DE19605923A1 - Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser mit einem geraden Rohr, einer Anregungseinrichtung, die das Rohr quer zu seiner Längsrichtung antreibt, und eine Sensor­ einrichtung

Ein derartiger Durchflußmesser ist beispielsweise aus US 5 323 658 bekannt. Der dort beschriebene Durchfluß­ messer arbeitet nach dem Coriolis-Prinzip. Hierbei wir das Rohr etwa in der Mitte durch eine Anregungseinrich­ tung in Schwingungen versetzt. Beiderseits dieser Anre­ gungseinrichtung ist das Rohr mittels Einspannhilfen in einem Gehäuse eingespannt und an Einspannpunkten fest­ gelegt. Auf der der Anregungseinrichtung abgewandten Seite der Einspannpunkte sind weitere Schwingungserzeu­ ger vorgesehen, die auf das Rohr wirken, um durch eine gegenphasige Rohrbewegung eine Schwingungsausbreitung zu unterdrücken. Das Rohr selbst ist mit Hilfe von Bal­ gen in eine Meßleitung eingesetzt.

Diese Balgen machen den Durchflußmesser ungeeignet für die Durchflußmessung von Medien, die unter höheren Drücken stehen. Darüber hinaus ergibt sich bei diesem Durchflußmesser ein erheblicher Energieaustausch mit der Umgebung, d. h. mit dem Gehäuse, wobei diese abge­ führte Energie für die eigentliche Messung nicht zur Verfügung steht und sogar zur Verfälschung von Meßer­ gebnissen führen kann. Die Ansteuerung der Schwin­ gungsgeber erfordert einen erheblichen Aufwand, wenn man die Rohrenden möglichst ruhig halten will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf kosten­ günstige Art gute Meßergebnisse zu erzielen.

Diese Aufgabe wird bei einem Durchflußmesser der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Sensorein­ richtung eine Bewegungsgröße über die Länge von zwei Längenabschnitten des Rohres auf beiden Seiten der An­ regungseinrichtung ermittelt.

Damit verläßt man die bisher bekannte Art, an einer bestimmten Stelle des Rohres die Schwingung zu messen. Diese Schwingung war in ungünstigen Fällen vielfach fehlerbehaftet, was das Meßergebnis verfälscht hat. Man ermittelt nun vielmehr die Bewegungsgröße des Rohres über die Länge von zwei Längenabschnitten, wobei sich Fehler vielfach gegenseitig ausgleichen. Man nutzt hierbei das physikalische Prinzip aus, daß ein Impuls, der in das das Rohr durchströmende Fluid eingebracht wird, erhalten bleibt. Allerdings wird dieser Impuls, den man auch als "Bewegungsmenge" bezeichnen kann, sich aufgrund des strömenden Mediums im Rohr nicht mehr ge­ nau an einem Punkt lokalisieren lassen. Dies ist aber unkritisch, weil man nunmehr die Bewegungsgröße des Rohres über eine gewisse Länge ermittelt. Die Bewe­ gungsgröße kann die Geschwindigkeit, die örtliche Ver­ lagerung oder die Beschleunigung sein. Im Zusammenhang mit der zeitlichen Abhängigkeit einer dieser Bewegungs­ größen kann man den gesamten Impuls problemlos ermit­ teln.

Vorzugsweise ermittelt die Sensoreinrichtung einen Mit­ telwert der Bewegungsgröße eines jeden Längenab­ schnitts. Dieser Mittelwert ist auf die Länge des Län­ genabschnitts bezogen. Es reicht im allgemeinen aus, den Mittelwert des Impulses auf beiden Seiten der Anre­ gungseinrichtung zu kennen. Eine genaue Lokalisierung ist nicht notwendig. Aus der Differenz zwischen den beiden Längenabschnitten vor und nach der Anregungsein­ richtung läßt sich dann auf die durchgeflossene Menge des Fluids oder des Mediums schließen.

