that the individual vibration sensors have the highest possible positioning tolerance in all three spatial directions, so that the amplitude signals of the individual vibration sensors are robust against variations in the distances between the coils and the magnets and thus no additional when adding the signals through the series connection phase error is generated. Only then can a simplified evaluation of the measurement signals be carried out with the aid of such an interconnection of the individual sensor coils.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Magnetfrontfläche einen Flächenschwerpunkt und die Spulenfrontfläche einen Flächenschwerpunkt aufweist,
wobei die beiden Flächenschwerpunkte mit einem Maximalabstand amax beabstandet sind,
wobei amax ≤ 20 mm, insbesondere amax ≤ 10 mm und bevorzugt amax ≤ 3 mm gilt.One embodiment provides that the magnet front surface has a centroid and the coil front surface has a centroid,
where the two centroids are separated by a maximum distance amax,
where a max ≦20 mm, in particular a max ≦10 mm and preferably a max ≦3 mm, applies.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, zumindest in Abhängigkeit einer mittels des mindestens einen Schwingungssensors ermittelten Messgröße und einer dem mindestens einen Schwingungssensor zugewiesenen, von dem Abstand x abhängigen Sensorkonstante KS,x eine von dem Massedurchfluss des Mediums abhängige Größe zu ermitteln,
wobei bei einem optimalen Arbeitspunkt die Sensorkonstante KS,x einen Wert einer optimalen Sensorkonstante KS,opt annimmt,
wobei der Sensormagnet und die Sensorspule derart ausgebildet und zueinander orientiert sind, dass eine Abweichung der Sensorkonstante KS,x von der Sensorkonstante KS,opt in einem Abstandsbereich um den optimalen Arbeitspunkt immer kleiner 0,3%, insbesondere kleiner 0,25% und bevorzugt kleiner 0,2 % ist,
wobei der Abstandsbereich zwei Grenzen aufweist, welche 0,01 mm, insbesondere 0,05 mm und bevorzugt 0,1 mm vom optimalen Arbeitspunkt beabstandet sind.One embodiment provides that an evaluation circuit is set up for this purpose, at least as a function of a measured variable determined by means of the at least one vibration sensor and of the at least one vibration sensor to determine a variable dependent on the mass flow of the medium from the assigned sensor constant K S,x dependent on the distance x,
where at an optimal working point the sensor constant K S,x assumes a value of an optimal sensor constant K S,opt ,
wherein the sensor magnet and the sensor coil are designed and oriented to one another in such a way that a deviation of the sensor constant K S,x from the sensor constant K S,opt in a distance range around the optimum operating point is always less than 0.3%, in particular less than 0.25% and is preferably less than 0.2%,
the distance range having two limits which are 0.01 mm, in particular 0.05 mm and preferably 0.1 mm apart from the optimum working point.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : ein für pharmazeutische Bioprozessanwendungen geeignetes Coriolis-Durchflussmessgerät; -
2 : eine Schnittansicht durch einen Schwingungssensor; -
3 : eine mittels Finite-Elemente-Simulation erstellte Simulation des Magnetfelds in der Schnittansicht (wie2 ) des Schwingungssensors; und -
4 : die mittels Finite-Elemente-Simulation berechnete Abhängigkeit der Sensorkonstante eines Schwingungssensors von dem Abstand eines Sensormagneten zur Sensorspule für die Konfiguration in2 und3 .
-
1 : a Coriolis flow meter suitable for pharmaceutical bioprocess applications; -
2 : a sectional view through a vibration sensor; -
3 : a finite element simulation of the magnetic field in the section view (like2 ) of the vibration sensor; and -
4 : the dependence of the sensor constant of a vibration sensor on the distance between a sensor magnet and the sensor coil for the configuration in calculated usingfinite element simulation 2 and3 .
