DE19601349A1 - Durchflußmesser für kleine Mengen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmesser für kleine Mengen.

Aus WO 88/02477 A1 ist ein nach dem Coriolis-Prinzip arbeitender Durchflußmesser bekannt, bei dem sich zwi­ schen einem Einlauf und einem Auslauf wenigstens ein Meßrohr befindet, das durch mindestens einen Schwin­ gungserreger in Schwingung versetzbar ist und dessen Schwingungen durch mindestens einen Schwingungsdetektor erfaßbar sind, wobei eine elektrische Schaltung zur Erregung des Schwingungserregers und/oder zur Auswer­ tung der vom Schwingungsdetektor erfaßten Schwingungen vorgesehen ist. Ein solcher Durchflußmesser ist für größere Durchflußmengen, beispielsweise mehr als 5 kg/h, bestens geeignet, führt aber bei kleineren Durchflußmengen, insbesondere bei weniger als 1 kg/h, zu stark fehlerbehafteten Ergebnissen.

Aus DE 34 43 234 C2 ist es bekannt, bei einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchfluß-Meßgerät das Meßrohr in einem evakuierten Gehäuse unterzubrin­ gen, mit dem Ziel, eine Kondensatbildung auf den Meß­ rohren zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durch­ flußmesser anzugeben, der eine präzise Messung auch von kleinen Durchflußmengen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Durchflußmesser mit fol­ genden Merkmalen gelöst:

• a) zwischen einem Einlauf und einem Auslauf verläuft wenigstens ein Meßrohr, das durch mindestens einen Schwingungserreger in Schwingung versetzbar ist und dessen Schwingungen durch mindestens einen Schwin­ gungsdetektor erfaßbar sind, wobei eine elektrische Schaltung zur Erregung des Schwingungserregers und/ oder zur Auswertung der vom Schwingungsdetektor erfaßten Schwingungen vorgesehen ist;
• b) der lichte Querschnitt des Meßrohres ist kleiner als 10 mm²;
• c) das Meßrohr befindet sich innerhalb eines herme­ tisch abgeschlossenen Gehäuses, das gegenüber der Umgebung Unterdruck führt.

Die von dem strömenden Medium auf das schwingende Meß­ rohr ausgeübten Kräfte sind um so kleiner je geringer die Durchflußmenge ist. Bei laminarer Strömung ist der Luftwiderstand proportional zum Meßrohrdurchmesser. Daher nimmt das Verhältnis zwischen Luftwiderstand und den genannten Kräften für kleinere Rohrdurchmesser zu. Da der Luftwiderstand und die Kräfte in Phase sind, kann die Wirkung des Luftwiderstandes zwar durch einen balanzierten Aufbau eliminiert werden. Für sehr kleine Meßrohrquerschnitte sind aber die Anforderungen an eine Balanzierung sehr groß, weil schon kleine Änderungen des Luftdrucks oder der Plazierung des Meßrohres den Nullpunkt verschieben können.

Ordnet man aber das Meßrohr in einem Unterdruck führen­ den Gehäuse an, erhält man eine ausgeprägte Phasendif­ ferenz zwischen dem Schwingungsdetektor und dem Schwingungserreger bzw. einem zweiten Schwingungsdetek­ tor. Wegen des Unterdrucks im Gehäuse-Innenraum werden die Schwingungen des Meßrohres nicht oder nur wenig durch den Luftwiderstand gestört. Es ergibt sich daher an der Meßstelle eine ausgeprägte Schwingungsamplitude. Beide Maßnahmen b) und c) gemeinsam ermöglichen es da­ her, einen Durchflußmesser gemäß Merkmal a) mit gerin­ ger Durchflußmenge und trotzdem präziser Messung zu betreiben.

Vorzugsweise ist ein zylindrisches Meßrohr mit einem Innendurchmesser <3 mm, vorzugsweise <1,5 mm, vorge­ sehen. Solche Meßrohre haben nicht nur einen kleinen lichten Querschnitt, sondern besitzen normalerweise auch eine geringe Steifigkeit, so daß sie sich leicht zu Schwingungen anregen lassen.