Mit Vorteil weist die Sensoreinrichtung einen der Anre­ gungseinrichtung zugeordneten Sensor auf, der einen Ruhezeitpunkt des Rohres ermittelt. Damit läßt sich diskret jeder Impuls, der von der Anregungseinrichtung abgegeben wird, ermitteln. Dieser Impuls erstreckt sich dementsprechend vom Anfang der Anregung, der durch die Anregungseinrichtung festgelegt wird, bis zum Ende, das durch den Ruhezeitpunkt des Rohres bestimmt wird. Der Ruhezeitpunkt des Rohres ist der Zeitpunkt, an dem sich das Rohr nicht mehr bewegt.

Vorzugsweise ermittelt die Sensoreinrichtung die Bewe­ gungsgröße zu dem Zeitpunkt, an dem das Rohr an seiner Antriebsstelle in Ruhe ist. Der der Anregungseinrich­ tung zugeordnete Sensor legt also den Zeitpunkt fest, zu dem die Impulse auf beiden Seiten der Anregungsein­ richtung ermittelt werden.

Vorzugsweise gibt die Anregungseinrichtung jeweils ei­ nen Anregungsimpuls ab. Damit wird nach jedem Anre­ gungsimpuls die durchgeflossene Masse ermittelt. Man erhält zwar nur diskrete Messungen an verschiedenen Zeitpunkten. Da diese Messungen aber in sehr kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgen, ergibt sich wieder eine quasi kontinuierliche Messung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Anregungs­ impuls zeitlich auf eine Länge begrenzt, innerhalb der eine Bewegung des Rohres noch keines seiner Enden er­ reicht hat. Damit besteht keine Gefahr, daß eine der­ artige Bewegung des Rohres an seinen Enden reflektiert wird. Eine derartige Reflexion kann unter Umständen zu einer Verfälschung der Bewegung der beiden Längenab­ schnitte auf beiden Seiten der Anregungseinrichtung führen. Unter "Enden" des Rohres sollen die Einspann­ stellen verstanden werden, also die Positionen, an de­ nen das Rohr festgehalten wird und an denen sich Refle­ xionen ergeben können. Die Länge der Anregungsimpulse muß hierbei zwar recht kurz gewählt werden. Sie ist unter anderem von den Parametern des Rohres abhängig. Eine derart kurze Anregung hat aber andererseits den Vorteil, daß die Messungen schnell aufeinanderfolgen können, so daß eine quasi kontinuierliche Messung mög­ lich wird.

Bevorzugterweise steht das Rohr unter Zugspannung. Mit einer derartigen Zugspannung läßt sich die Ausbreitung der Wellen auf dem Rohr, die durch die Anregungsimpulse erzeugt werden, verbessern. Über die Stärke der Zugspannung läßt sich die Art der Ausbildung der Wellen verändern, insbesondere im Hinblick auf Wellenlänge, Phasengeschwindigkeit und/oder Frequenz, so daß man eine für die Messung geeignete Wellenausbildung erzeu­ gen kann. Insbesondere läßt sich die Geschwindigkeit hiermit so anpassen, daß die Wellen bis zum Zeitpunkt der Messung die Enden des Rohres beziehungsweise die Einspannstellen noch nicht erreicht haben. Damit werden eventuelle Reflexionen von diesen Einspannstellen ver­ hindert, wodurch sich eine Verfälschung des Meßsignals vermeiden läßt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vor­ gesehen, daß das Rohr mit Hilfe von Federn in einem Gehäuse befestigt ist. Diese Federn haben zum einen die Aufgabe, die notwendige Zugspannung zu erzeugen. Sie ermöglichen aber andererseits auch eine flexible Lage­ rung des Rohres in dem Gehäuse.

Mit Vorteil weist das Rohr eine geringe Biegesteifig­ keit auf. Bei einer geringen Biegesteifigkeit ist die Ausbreitung der Wellen prägnanter. Man erhält also mit kleineren Anregungsimpulsen bereits deutliche Signale, die mit Hilfe der Sensoreinrichtung aufgenommen werden können. Hierdurch kann die Sensoreinrichtung mit einer geringeren Empfindlichkeit ausgebildet werden.

