DE102021105400A1 - Messaufnehmer eines Messgeräts zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder einer davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums, sowie Messgerät - Google Patents

Messaufnehmer eines Messgeräts zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder einer davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums, sowie Messgerät Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messaufnehmer (1) eines Messgeräts (2) zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder einer davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums. Der Messaufnehmer umfasst ein Messrohr (3) zum Führen des fließfähigen Mediums, wobei das Messrohr (3) einen Einlauf (4) und einen Auslauf (5) aufweist, wobei der Einlauf (4) und der Auslauf (5) jeweils mittels mindestens eines Anschlusses (6) mit einer das Medium führenden Prozessleitung (7) verbindbar sind, wobei das Messrohr (3) in eine gewünschte Messrohranordnung (8) gebogen ist, wobei das Messrohr (3) mindestens dreimal zwischen Einlauf (4) und Auslauf (5) in einen Bogen (9) gebogen ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Messgerät (2) zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder eine davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Messaufnehmer eines Messgeräts zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder einer davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums, sowie ein entsprechendes Messgerät.
  • In der Prozess- und Automatisierungstechnik werden für die Messung physikalischer Parameter von in Rohrleitungen strömenden Medien, wie zum Beispiel dem Massedurchfluss, der Dichte und/oder der Viskosität, oftmals sogenannte In-line-Messgeräte eingesetzt, deren Messaufnehmer vom Vibrationstyp von dem Medium durchströmt wird. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Messgeräts, insbesondere eines als Coriolis-Durchflussmessgerät ausgestalteten Messgeräts, wird beispielsweise in der EP 1 807 681 A1 beschrieben.
  • 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 mindestens eine Auslenkung der Schwingungen in Form eines Messsignals oder mehrerer Messsignale aufnehmen. Aus dem oder den Messsignalen kann eine Auswerteeinheit sodann den Durchfluss, die Viskosität und/oder die Dichte des Mediums ermitteln.
  • Häufig weist ein Coriolis-Durchflussgerät nicht nur ein einzelnes gebogenes Messrohr auf, sondern zwei, vier oder acht Messrohre, welche zumindest paarweise parallel zueinander verlaufen. Eine höhere Anzahl von Messrohren kommt in der Regel bei größeren Rohrleitungsdurchmessern und hohen Massendurchflussraten zum Einsatz, so dass das fließfähige Medium auf mehrere Messrohre aufgeteilt wird, um den Maßstab der Messrohre nicht exorbitant zu vergrößern. Derartige Messgeräte sind beispielsweise aus der WO 2012/150241 A2 und der US 4 891 991 A1 bekannt geworden.
  • In der Regel werden solche Messrohranordnungen durch eine definierte Anzahl von separaten Messrohren gebildet, die dann beispielsweise im Bereich eines Einlass und eines Auslass des Messgeräts verschweißt sind. Für Hochdruckanwendungen sind solche Messrohranordnungen nicht geeignet, da insbesondere die Schweißnähte an den Messrohren hohen Drücken in der Regel nicht standhalten.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Messaufnehmer und ein Messgerät anzugeben, welcher/s auch bei hohen Drücken, insbesondere bei Drücken über 100 bar, eingesetzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Messaufnehmer eines Messgeräts zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder einer davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums, umfassend
    • - ein Messrohr zum Führen des fließfähigen Mediums, wobei das Messrohr einen Einlauf und einen Auslauf aufweist, wobei der Einlauf und der Auslauf jeweils mittels mindestens eines Anschlusses mit einer das Medium führenden Prozessleitung verbindbar sind, wobei das Messrohr in eine gewünschte Messrohranordnung gebogen ist, wobei das Messrohr mindestens dreimal zwischen Einlauf und Auslauf in einen Bogen gebogen ist,
    • - mindestens einen Schwingungserreger, welcher dazu ausgestaltet ist, das Messrohr zu Schwingungen anzuregen,
    • - mindestens einen Schwingungssensor, welcher dazu ausgestaltet ist, mindestens eine Auslenkung einer Schwingung des Messrohrs zu erfassen, und
    • - einem Stützkörper zur Reduzierung einer Unwucht des Messrohrs, wobei der Stützkörper an mindestens zwei gegenüberliegenden Bereichen der Messrohranordnung mit dem Messrohr verbunden ist.
