DE19738332A1 - Mengenstrom-Meßgerät - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mengenstrom- bzw. Massendurchfluß-Meßgerät, das dazu benutzt wird, die Mengenstromrate eines wenigstens ein schwingendes Meßrohr durchströmen­ den Fluids auf der Basis der zur Mengenstromrate proportional erzeugten Coriolis-Kraft zu messen.

Coriolis-Mengenstrom-Meßgeräte ermöglichen eine sehr präzise Messung der Mengenstromrate, da diese Meßgeräte den Mengenstrom direkt auf der Basis der Coriolis-Kraft messen, die proportional zum Mengenstrom eines ein oder mehrere schwingende Meßrohre durchströmenden Fluids gemessen wird. Grundsätzlich kann diese Art Mengenstrom-Meßgerät in zwei Klassen unterteilt werden. Eine Klasse umfaßt Meßgeräte mit einem oder mehreren gekrümmten, etwa U- oder S-förmigen Meßrohren, und die andere Klasse Meßgeräte mit einem oder mehreren geraden Meßrohren. Herkömmliche Mengenstrom-Meßgeräte enthalten ein Meßrohr oder zwei Meßrohre, die so parallel angeordnet sind, daß das Fluid proportional verteilt wird, oder die im Tandem verbunden sind und in Schwingungen versetzt werden (JP-6-46167 B).

Ein Mengenstrom-Meßgerät mit einem Meßrohr ist in der Europäischen Patentanmeldung 96 200 635.9 vorgeschlagen. Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht dieses Meßgeräts. Es enthält eine Traganordnung aus einem Stab 4 in Form eines zylindrischen Rohrs und Tragstopfen oder Trägern 3a, 3b, mittels derer ein Meßrohr 2 an seinem beiden Enden gehalten wird, einen Schwingungserzeuger 5, um das Meßrohr 2 in Schwingungen zu versetzen, zwei Schwingungs­ sensoren 6a, 6b zur Erfassung der Schwingung des Meßrohrs 2, ein Einlaßrohr 7a zur Zuführung des Fluids, dessen Mengenstromrate zu messen ist, zu dem Meßrohr 2, ein Auslaßrohr 7b zur Ableitung des Fluids aus dem Meßrohr 2, und ein diese Teile aufnehmendes Gehäuse 8. Bei diesem vorgeschlagenen Meßgerät wird eine sehr stabile Schwingung mit großem Störabstand (Signal/Rauschverhältnis) dadurch erreicht, daß die Frequenz der in dem Meßrohr erzeugten Coriolis-Schwingung höher als die Eigenfrequenz der Traganordnung eingestellt wird. Beispiels­ weise wird die Coriolis-Schwingungsfrequenz auf das √2fache oder mehr, vorzugsweise das Doppelte der Eigenfrequenz der Traganordnung eingestellt.

Die Auswirkungen der Erregung der Coriolis-Schwingung bei einer höheren Frequenz als der Eigenfrequenz der Traganordnung werden noch dadurch verstärkt, daß die Phasendifferenz zwischen dem stromab gelegenen und dem stromauf gelegenen Schwingungssensor ausgenutzt wird und Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren als die Schwingungssensoren eingesetzt werden.

Die Coriolis-Schwingungsfrequenz des Meßrohrs kann dadurch höher als die Eigenfrequenz der Traganordnung angestellt werden, daß man die Resonanzfrequenz der Traganordnung senkt oder Oberschwingungen der Eigenschwingung des Meßrohrs, beispielsweise die dritte oder die fünfte Oberschwingung, als Coriolis-Schwingung in dem Meßrohr anregt.

Wenn jedoch für Meßrohre, die aus verschiedenen Gründen mit unterschiedlichen Durchmessern versehen sind, eine Oberschwingung verwendet wird, ist es nicht immer möglich, die Eigenfre­ quenz einer nicht mit störenden Schwingungsmodi überlagerten Oberschwingung des Meßrohrs so einzustellen, daß sie höher als die Frequenz der Eigenschwingung der Traganordnung wird.