Vorzugsweise ist das Rohr aus einem Kunststoff gebil­ det. Mit einem Kunststoff läßt sich die gewünschte ge­ ringe Biegesteifigkeit bei gleichzeitiger hoher Druck­ festigkeit erreichen.

Vorteilhafterweise ist eine Leiteranordnung parallel zum Rohr gehalten, und ein Magnetfeld weist eine senk­ recht zu der Leiteranordnung gerichtete Komponente auf. Auf diese Weise läßt sich mit einfachen Mitteln die Bewegungsgröße, genauer gesagt, ihr örtlicher Durchschnitts- oder Mittelwert, über eine Länge des Rohres ermitteln. Wenn nämlich ein Leiter in einem Ma­ gnetfeld bewegt wird, entsteht eine Spannung, die nach dem Induktionsgesetz (zweite Maxwellsche Gleichung) proportional zu der örtlichen Geschwindigkeit der Lei­ teranordnung und der senkrecht dazu verlaufenden Kom­ ponente des Magnetfeldes ist. Die zwischen beiden Enden der Leiteranordnung gemessene Spannung ergibt dann un­ mittelbar eine Aussage über den Mittelwert der Ge­ schwindigkeit der Leiteranordnung und damit des Längs­ abschnitts des Rohres, die man ermitteln möchte.

In einer anderen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann die Sensoranordnung zwei sich in Längsrichtung er­ streckende Piezowandler aufweisen. Diese Piezowandler können beispielsweise aus diskreten, aufeinander ange­ ordneten Piezoelementen gebildet sein, die in Längs­ richtung des Rohres gestapelt sind. Es ist aber auch möglich, ein durchgehendes Piezoelement über die Länge des Längsabschnitts des Rohres zu erstrecken. Hier er­ geben sich bei unterschiedlichen Auslenkungen des Roh­ res unterschiedliche Kompressionen der Piezoelemente und damit unterschiedliche elektrische Spannungen, die wiederum eine Aussage über die Geschwindigkeit bezie­ hungsweise die Beschleunigung, die sich in einer Kraft ausdrückt, des Rohres erlauben. Wenn das Rohr ausge­ lenkt wird, wird der Piezowandler auf einer Seite kom­ primiert und auf der anderen Seite entlastet. Bei ent­ sprechender Anpassung der Wellenlänge kann man davon ausgehen, daß die Auslenkung einen ausreichenden Zusam­ menhang mit dem wandernden Impuls aufweist.

Vorzugsweise sind hierbei die Piezowandler über Ab­ standshalter am Rohr befestigt. Durch diese Abstands­ halter wird bei einer Auslenkung oder Durchbiegung des Rohres die Kompression beziehungsweise die Entlastung der Piezowandler verstärkt. Auf diese Weise läßt sich ein Signal mit einer geringeren Störanfälligkeit gewin­ nen.

Alternativ oder zusätzlich zu den bisher dargestellten Ausführungsformen kann die Sensoreinrichtung einen ka­ pazitiven Sensor aufweisen. Auch mit einem derartigen kapazitiven Sensor läßt sich die Bewegungsgröße über einen Längenabschnitt des Rohres ermitteln und gleich­ zeitig ausmitteln. Hierbei macht man sich die Erkennt­ nis zunutze, daß jede Kapazität im Prinzip durch eine Parallelschaltung von vielen Einzelkapazitäten be­ schrieben werden kann. Die Gesamtkapazität ergibt sich dann durch die Addition der Einzelkapazitäten. Wenn man nun diese Einzelkapazitäten entlang des Rohres ver­ teilt, gibt die Gesamtkapazität eine einfach zu gewin­ nende, aber relativ genaue Aussage über die Bewegung, die das Rohr, genauer gesagt, der betreffende Rohrab­ schnitt, im Mittel ausführt. Die Einzelkapazitäten müs­ sen hierbei nicht konkret ausgebildet sein. Man kann auch eine Gesamtkapazität über den Längenabschnitt des Rohres ermitteln.