  • Der erfindungsgemäße Messaufnehmer weist eine Messrohranordnung auf, die vorteilhafterweise aus einem einzelnen, typischerweise metallischen Messrohr gebildet ist. Auf diese Weise werden druckanfällige Schweißungen zum Verbinden separater Messrohre vollständig vermieden. Zum Verbinden der Messrohranordnung mit der Prozessleitung werden beispielsweise spezielle Hochdruckanschlüsse verwendet, welche auf einer Klemmung des Messrohrs basieren und somit ohne Schweißungen auskommen. Das dreimalige Biegen des Messrohrs führt zu einer Doppelrohranordnung, bei der zumindest zwei Bögen des Messrohrs parallel zueinander verlaufen. Aufgrund der Hochdruckanwendung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers weist das Messrohr eine vergleichsweise hohe Rohrwandstärke im Bereich von mehreren Millimetern auf, welche zusammen mit der Masse des fließfähigen Mediums zu einem hohen Gewicht des Messaufnehmers führt. Der Stützkörper dient daher als Gegenschwingmasse zum Messrohr, damit dieses keine Unwucht erzeugt. Der Stützkörper ist daher derart an mindestens zwei gegenüberliegenden Bereichen der Messrohranordnung mit dem Messrohr verbunden, dass eine durch das zu Schwingungen angeregte Messrohr gebildete Unwucht reduziert wird.
  • Bevorzugterweise ist der Stützkörper mittels Fräsen oder Gießen herstellbar. Der Stützkörper ist beispielsweise aus einem Metall gefertigt.
  • In einer Ausgestaltung ist der Stützkörper kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Messrohr verbindbar. Beispielsweise ist der Stützkörper derart ausgestaltet, dass ein Innenraum des Stützkörpers mit zumindest den beiden Bereichen des Messrohrs korrespondiert, mit welchem der Stützkörper verbunden wird. Der Stützkörper ist mit dem Messrohr beispielsweise verschraubt oder verklemmt oder verlötet. Unter Umständen kann der Stützkörper an das Messrohr geschweißt sein, sofern die vergleichsweise hohe Masse des Stützkörpers eine ausreichende Stabilität der Schweißungen auch unter einer Hochdruckbelastung ermöglicht.
  • In einer möglichen Ausgestaltung verläuft mindestens ein Bogen des Messrohrs zumindest teilweise innerhalb eines Innenraums des Stützkörpers. Auf diese Weise lässt sich die Abmessung des Messaufnehmers insgesamt verringern bzw. kompakter ausgestalten. Der mindestens eine Bogen beginnt bereits innerhalb des Stützkörpers.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bögen der Messrohranordnung jeweils ein gerade verlaufender Abschnitt des Messrohrs vorgesehen ist, wobei eine Länge der gerade verlaufenden Abschnitte so ausgestaltet ist, dass die mindestens eine Auslenkung einer Schwingung des Messrohrs mit dem Schwingungssensor messbar ist und die Unwucht im Messrohr reduziert wird. Die mindestens eine Auslenkung einer Schwingung muss eine derart große Amplitude aufweisen, dass das Schwingungssensor diese messen kann. Gleichzeitig sollte die mindestens eine Auslenkung der Schwingung nur so groß sein wie nötig, so dass keine zusätzliche Unwucht ins System eingebracht wird.
  • Vorteilhafterweise weisen die Bögen der Messrohranordnung einen definierten Biegeradius auf, wobei der definierte Biegeradius ein minimaler Biegeradius ist, bei welchem das Messrohr im Wesentlichen unbeschädigt bleibt. Ein Bogen des Messrohrs beschreibt dabei in der Regel einen Bogen von 180°C. In Kombination mit dem definierten Biegeradius wird somit eine möglichst kompakte Messrohranordnung ermöglicht. Der Biegeradius ist material- und wandstärkenabhängig und wird so gewählt, dass in Abhängigkeit des Materials und der Wandstärke des Messrohrs ein minimaler Biegeradius erhalten wird, bei welchem das Messrohr nicht bricht. Auch Beschädigungen wie Risse und Quetschungen des Messrohrs werden unter Anwendung des minimalen Biegeradius vermieden.