Die
Die Messrohranordnung 4 ist teilweise in eine Aufnahmevorrichtung 23 mit einer Aufnahme 29 einer Trägervorrichtung 16 eingeführt. Ein Pfeil deutet die Einführrichtung an. Diese verläuft in der Ausgestaltung senkrecht zu einer Längsrichtung der Aufnahme 29 und der Messrohranordnung 4. Die Aufnahme 29 kann auch derart ausgebildet sein, dass die Messrohranordnung 4 in Längsrichtung der Aufnahme 29 einzuführen ist (nicht abgebildet). Die Trägervorrichtung 16 weist eine Mess- und/oder Betriebsschaltung 29 auf, welche mit den Schwingungserregern und Schwingungssensoren, insbesondere mit den jeweiligen Spulensystemen verbunden und dazu eingerichtet sind ein zeitlich wechselndes Magnetfeld zu erzeugen und/oder zu erfassen. Eine Auswerteschaltung 53 ist dazu eingerichtet, zumindest einen Massedurchfluss in Abhängigkeit des mittels der Schwingungssensoren gemessenen Messsignales, insbesondere in Abhängigkeit einer Phasendifferenz zu ermitteln. Weiterhin kann die Auswerteschaltung dazu eingerichtet sein, eine Viskosität und/oder eine Dichte des zu führenden Mediums zu bestimmen. Die Trägervorrichtung 16 weist einen Trägervorrichtungskörper 22 auf, in der sich die Aufnahme 29 befindet. Der Verbindungskörper 5 der Messrohranordnung 4 weist Montageflächen 26 auf, welche dazu dienen die Messrohranordnung 4 in eine vorgegebene Position in der Trägervorrichtung 16 anzuordnen. Gemäß der abgebildeten Ausgestaltung zeigt das Lot der Montagefläche 26 senkrecht zur Längsrichtung der Messrohranordnung 4. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zeigt das Lot der Montagefläche 26 in Richtung der Längsrichtung der Messrohranordnung 4. Die mit der Montagefläche 26 des Verbindungskörpers 5 in Kontakt stehende Fläche des Trägervorrichtungskörpers 22 ist die Auflagefläche 27.The measuring
Die Trägervorrichtung 16 weist zwei parallel zueinander orientierte Seitenflächen auf, welche die Aufnahme 29 quer zur Längsrichtung der Aufnahme 29 begrenzen. In den Seitenflächen sind die Spulenvorrichtungen der Schwingungssensoren 8.1, 8.2 und die Spulenvorrichtung des Schwingungserregers 7 angeordnet. Die Spulenvorrichtungen der Schwingungssensoren 8.1, 8.2 sind in Längsrichtung der Aufnahme 29 zur Spulenvorrichtung des Schwingungserregers 7 angeordnet. Alle drei Spulenvorrichtungen befinden sich in einer Spulenebene. Des Weiteren sind die drei Spulenvorrichtungen als Plattenspule ausgebildet und in die Seitenfläche versenkt. An der Seitenfläche sind drei Spulenvorrichtungen im Wesentlich gegenüber von den drei Spulenvorrichtungen angeordnet. In den beiden Seitenflächen ist jeweils eine Führung eingearbeitet, welche sich senkrecht zur Längsrichtung der Aufnahme 29 und parallel zur Spulenebene erstreckt. Gemäß der abgebildeten Ausgestaltung erstreckt sich die Aufnahme 29 über zwei Stirnseiten der Aufnahme 29. Dies ermöglicht ein Einführen der Messrohranordnung 4 senkrecht zur Längsrichtung der Messrohranordnung 4. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erstreckt sich die Aufnahme 29 ausschließlich über eine Stirnseite. In dem Fall ist die Messrohranordnung 4 in Längsrichtung der Messrohranordnung 4 - oder der Trägervorrichtung 16 - in die Trägervorrichtung 16 einzuführen.The
Die abgebildeten Schwingungssensoren weisen Sensormagnete mit einer Magnetquerschnittsfläche und Sensorspulen mit einer Spulenquerschnittsfläche auf, wobei in dem abgebildeten Fall die Magnetquerschnittsfläche geringer ist als die Spulenquerschnittsfläche. Somit unterscheidet sich die Ausgestaltung der