Hierbei ist von Vorteil, wenn das Rohr mit einem elek­ trischen Leiter versehen ist, der einem Sekundärleiter benachbart angeordnet ist, wobei zwischen dem Leiter und dem Sekundärleiter eine Potentialdifferenz anliegt. Der Leiter bildet dann zusammen mit dem Sekundärleiter die gewünschte Kapazität. Die Potentialdifferenz er­ laubt es auf einfache Art und Weise, das Meßsignal über eine Ladungsänderung zu gewinnen.

Vorzugsweise weist hierbei der Sekundärleiter eine Plattenform auf, und der Leiter erstreckt sich über zumindest einen Teil des Umfangs des Rohres. Hierbei kann auch der Leiter eine Plattenform aufweisen, d. h. er muß sich in Umfangsrichtung nicht an die Umfangsflä­ che des Rohres anschmiegen. Je größer die Platten sind, desto größer ist die Kapazität dieser Anordnung und desto genauer lassen sich Kapazitätsänderungen ermit­ teln. Auch auf diese Weise läßt sich ein relativ stö­ rungsfreies Meßsignal ermitteln.

Vorteilhafterweise sind in Bewegungsrichtung des Rohres auf beiden Seiten ein Leiter und ein Sekundärleiter angeordnet. Man kann also prüfen, ob einem Zuwachs der Kapazität auf einer Seite eine entsprechende Verminde­ rung der Kapazität auf der anderen Seite gegenüber­ steht. Nur wenn beide Bedingungen gegeben sind, ist die Messung zutreffend. Darüber hinaus stehen auf diese Weise zwei Meßsignale zur Verfügung, die man entweder getrennt oder zusammengefaßt auswerten kann, um ein Meßsignal mit einer höheren Auflösung zu gewinnen.

Mit Vorteil ist der Leiter durch eine Beschichtung oder eine Armierung des Rohres gebildet. Bei einer Beschich­ tung läßt sich der Leiter relativ leicht aufbringen und kontrollieren. Bei einer Armierung kann man zusätzlich den Vorteil gewinnen, daß das Rohr dadurch stärker ge­ gen Drücke belastbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.

Ein Durchflußmesser 1 weist ein Rohr 2 auf, das aus einem leicht biegbaren Material besteht, beispielsweise aus Kunststoff. Das Rohr 2 ist mit Hilfe zweier Flan­ sche 3, 4 in einem Gehäuse 5 angeordnet, wobei zwischen den Flanschen 3, 4 und dem Gehäuse 5 Zugfedern 6, 7 angeordnet sind, die das Rohr 2 unter einer gewissen Zugspannung halten. Mit Hilfe der Zugfedern 6, 7 kann man die Zugspannung einstellen.

Die Biegesteifigkeit des Rohres 2 ist, wie gesagt, re­ lativ gering, so daß das Rohr 2 nach Art einer gespann­ ten Saite im Gehäuse 5 schwingen kann.

Etwa in der Mitte des Rohres ist eine Anregungseinrich­ tung 8 angeordnet, die mit Hilfe eines Stößels 9 dem Rohr 3 eine impulsförmige Anregung vermittelt. Hierbei kann die Anregungseinrichtung 8 als elektromagnetischer Treiber ausgebildet sein, dessen Kraft proportional zum Antriebsstrom ist.

Gegenüberliegend zur Anregungseinrichtung 8 ist ein Sensor 10 angeordnet, der die Bewegung des Rohres 2 an der Position ermittelt, an der auch die Anregungsein­ richtung 8 angreift.