  • Bevorzugterweise ist der Messaufnehmer für Drücke des Mediums über 100 bar, insbesondere über 500 bar, ausgestaltet. Insbesondere sind Anwendungen des Messaufnehmers bis 2000 bar möglich.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Messgerät zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder eine davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums, umfassend
    • - eine Trägereinheit,
    • - einen Messaufnehmer nach mindestens einer der vorherigen Ausgestaltungen, wobei der Messaufnehmer zumindest teilweise in der Trägereinheit angeordnet und mechanisch trennbar mit der Trägereinheit verbunden ist,
    • - eine elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung, wobei die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung in der Trägereinheit angeordnet ist, wobei die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu ausgestaltet ist, den mindestens einen Schwingungssensor und den mindestens einen Schwingungserreger zu betreiben und mittels elektrischer Verbindungen mit diesen verbunden ist, wobei die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung dazu ausgestaltet ist, den Massedurchfluss, die Viskosität und/oder die Dichte und/oder die davon abgeleitete Größe eines fließfähigen Mediums zu ermitteln und bereitzustellen.
  • Das erfindungsgemäße Messgerät zeichnet sich durch die Einsatzfähigkeit bei hohen Drücken des fließfähigen Mediums auf, was vor allem auf das einzelne, mehrfach gebogene Messrohr des Messaufnehmers zurückzuführen ist. Die Trägereinheit dient als abnehmbares Gehäuse für die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung und für zumindest einen Teil des Messaufnehmers und schützt diese somit vor äußeren Einflüssen. Idealerweise ist zumindest der Bereich der Messrohranordnung innerhalb der Trägereinheit angeordnet, welcher zu Schwingungen angeregt wird. Die Trägereinheit kann jedoch auch den kompletten Messaufnehmer umschließen.
  • In einer möglichen Ausgestaltung verläuft mindestens ein Bogen der Messrohranordnung zumindest teilweise außerhalb der Trägereinheit. Um die Trägereinheit kompakt auszugestalten, umschließt die Trägereinheit beispielsweise die beiden parallel angeordneten Bögen der Messrohranordnung, während der dritte Bogen aus der Trägereinheit herausführt.
  • Vorteilhafterweise ist die Trägereinheit an dem Stützkörper befestigbar. Beispielsweise ist die Trägereinheit an dem Stützkörper angeschraubt oder festgeklemmt.
  • Die vorliegende Erfindung soll anhand der nachfolgenden Figuren 1-3 näher erläutert werden. Sie zeigen:
    • 1: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers.
    • 2: eine Detailansicht des Stützkörpers.
    • 3: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer Messaufnehmer 1 eines Messgeräts 2 zur Erfassung des Massedurchfluss, der Viskosität und/oder der Dichte und/oder der davon abgeleitete Größe eines fließfähigen Mediums dargestellt, welcher unter anderem aus einem Messrohr 3 und dem mit dem Messrohr 3 an zwei Stellen verbundenen Stützkörper 12 aufgebaut ist. Das Messrohr 3 ist ein einzelnes Rohr, welches einen Einlauf 4 und einen Auslauf 5 für das fließfähige Medium aufweist. Durch das mindestens dreimalige Biegen des Messrohrs 3, bevorzugt um jeweils 180°, entsteht eine Messrohranordnung 8, welche in 1 als Doppelrohranordnung gezeigt ist. Die in 1 gezeigte Messrohranordnung 8 weist zwei Bögen 9 des Messrohrs 3 auf, welche parallel zueinander angeordnet sind. Da der erfindungsgemäße Messaufnehmer 1 für Hochdruckanwendungen, insbesondere für Drücke des fließfähigen Mediums über 100 bar, insbesondere über 500 bar, ausgelegt und dementsprechend schwer ist, ist zum Ausgleich einer Unwucht des Messrohrs 3 der Stützkörper 12 in einem den beiden parallel verlaufenden Bögen 9 gegenüberliegenden Bereich des Messrohrs 3 angeordnet. Der beispielsweise metallische Stützkörper 12 lässt sich durch Fräsen oder Gießen an die Form des Messrohrs 3 anpassen und schließlich formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit diesem 3 verbinden.