Empfehlenswert ist es, daß der Druck im Gehäuse <0,1 bar ist. Der Einfluß der Umgebungsluft ist daher fast vollständig eliminiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür ge­ sorgt, daß die elektrische Schaltung im wesentlichen außerhalb des Gehäuses angeordnet und durch die Gehäu­ sewand mit den im Gehäuseinnern befindlichen Teilen des Schwingungserregers und/oder des Schwingungsdetektors gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die Schaltung ju­ stiert oder ersetzt werden, ohne daß das hermetisch abgeschlossene Gehäuse geöffnet werden muß.

Günstig ist es, daß in der Gehäusewand eine gasdichte Steckverbindung angeordnet ist und die Kopplung durch mindestens eine elektrische Leitung, die über die Steckverbindung geführt ist, erfolgt.

Eine Alternative, bei der auf eine Leitungsdurchführung durch die Gehäusewand verzichtet werden kann, besteht darin, daß in dem Gehäusewand mindestens ein gasdichtes Fenster aus einem anderen Material als die Gehäusewand angeordnet ist und daß die Kopplung drahtlos mittels einer physikalischen Größe erfolgt, für die das Fenstermaterial durchlässig ist.

Besonders empfehlenswert ist es, daß das Fenster strah­ lungsdurchlässig ist und die Kopplung auf optische Wei­ se erfolgt. Die optische Kopplung ist eine bewährte Maßnahme.

Insbesondere kann dafür gesorgt sein, daß der Schwin­ gungsdetektor außerhalb des Gehäuses eine Lichtquelle zur Abgabe eines Lichtstrahls und einen Photodetektor zur Aufnahme des Lichtstrahls aufweist und das Meßrohr mit einer Blende versehen ist, die den Lichtstrahl teilweise abdeckt. Bei dieser Konstruktion vermag der Photodetektor aufgrund der empfangenen Lichtmenge die Schwingungsbewegung des Meßrohres nachzubilden.

Eine bevorzugte Alternative besteht darin, daß das Fen­ ster aus keramischem Material besteht und die Kopplung über ein magnetisches Feld erfolgt. Auch eine solche magnetische Kopplung ist in der Praxis bewährt.

Konstruktiv empfiehlt es sich, daß der Schwingungserre­ ger außerhalb des Gehäuses eine mit der Erregerfrequenz betreibbare Erregerspule und am Meßrohr einen zugehöri­ gen Anker aufweist. Auf diese Weise wird Antriebsener­ gie von außen in das Gehäuse hinein übertragen.

In ähnlicher Weise kann dafür gesorgt sein, daß der Schwingungsdetektor am Meßrohr einen Anker und außer­ halb des Gehäuses eine durch Induktion vom Anker her erregbare Empfangsspule aufweist. Auf diese Weise wird ein die Schwingung beschreibendes Signal aus dem Gehäu­ se nach außen geleitet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dient das Ge­ häuse als mechanische Abstützung - und damit als Refe­ renz - für Schwingungserreger und/oder Schwingungsde­ tektoren. Eine zusätzliche Stützanordnung kann entfal­ len.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich dadurch, daß das Gehäuse zwei Meßrohre aufweist, die gleichsinnig durch­ strömt und gegenphasig erregt werden. Durch die Verwen­ dung von zwei Meßrohren wird die Genauigkeit der Mes­ sung erhöht.

Günstig ist es ferner, daß die Meßrohre in Schwingungs-Knotenpunkten an dem Gehäuse befestigt sind. Bei dieser Anordnung wird Schwingungsenergie nicht auf das Gehäuse übertragen, was wiederum das Meßergebnis verbessert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür ge­ sorgt, daß das mindestens eine Meßrohr im Gehäuse als Coriolis-Massen-Durchflußmesser ausgelegt ist. Bei ei­ nem solchen Durchflußmesser sind die auf das schwingen­ de Meßrohr wirkenden Kräfte und damit das Meßergebnis der hindurchströmenden Masse proportional. Man benötigt daher keine komplizierte Auswertung, wie dies teilweise bei anderen Durchflußmeßsystemen mit schwingenden Meß­ rohren der Fall ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Gehäuse einer er­ sten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflußmessers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausfüh­ rungsform,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 3,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausfüh­ rungsform und

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 5.