Auf beiden Seiten der Anregungseinrichtung 8 ist je­ weils ein weiterer Sensor 11, 12 angeordnet, der die Bewegung des Rohres 2 über die Länge von den beiden Längenabschnitten des Rohres ermittelt, die beiderseits der Anregungseinrichtung 8 angeordnet ist. Bei der Aus­ führungsform nach Fig. 1 besteht die Sensoreinrichtung 11 aus zwei parallel zum Rohr 2 gehaltenen Leitern 13, 14, die gemeinsam und synchron mit dem Rohr 2 bezie­ hungsweise einem Rohrabschnitt 18, 19 in einem Magnet­ feld bewegbar sind, das durch Pfeile 15, 16 angedeutet ist. Das Magnetfeld 15, 16 wird durch eine Magnetfeld­ erzeugungseinrichtung 17 bereitgestellt, die beispiels­ weise durch Spulen oder auch durch Permanentmagnete gebildet sein kann. Selbstverständlich schließt sich das Magnetfeld 15, 16. Der Rest des Magnetfeldes ist aber für die vorliegende Betrachtung unwesentlich.

Da das Rohr 2 aus Kunststoff gebildet ist, beeinflußt es die Messung nicht. In den Leitern 13, 14 hingegen wird entsprechend dem Induktionsgesetz bei der Bewegung im Magnetfeld 15, 16 eine Spannung erzeugt, die dem Vektorprodukt aus Geschwindigkeit und Magnetfeld pro­ portional ist. Wenn man die Spannung zwischen den bei­ den Enden der Leiter 13, 14 abnimmt, erhält man, ein konstantes Magnetfeld 15, 16 vorausgesetzt, einen Mit­ telwert über die Geschwindigkeit der Bewegung des Roh­ res in den Abschnitten 18, 19. Hierbei ist zu beachten, daß im vorliegenden Fall die Sensoreinrichtungen 11, 12 die gesamte Länge zwischen der Anregungseinrichtung 8 und den Einspannstellen, die durch die Flansche 3, 4 gebildet werden, abdeckt.

In Fig. 1 ist das Magnetfeld 15, 16 senkrecht zur Zei­ chenebene gerichtet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde daher auf die Darstellung der Magnetfelderzeu­ gungseinrichtung 17 in Fig. 1 verzichtet.

Wenn das Rohr 2 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, kann man selbstverständlich auch auf die Leiter 13, 14 verzichten und das Rohr 2 selbst zum Ab­ griff der geschwindigkeitsproportionalen Spannung ver­ wenden.

Ferner ist eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen, die die Anregungseinrichtung 8 antreibt und hierbei den zum Antrieb verwendeten Strom ermittelt. Die Steuereinrich­ tung 20 wertet weiterhin das Ausgangssignal des Sensors 10 aus, der der Anregungseinrichtung 8 gegenüberliegend angeordnet ist. Weiterhin wertet die Steuereinrichtung 20 die Ausgangssignale der Sensoreinrichtungen 11, 12 aus, d. h. die geschwindigkeitsproportionalen Spannungen in den Leitern 13, 14.

Anstelle der einzeln dargestellten Leiter 13, 14 können natürlich auch eine Vielzahl von Leitern verwendet wer­ den, die parallel zum Rohr 2 angeordnet festgelegt sind. Die in Fig. 2 gewählte Darstellung dient ledig­ lich der besseren Übersichtlichkeit.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Durchflußmessers 1, bei der gleiche Elemente mit glei­ chen Bezugszeichen und abgewandelte Elemente mit ge­ strichenen Bezugszeichen versehen worden sind. Die Steuereinrichtung 20 wurde aus Gründen der Übersicht­ lichkeit weggelassen.