  • Um den Messaufnehmer 1 möglichst kompakt zu gestalten, sind die Bögen 9 über einen definierten Biegeradius festgelegt, welcher so niedrig gewählt wird, dass das Messrohr 3 nicht beschädigt wird. Jeweils zwei Bögen 9 sind über einen gerade verlaufenden Abschnitt 13 verbunden. Die Länge der gerade verlaufenden Abschnitte 13 ist dabei so kurz ausgelegt, dass das zusätzliche Gewicht der gerade verlaufenden Abschnitte 13 die Unwucht im Messrohr 3 nicht unnötig vergrößert, aber gleichzeitig so lang ausgewählt, dass eine für den mindestens einen Schwingungssensor 11 messbare Auslenkung einer Schwingung des Messrohrs 3 erzeugt wird. Auch diese Maßnahme trägt zur kompakten Ausgestaltung des Messaufnehmers 1 bei. Entlang der gerade verlaufenden Abschnitte 13 sind optionale Kopplerelemente 16 angebracht, welche für eine mechanische Kopplung der beiden parallel verlaufenden Bögen 9 sorgen und die Bildung eines Oszillators aus den beiden in Schwingungen angeregten parallel verlaufenden Bögen 9 unterstützen. Der Messaufnehmer 1 umfasst fernen einen Schwingungserreger 10 und mindestens eine Schwingungssensor 11, welche in 3 gezeigt sind.
  • 2 zeigt einen beispielhaften Stützkörper 12 und dessen Verbindung mit dem Messrohr 3 im Detail. Im gewählten Beispiel der 2 findet der Übergang zwischen einem gerade verlaufenden Abschnitt 13 und einem Bogen 9 innerhalb des Stützkörpers 12 statt, so dass ein Bereich des Bogens 9 durch einen Innenraum des Stützkörpers 12 verläuft. Auch diese Maßnahme trägt zur Verkleinerung des Messaufnehmers 1 bei.
  • 3 zeigt schließlich ein erfindungsgemäßes Messgerät 2. Der Messaufnehmer 1 ist teilweise von einer Trägereinheit 14 umgeben, welche beispielsweise am Stützkörper 12 lösbar befestigt ist. Beispielsweise ist einer der Bögen 9 außerhalb der Trägereinheit 14 angeordnet. Bis auf den Einlauf 4 und Auslauf 5 kann der Messaufnehmer 1 alternativ vollständig innerhalb der Trägereinheit 14 angeordnet sein. Im Bereich der Bögen 9 ist ein Schwingungserreger 10 angebracht, welcher das Messrohr 3 zu Schwingungen anregt. Mindestens eine Auslenkung einer Schwingung des Messrohrs 3 wird über mindestens einen, in diesem Beispiel zwei, Schwingungssensoren 11 erfasst. Sowohl der Schwingungserreger 10 als auch die Schwingungssensoren 11 sind mit einer innerhalb der Trägereinheit 14 angeordneten elektronischen Mess- und/oder Betriebsschaltung 15 verbunden und werden durch diese betrieben. Anhand der mindestens einen Auslenkung einer Schwingung des Messrohrs 3 ermittelt die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung 15 den Massedurchfluss, die Viskosität und/oder die Dichte und/oder die davon abgeleitete Größe eines fließfähigen Mediums und stellt diese bereit.