Fig. 1 zeigt ein Meßrohr 1, das sich zwischen einem Einlauf 2 und einem Auslauf 3 erstreckt und schleifen- oder U-förmig gebogen ist. Mit Hilfe eines Schwingungs­ erregers 4 wird das Meßrohr 1 in Schwingungen versetzt. Zwei Schwingungsdetektoren 5 und 6 dienen dazu, die Meßrohrschwingungen mit Abstand vor und mit Abstand hinter dem Schwingungserreger zu erfassen. Aus den Meß­ werten, insbesondere der Phasendifferenz zwischen den beiden Meßergebnissen, läßt sich die Durchflußmenge mit hoher Genauigkeit feststellen. Dies gilt für Messungen, die nach dem Coriolis-Prinzip erfolgen ebenso wie für Messungen, bei denen die Wanderwellen in der Rohrwan­ dung eine Rolle spielen, oder eine andere Methode ange­ wendet wird, bei der es auf das Schwingen des Meßrohres ankommt.

Die Meßwerte werden in einer elektrischen Schaltung 7, die der Erregung des Schwingungserregers 4 und der Aus­ wertung der vom Schwingungsdetektor 5, 6 erfaßten Schwingungen dient, verarbeitet, um das gewünschte Durchflußmengensignal zu erzeugen. Das Meßrohr 1 befin­ det sich zusammen mit dem Schwingungserreger 4 und den Schwingungsdetektoren 5, 6 in einem Gehäuse 8, dessen Innenraum 9 evakuiert ist und im Vergleich zur Atmosphäre Unterdruck führt. Zweckmäßigerweise liegt der Druck im Innenraum 9 unter 0,1 bar. Dies in Verbin­ dung mit der Tatsache, daß das Meßrohr 1 einen sehr kleinen lichten Querschnitt von weniger als 10 mm² auf­ weist, führt zu dem gewünschten Ergebnis, daß man schon sehr kleine Durchflußmengen mit hoher Genauigkeit mes­ sen kann. Das Meßrohr 1 durchsetzt den Boden 10 des Gehäuses 8 an Einspannstellen 11 und 12. Die Einspann­ stellen sind so gewählt, daß sich dort Schwingungs-Kno­ tenpunkte des Meßrohres 1 befinden, also keine Schwin­ gungsenergie über diese Einspannstelle auf das Gehäuse übertragen wird.

In der Wand des Gehäuses 8 befindet sich eine gasdichte Steckverbindung 13, über die die elektrische Schaltung 7, wie dargestellt, mit dem Schwingungsdetektor 6, aber auch, wie nicht dargestellt, mit dem Schwingungserreger 4 und dem Schwingungsdetektor 5 verbunden ist.

Wie Fig. 2 zeigt, befindet sich im Gehäuse 8 noch ein zweites Meßrohr 101, das den gleichen Aufbau hat wie das Meßrohr 1. Die Meßrohre 1 und 101 sind über eine Kupplungsplatte 14 miteinander verbunden.

Als Schwingungserreger 4 und 104 dienen Elektromagnete, deren Erregerspule 15 mit einem der Arbeitsfrequenz entsprechenden Wechselstrom versorgt wird, während ein Anker 16, der am Meßrohr befestigt ist, die Schwin­ gungsbewegung auf das Meßrohr überträgt.

In ähnlicher Weise sind auch die Schwingungsdetektoren 6 und 106 gleichartig ausgebildet. Bei ihnen ist der am Meßrohr angebrachte Anker 17 wirksam, um in der Empfangsspule 18 eine der ermittelten Schwingungsfre­ quenz entsprechende Spannung zu erzeugen. Das zweite Meßrohr 101 wird in der gleichen Richtung wie das Meß­ rohr 1 vom zu messenden Fluid durchströmt, aber gegen­ phasig zum Meßrohr 1 in Schwingungen versetzt. Dies ergibt noch bessere Meßergebnisse.