Auch hier sind wieder beiderseits der Anregungseinrich­ tung 8 Sensoreinrichtungen 11′, 12′ vorgesehen, die bei der Ausführungsform nach Fig. 3 allerdings durch Piezo­ elemente 22 gebildet sind, die über Abstandshalter 23 am Rohr befestigt sind. Genauer gesagt sind insgesamt vier Piezowandler 22 vorgesehen, und zwar links und rechts der Anregungseinrichtung 8 und ober- und unter­ halb des Rohres 2. Die Piezowandler 22 können auch durch Stapel von einzelnen Piezoelementen gebildet wer­ den, die in Längsrichtung des Rohres 2 gestapelt sind. Wenn das Rohr 2 ausgelenkt wird, werden die Piezowand­ ler auf einer Seite des Rohres 2 komprimiert, nämlich dort, wo sich das Rohr 2 konkav biegt, und auf der an­ deren konvexen Seite entlastet. Die Piezoelemente geben eine ihrer Kompression proportionale Spannung ab. Auch hierdurch läßt sich also eine über die Länge der Ab­ schnitte gemittelte Größe abnehmen, die der Bewegung der Abschnitte 18, 19 proportional ist, genauer gesagt, deren Mittelwert.

Fig. 4 zeigt einen Durchflußmesser 1′′ in einer Schnitt­ ansicht, die im wesentlichen der von Fig. 2 entspricht. Gegenüber den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 hat sich hier geändert, daß die Sensoreinrichtung 11′′ als kapazitiver Sensor ausgebildet ist. Selbstverständ­ lich sind in Durchflußrichtung des Rohres 2, wie dies in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, auf beiden Seiten der Anregungseinrichtung 8 derartige kapazitive Senso­ ren 11′′ vorgesehen.

Der kapazitive Sensor 11′′ ist versehen mit zwei Platten 24, 25, die in Bewegungsrichtung des Rohres 2, die hier durch einen Doppelpfeil 26 dargestellt ist, auf beiden Seiten des Rohres 2 angeordnet sind. Beide Platten 24, 25 werden mit Hilfe von Spannungsquellen 27, 28 auf ein bestimmtes Potential gebracht, wobei dieses Potential unterschiedlich sein kann, wie in Fig. 4 dargestellt, wo die Platte 24 auf positivem Potential und die Platte 25 auf negativem Potential gehalten wird, jeweils bezo­ gen auf ein Massepotential. Die Platten 24, 25 werden als Sekundärleiter bezeichnet.

Das Rohr 2 ist mit einem Leiter 29 versehen, der eben­ falls auf beiden Seiten des Rohres 2 angeordnet und plattenförmig ausgebildet ist. Der Leiter 29 kann aber auch als Beschichtung des Rohres 2 oder als Armierung ausgebildet sein, so daß er der Oberfläche des Rohres 2 in Umfangsrichtung folgt. Der Leiter 29 ist mit einer Meßverstärkeranordnung 30 verbunden, die ebenfalls mit einem Masseanschluß verbunden ist.

Wenn sich das Rohr 2 in Richtung des Doppelpfeiles 26 bewegt, ändert sich die Kapazität zwischen den Platten 24, 25 und dem Leiter 29. Wenn das Potential konstant gehalten wird, führt dies zu einer Ladungsänderung auf dem Leiter 29, die mit Hilfe des Meßverstärkers 30 er­ faßt werden kann.

Sowohl die Platten 24, 25 als auch der Leiter 29 er­ strecken sich über die Länge jeweils eines Rohrab­ schnitts 18, 19, so daß auf diese Weise die Bewegung des Rohres in Richtung des Doppelpfeiles 26 ermittelt und gleichzeitig ausgemittelt werden kann.

Der Durchflußmesser arbeitet nach folgendem Funktions­ prinzip:

Wenn die Anregungseinrichtung 8 das Rohr 2 auslenkt, erhält das Rohr 2 einen Impuls oder eine Bewegungsmen­ ge, die proportional dem Integral der zugeführten Kraft über die Zeit ist. Mathematisch läßt sich das wie folgt beschreiben:

Hierbei bedeutet M die Masse, v die Geschwindigkeit und F die zugeführte Kraft. T ist das Ende der Integra­ tionsperiode. Die Indizes y1 und y3 bezeichnen die Ori­ entierung der Geschwindigkeit v an den Längsabschnitten 18, 19. Der Querstrich deutet an, daß es sich um eine gemittelte Größe handelt. Der Index (m+r) zeigt, daß es sich bei der Größe ρ um die gemeinsame Masse bezie­ hungsweise Dichte aus Rohr und im Rohr aufgenommenem Medium handelt.