  • Der Messaufnehmer 1 ist über jeweils einen am Einlauf 4 und am Auslauf 5 angebrachten Anschluss 6 mit einer Prozessleitung 7 verbunden, welche das fließfähige Medium führt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Messaufnehmer
    2
    Messgerät
    3
    Messrohr
    4
    Einlauf
    5
    Auslauf
    6
    Anschluss
    7
    Prozessleitung
    8
    Messrohranordnung
    9
    Bogen
    10
    Schwingungserreger
    11
    Schwingungssensor
    12
    Stützkörper
    13
    gerade verlaufender Abschnitt
    14
    Trägereinheit
    15
    elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung
    16
    Kopplerelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1807681 A1 [0002]
    • WO 2012/150241 A2 [0004]
    • US 4891991 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Messaufnehmer (1) eines Messgeräts (2) zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder einer davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums, umfassend - ein Messrohr (3) zum Führen des fließfähigen Mediums, wobei das Messrohr (3) einen Einlauf (4) und einen Auslauf (5) aufweist, wobei der Einlauf (4) und der Auslauf (5) jeweils mittels mindestens eines Anschlusses (6) mit einer das Medium führenden Prozessleitung (7) verbindbar sind, wobei das Messrohr (3) in eine gewünschte Messrohranordnung (8) gebogen ist, wobei das Messrohr (3) mindestens dreimal zwischen Einlauf (4) und Auslauf (5) in einen Bogen (9) gebogen ist, - mindestens einen Schwingungserreger (10), welcher dazu ausgestaltet ist, das Messrohr (3) zu Schwingungen anzuregen, - mindestens einen Schwingungssensor (11), welcher dazu ausgestaltet ist, mindestens eine Auslenkung einer Schwingung des Messrohrs (3) zu erfassen, und - einem Stützkörper (12) zur Reduzierung einer Unwucht des Messrohrs (3), wobei der Stützkörper (12) an mindestens zwei gegenüberliegenden Bereichen der Messrohranordnung (8) mit dem Messrohr (3) verbunden ist.
  2. Messaufnehmer nach Anspruch 1, wobei der Stützkörper (12) mittels Fräsen oder Gießen herstellbar ist.
  3. Messaufnehmer nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Stützkörper (12) kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Messrohr (3) verbindbar ist.
  4. Messaufnehmer nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens ein Bogen (9) des Messrohrs (3) zumindest teilweise innerhalb eines Innenraums des Stützkörpers (12) verläuft.
  5. Messaufnehmer nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bögen (9) der Messrohranordnung (8) jeweils ein gerade verlaufender Abschnitt (13) des Messrohrs (3) vorgesehen ist, wobei eine Länge der gerade verlaufenden Abschnitte (13) so ausgestaltet ist, dass die mindestens eine Auslenkung einer Schwingung des Messrohrs (3) mit dem Schwingungssensor (11) messbar ist und die Unwucht im Messrohr (3) reduziert wird.
  6. Messaufnehmer nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bögen (9) der Messrohranordnung (8) einen definierten Biegeradius aufweisen, wobei der definierte Biegeradius ein minimaler Biegeradius ist, bei welchem das Messrohr (3) im Wesentlichen unbeschädigt bleibt.
  7. Messaufnehmer nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Messaufnehmer (1) für Drücke des Mediums über 100 bar, insbesondere über 500 bar, ausgestaltet ist.
  8. Messgerät (2) zum Erfassen eines Massedurchflusses, einer Viskosität, einer Dichte und/oder eine davon abgeleiteten Größe eines fließfähigen Mediums, umfassend - eine Trägereinheit (14), - einen Messaufnehmer (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Messaufnehmer (1) zumindest teilweise in der Trägereinheit (14) angeordnet und mechanisch trennbar mit der Trägereinheit (14) verbunden ist, - eine elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung (15), wobei die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung (15) in der Trägereinheit (14) angeordnet ist, wobei die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung (15) dazu ausgestaltet ist, den mindestens einen Schwingungssensor (11) und den mindestens einen Schwingungserreger (10) zu betreiben und mittels elektrischer Verbindungen mit diesen verbunden ist, wobei die elektronische Mess- und/oder Betriebsschaltung (15) dazu ausgestaltet ist, den Massedurchfluss, die Viskosität und/oder die Dichte und/oder die davon abgeleitete Größe eines fließfähigen Mediums zu ermitteln und bereitzustellen.
  9. Messgerät nach Anspruch 8, wobei mindestens ein Bogen (9) der Messrohranordnung (8) zumindest teilweise außerhalb der Trägereinheit (14) verläuft.
  10. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 8-9, wobei die Trägereinheit (14) an dem Stützkörper (12) befestigbar ist.
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