Das Gehäuse 8 besteht aus Stahl oder einem anderen Me­ tall. Die in einen Durchbruch des Gehäuses eingesetzte gasdichte Steckverbindung 13 kann vielerlei Gestalt annehmen, beispielsweise so ähnlich ausgeführt sein, wie die elektrischen Durchführungen bei hermetisch ge­ kapselten Kleinkältemaschinen.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 sind wie­ derum die Meßrohre 1 und 101 im Innenraum 9 eines eva­ kuierten Gehäuses 8 untergebracht. In diesem Fall wird aber auf eine Leitungsdurchführung in der Gehäusewand verzichtet. Statt dessen erfolgt eine drahtlose Kopp­ lung zwischen der nicht veranschaulichten elektrischen Schaltung 7 und den im Innern des Gehäuses 8 befindli­ chen Teilen des Schwingungserregers und Schwingungsde­ tektoren.

Bei den Schwingungserregern 204 und 304 ist an der Au­ ßenseite des Gehäuses 8 eine Erregerwicklung 215, 315 vorgesehen, die in der Nähe eines für das Magnetfeld durchlässigen Fensters 219, 319 angeordnet ist und auf einen mit dem Meßrohr 1 verbundenen Anker 216, 316 ein­ wirkt. Wenn das Gehäuse 8 aus Stahl besteht, kann das Fenster 219, 319 beispielsweise aus Keramik bestehen.

Als Schwingungsdetektor 206 dient ein optisches Abtast­ system. Zu diesem Zweck sind in der Wand des Gehäuses 8 zwei Fenster 220 und 221 eingesetzt, die lichtdurchläs­ sig sind. Eine Lichtquelle 222 sendet einen Lichtstrahl 223 in das Gehäuseinnere, wo er zweimal durch einen Spiegel 224 und 225 umgelenkt wird und schließlich an der Außenseite des Fensters 221 auf einen Photodetektor 226 trifft. Am Meßrohr 1 befindet sich eine Blende 227 mit einer scharfen Kante 227, welche einen mehr oder weniger großen Teil des Lichtstrahls 223 abdeckt. Die Lichtintensität, die der Photodetektor 226 ermittelt, ist daher ein Maß für die jeweilige Amplitude des Meß­ rohres 1. Der Aufbau des Schwingungsdetektors 206a (Fig. 3) entspricht demjenigen des Schwingungsdetektors 206.

In Fig. 4 ist noch veranschaulicht, wie die scharfe Kante der Blende 227 den Lichtstrahl 223 teilweise ab­ deckt. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, den zweiten Lichtstrahl 323, der am Meßrohr 101 wirksam ist, in Gegenrichtung zum Lichtstrahl 223 laufen zu lassen, damit sich Meßfehler zumindest teilweise aufheben kön­ nen.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 sind die Schwingungserreger 404 und 504 in gleicher Weise ausge­ bildet wie in den Fig. 3 und 4. Insbesondere gibt es Fenster 219, eine Magnetspule 215 und einen zugehörigen Anker 216.

In ähnlicher Weise sind auch die Schwingungsdetektoren 405 und 406 ausgebildet, wobei ein Anker 417 am Meßrohr 1 in einer Empfangsspule 418 eine elektrische Spannung induziert. Auch hier ist ein Keramikfenster 420 in der Wand des Gehäuses 8 vorgesehen, durch welches das Zu­ sammenspiel zwischen Anker 417 und Empfangsspule 418 möglich ist. Ähnliches gilt für den Schwingungsdetektor 506 auf der gegenüberliegenden Seite, dem ein Fenster 520 zugeordnet ist.

Von den veranschaulichten Ausführungsbeispielen kann in vielfacher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grund­ gedanken der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann ein Lichtstrahl geradlinig von der Lichtquelle zum Photodetektor verlaufen, also auf die Spiegel 224 und 225 verzichtet werden. Das Durchflußmeßgerät kann auch mit einem einzigen Meßrohr 1 arbeiten. Das Meßrohr kann auch mit einem Spiegel versehen werden, der in Abhän­ gigkeit von der jeweiligen Lage des Meßrohrs eine Ab­ lenkung des Lichtstrahls bewirkt, die dann durch den Photodetektor erfaßt wird. Im Extremfall besteht nicht nur ein Fenster, sondern das gesamte Gehäuse für die zum Betrieb des Schwingungserregers und/oder Schwin­ gungsdetektors erforderliche physikalische Größe durch­ lässig.