Solange das Medium im Rohr stationiert ist, wird sich der durch die Anregungseinrichtung 8 erzeugte Impuls in Form einer Welle nach beiden Seiten gleichartig auf dem Rohr 2 fortpflanzen. Hierbei muß lediglich vorausge­ setzt werden, daß das Rohr 2 beiderseits der Anregungs­ einrichtung 8 die gleichen Eigenschaften aufweist, also keine größeren Inhomogenitäten im Hinblick auf bei­ spielsweise Steifigkeit, Dicke oder ähnliches aufweist.

Wenn allerdings das Medium durch das Rohr 2 strömt, wird sich die Bewegung nicht mehr gleichförmig von der Anregungseinrichtung 8 aus nach beiden Seiten ausbrei­ ten. Der Anteil des Impulses, der vom durchströmenden Medium aufgenommen wird, wird seine Bewegungsenergie vielmehr in den Abschnitt des Rohres 2 eintragen, der in Strömungsrichtung hinter der Anregungseinrichtung 8 liegt. Hierdurch ergibt sich ein Unterschied ΔMv des Impulses, der das Zweifache des verlagerten Impulses beziehungsweise der verlagerten Bewegungsmenge aus­ macht:

Hierbei beschreibt der Index y nach wie vor die Bewe­ gung quer zur Längserstreckung des Rohres, während der Index x die Bewegung in Längserstreckung des Rohres beinhaltet. D steht für den Durchmesser des Rohres, so daß der Ausdruck

den Strömungsquerschnitt des Rohres beschreibt. Falls ein anderer, d. h. von der Kreisform abweichender, Quer­ schnitt des Rohres vorhanden ist, muß hier ein anderes Flächenmaß eingesetzt werden.

Ein Teilen der beiden obigen Gleichungen ergibt folgen­ des:

woraus man durch Umformen erhält:

Der Ausdruck auf der linken Seite ist dann der Massen­ strom.

Wie man aus der Gleichung (4) erkennen kann, muß man lediglich einige wenige Größen messen, um die notwendi­ gen Eingangsdaten für die Lösung der Gleichung zur Ver­ fügung zu haben. Diese Größen sind:

Die Geschwindigkeiten der Abschnitte 18, 19 quer zur Strömungsrichtung sowie die Geschwindigkeit v_y2 des Roh­ res im Bereich der Anregungsstelle. Ferner muß die Kraft F ermittelt werden.

Es ist ersichtlich, daß die Integrale von einem Zeit­ punkt 0 bis zu einem Zeitpunkt T ausgewertet werden. Der Zeitpunkt T wird dahin bestimmt, daß das Rohr 2 nach einer Anregung durch die Anregungseinrichtung 8 am Zeitpunkt 0 zu diesem Zeitpunkt T wieder in Ruhe ist. Mit anderen Worten ist das Rohr 2 nach einer Anregung zu diesem Zeitpunkt wieder vollständig abgebremst wor­ den. Damit läßt sich durch das Integral der Kraft über die Zeit in einer derartigen Periode der Impuls ermit­ teln.

Die Geschwindigkeiten _y1 und _y3 werden mit Hilfe der Sensoreinrichtungen 11, 12 ermittelt. Die Geschwindig­ keit v_y2 wird mit Hilfe des Sensors 10 ermittelt. An­ statt die Geschwindigkeit zu integrieren, kann man bei Verwendung eines entsprechenden Sensors 10 auch das Integral der Spannung des Sensors 10 auswerten:

Schließlich kann man, wie oben bereits erwähnt, auch die Kraft dadurch ermitteln, daß man den Strom mißt. Damit gilt:

Die Größen Ψ_S und Ψ_D sind Proportionalitätsfaktoren.