Die Messrohranordnung 4 umfasst zwei Messrohre 3, nämlich ein erstes Messrohr 3.1 und ein zweites Messrohr 3.2. Vier Schwingungssensoren 8 mit jeweils einer Sensorspule und einem Sensormagneten sind an der Messrohranordnung 4 angeordnet. Die abgebildete Sensorspulen können als LTCC-Spulen (Low Temperature Cofired Ceramics) ausgeführt sein, die beispielsweise in der
Die
Die Spulenfrontfläche 58 und die Magnetfrontfläche 59 sind mit einem Abstand x beabstandet, wobei für den Abstand x ≤ 2,5 mm und bevorzugt x ≤ 2 mm gilt und gleichzeitig x ≥ 0,25 mm und bevorzugt x > 0,5 mm gilt. Eine Ausdehnung des Sensormagnetes 38 in Richtung der Magnethauptfeldachse 54 weist eine Magnetdicke hM mit
Eine Auswerteschaltung ist dazu eingerichtet, zumindest in Abhängigkeit einer mittels des mindestens einen Schwingungssensors 8 ermittelten Messgröße und einer dem mindestens einen Schwingungssensor 8 zugewiesenen, von dem Abstand x abhängigen Sensorkonstante KS,x eine von dem Massedurchfluss des Mediums abhängige Größe zu ermitteln. Bei einem optimalen Arbeitspunkt nimmt die Sensorkonstante KS,x einen Wert einer optimalen Sensorkonstante KS,opt an. Der Sensormagnet 38 und die Sensorspule 39 sind derart ausgebildet und zueinander orientiert, dass eine Abweichung der Sensorkonstante KS,x von der Sensorkonstante KS,opt in einem Abstandsbereich um den optimalen Arbeitspunkt immer kleiner 0,3%, insbesondere kleiner 0,25% und bevorzugt kleiner 0,2 % ist. Dabei weist der Abstandsbereich zwei Grenzen auf, welche 0,01 mm, insbesondere 0,05 mm und bevorzugt 0,1 mm vom optimalen Arbeitspunkt beabstandet sind.An evaluation circuit is set up to determine a variable dependent on the mass flow rate of the medium, at least as a function of a measured variable determined by means of the at least one vibration sensor 8 and a sensor constant K S,x assigned to the at least one vibration sensor 8 and dependent on the distance x. At an optimal working point, the sensor constant K S,x assumes a value of an optimal sensor constant K S,opt . The
Die
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Koppleranordnungcoupler arrangement
- 22
- Messgerätgauge
- 33
- Messrohrmeasuring tube
- 44
- Messrohranordnungmeasuring tube arrangement
- 55
- Fixierkörperfixing body
- 66
- Kopplerelementcoupler element
- 77
- Schwingungserregervibration exciter
- 88th
- Schwingungssensorvibration sensor
- 99
- Magnetanordnungmagnet assembly
- 1010
- Magnetmagnet
- 1111
- Schenkelleg
- 1212
- Seiteside
- 1313
- Messrohrkörpermeasuring tube body
- 1515
- Mess- und/oder BetriebsschaltungMeasuring and/or operating circuit
- 1616
- Trägervorrichtungcarrier device
- 2222
- Trägereinheitskörpercarrier unit body
- 2323
- Aufnahmevorrichtungrecording device
- 2424
- Seitenflächeside face
- 2525
- Spulenvorrichtungcoil device
- 2626
- Montageflächemounting surface
- 2727
- Seitenflächeside face
- 2929
- Aufnahmeadmission
- 3838
- Sensormagnetsensor magnet
- 3939
- Sensorspulesensor coil
- 5353
- Auswerteschaltungevaluation circuit
- 5454
- Magnethauptfeldachsemain magnetic field axis
- 5555
- Spulenhauptfeldachsecoil main field axis
- 5656
- Spulenstirnseitecoil face
- 5757
- Magnetstirnseitemagnet face
- 5858
- Spulenfrontflächecoil face
- 5959
- Magnetfrontflächemagnet face
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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-
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