Claims (16)

1. Durchflußmesser für kleine Mengen mit folgenden Merkmalen:

• a) zwischen einem Einlauf (2) und einem Auslauf (3) verläuft wenigstens ein Meßrohr (1; 101), das durch mindestens einen Schwingungserreger (4; 104; 204; 304; 404; 504) in Schwingung versetz­ bar ist und dessen Schwingungen durch mindestens einen Schwingungsdetektor (5, 6; 106; 206, 206a; 405, 406; 506) erfaßbar sind, wobei eine elek­ trische Schaltung (7) zur Erregung des Schwin­ gungserregers und/oder zur Auswertung der vom Schwingungsdetektor erfaßten Schwingungen vor­ gesehen ist;
• b) der lichte Querschnitt des Meßrohres (1; 101) ist kleiner als 10 mm²;
• c) das Meßrohr (1; 101) befindet sich innerhalb eines hermetisch abgeschlossenen Gehäuses (8), das gegenüber der Umgebung Unterdruck führt.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zylindrisches Meßrohr (1; 101) mit einem Innendurchmesser <3 mm vorgesehen ist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßrohr (1; 101) einen Innen­ durchmesser <1,5 mm hat.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Gehäuse (8) <0,1 bar ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schal­ tung (7) im wesentlichen außerhalb des Gehäuses (8) angeordnet und durch die Gehäusewand mit den im Gehäuseinnern befindlichen Teilen des Schwingungs­ erregers und/oder des Schwingungsdetektors gekop­ pelt ist.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gehäusewand eine gasdichte Steckverbindung (13) angeordnet ist und die Kopplung durch mindestens eine elektrische Lei­ tung, die über die Steckverbindung geführt ist, erfolgt.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gehäusewand min­ destens ein gasdichtes Fenster (219, 220, 221; 420, 520) aus einem anderen Material als die Gehäusewand angeordnet ist und daß die Kopplung drahtlos mit­ tels einer physikalischen Größe erfolgt, für die das Fenstermaterial durchlässig ist.

8. Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fenster (220, 221) strahlungs­ durchlässig ist und die Kopplung auf optische Weise erfolgt.

9. Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingungsdetektor (206) außer­ halb des Gehäuses (8) eine Lichtquelle (222) zur Abgabe eines Lichtstrahls (223) und einen Photode­ tektor (226) zur Aufnahme des Lichtstrahls aufweist und das Meßrohr (1) mit einer Blende (227) versehen ist, die den Lichtstrahl (223) teilweise abdeckt.

10. Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fenster (219, 420, 520) aus kera­ mischem Material besteht und die Kopplung über ein magnetisches Feld erfolgt.

11. Durchflußmesser nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingungserreger (204, 304; 404, 504) außerhalb des Gehäuses (8) eine mit der Erregerfrequenz betreibbare Erregerspule (215) und am Meßrohr (1) einen zugehörigen Anker (216) auf­ weist.

12. Durchflußmesser nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsdetektor (405, 406; 506) am Meßrohr (1) einen Anker (417) und au­ ßerhalb des Gehäuses (8) eine durch Induktion vom Anker her erregbare Empfangsspule (418) aufweist.

13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) als mechanische Abstützung für Schwingungserreger und/ oder Schwingungsdetektoren dient.

14. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) zwei Meßrohre (1, 101) aufweist, die gleichsinnig durch­ strömt und gegenphasig erregt werden.

15. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßrohre (1) in Schwingungs-Knotenpunkten an dem Gehäuse (8) befe­ stigt sind.

16. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Meßrohr (1; 101) im Gehäuse (8) als Coriolis-Massen-Durchflußmesser ausgelegt ist.