Damit läßt sich der Massenfluß _m nach der folgenden Gleichung ermitteln:

Diese Größe kann auf einer Anzeigeeinrichtung 21 ange­ zeigt oder auf andere Weise weiterverarbeitet werden.

Eine derartige Massenstromermittlung ist relativ stör­ unanfällig. Sie kommt mit relativ einfachen Mitteln aus, um die Massenströmung zu ermitteln.

Jede Messung beschränkt sich auf eine Periode. Man war­ tet also ab, bis die Rohrmitte nach einer Anregung durch die Anregungseinrichtung 8 wieder zum Stillstand gekommen ist. Zu diesem Zeitpunkt ermittelt man die Geschwindigkeiten der beiden Rohrabschnitte 18, 19, genauer gesagt, ihre mittlere Geschwindigkeit. Aus der Impulsdifferenz läßt sich mit hoher Zuverlässigkeit der Massendurchfluß gewinnen.

Claims (18)

1. Durchflußmesser mit einem geraden Rohr, einer Anre­ gungseinrichtung, die das Rohr quer zu seiner Längsrichtung antreibt, und eine Sensoreinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11, 12; 11′, 12′) eine Bewegungsgröße über die Länge von zwei Längenabschnitten (18, 19) des Roh­ res (2) auf beiden Seiten der Anregungseinrichtung (8) ermittelt.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11, 12; 11′, 12′) einen Mittelwert der Bewegungsgröße eines je­ den Längenabschnitts (18, 19) ermittelt.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11, 12; 11′, 12) einen der Anregungseinrichtung (8) zuge­ ordneten Sensor (10) aufweist, der einen Ruhezeit­ punkt des Rohres (2) ermittelt.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoreinrichtung (11, 12; 11′, 12′) die Bewegungsgröße zu dem Zeitpunkt ermittelt, an dem das Rohr (2) an seiner Antriebsstelle in Ruhe ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrich­ tung (8) jeweils einen Anregungsimpuls abgibt.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anregungsimpuls zeitlich auf eine Länge begrenzt ist, innerhalb der eine Bewegung des Rohres (2) noch keines seiner Enden (3, 4) erreicht hat.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) unter Zug­ spannung steht.

8. Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (2) mit Hilfe von Federn (6, 7) in einem Gehäuse (5) befestigt ist.

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) eine ge­ ringe Biegesteifigkeit aufweist.

10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) aus einem Kunststoff gebildet ist.

11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiteranordnung (13, 14) parallel zum Rohr (2) gehalten ist und ein Magnetfeld (15, 16) eine senkrecht zu der Leiter­ anordnung gerichtete Komponente aufweist.

12. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (11′, 12′) zwei sich in Längsrichtung erstreckende Piezowandler (22) aufweist.

13. Durchflußmesser nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Piezowandler (22) über Ab­ standshalter (23) am Rohr (2) befestigt sind.

14. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung einen kapazitiven Sensor (11′′) aufweist.

15. Durchflußmesser nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (2) mit einem elektrischen Leiter (29) versehen ist, der einem Sekundärleiter (24, 25) benachbart angeordnet ist, wobei zwischen dem Leiter (29) und dem Sekundärleiter (24, 25) eine Potentialdifferenz anliegt.

16. Durchflußmesser nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sekundärleiter (24, 25) eine Plattenform aufweist und der Leiter (29) sich über zumindest einen Teil des Umfangs des Rohres (2) erstreckt.

17. Durchflußmesser nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Bewegungsrichtung (26) des Rohres (2) auf beiden Seiten ein Leiter (29) und ein Sekundärleiter (24, 26) angeordnet ist.

18. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (29) durch eine Beschichtung oder eine Armierung des Rohres (2) gebildet ist.