Wenn beispielsweise die Steifigkeit der Traganordnung durch Verringern von deren Dicke reduziert wird, führt dies in der Regel dazu, daß die Kennwerte wie etwa die Eigenschwingungs­ frequenzen in Umfangsrichtung der Traganordnung geringer werden, und es besteht die Tendenz, daß die Eigengrundschwingung mit verringerter Frequenz in Umfangsrichtung der Traganordnung und eine Oberschwingung, zum Beispiel die dritte Oberschwingung, der Eigen­ biegeschwingung, miteinander interferieren. Die Vergrößerung der Masse der Traganordnung bewirkt einen komplizierten Aufbau, der außerdem die Kosten des Meßgeräts erhöht. Alternativ müßte eine ganz unrealistisch schwere Masse verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mengenstrom-Meßgerät mit einfachem Aufbau zu schaffen, das sich mit geringen Kosten herstellen läßt. Dabei soll die Coriolis-Schwingungsfrequenz leicht höher als die Eigenschwingungsfrequenz der Traganordnung einstellbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Mengenstrom-Meßgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird, wird mit der Erfindung ein Mengenstrom-Meßgerät geschaffen, das leicht ist, einen einfachen Aufbau aufweist und einfach zu benutzen ist, und bei dem die Zuverlässigkeit und die Meßgenauigkeit erhöht sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht des in der Beschreibungseinleitung erwähnten vorgeschlagenen Mengenstrom-Meßgeräts.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Mengenstrom- Meßgeräts gemäß der Erfindung.

Gemäß Darstellung in Fig. 1 ist ein gerades Meßrohr 2 an seinen beiden Enden mit Befestigungs­ stopfen oder Trägern 3c bzw. 3d verlötet oder verschweißt. Die Träger 3c und 3d sind mit einem Stab 4 in Form eines zylindrischen Rohrs verbunden, um die Schwingungen der Träger 3c, 3d in der Schwingungsrichtung des Meßrohrs 2 aufzuheben. Die Träger 3c, 3d und der Stab 4 bilden eine Traganordnung, welche die beiden Enden des Meßrohrs 2 verbindet.

Ein Schwingungserzeuger 5 enthält einen im mittleren Teil des Meßrohrs 2 montierten Magnet und eine am Stab 4 befestigte Spule und dient dazu, das Meßrohr 2 in Schwingungen zu versetzen. Zwei magnetische Aufnehmer, beispielsweise Geschwindigkeitssensoren, 6a und 6b enthalten jeweils einen an dem Meßrohr 2 montierten Magnet und eine an dem Stab 4 befestigte Spule. Die Aufnehmer dienen dazu, die Schwingung des Meßrohrs 2 zu erfassen. Die Magnete der Aufnehmer 6a, 6b sind symmetrisch zu beiden Seiten des Schwingungserzeugers 5 angeord­ net. In Fig. 1 sind zwei Schwingungsaufnehmer oder Sensoren dargestellt, es können aber so viele wie nötig eingesetzt werden.

Ein Einlaßrohr 7a und ein Auslaßrohr 7b sind einstückig mit dem Meßrohr 2 ausgebildet. Das Einlaßrohr 7a und das Auslaßrohr 7b sind mit jeweiligen Stirnflächen eines Gehäuses 8 verbun­ den. Das Fluid, dessen Mengenstromrate zu messen ist, gelangt über das Einlaßrohr 7a in das Meßrohr 2, durchströmt dieses und strömt durch das Auslaßrohr 7b aus. Das Gehäuse 8 enthält all die vorgenannten Elemente. Es ist mit Flanschen 9a und 9b verschraubt oder verschweißt. Mit der Bezugszahl 20 ist eine Treiberschaltung bezeichnet, während 21 eine Signalverarbei­ tungsschaltung des Phasendifferenzdetektortyps darstellt.

Von der Treiberschaltung 20 und dem Schwingungserzeuger 5 wird eine Coriolis-Schwingung bei der Frequenz der dritten Oberschwingung der Eigenschwingung des Meßrohrs 2 angeregt.

Die bisher erfolgte Beschreibung der Fig. 1 stellt zugleich eine zusätzliche Erläuterung des Meßgeräts von Fig. 3 dar.

Die Coriolis-Schwingungsfrequenz des Meßrohrs 2 wird von dessen äußerer Form, Dicke und Länge zwischen den Trägern 3c und 3d (das heißt der Länge zwischen den Pfeilen A und B in Fig. 1, nachfolgend als Schwingungslänge des Meßrohrs bezeichnet) bestimmt. Bei dem Meßgerät von Fig. 3 ist die so definierte Schwingungslänge des Meßrohrs 2 gleich der Länge des Stabs 4 (der Länge zwischen den Pfeilen C und D in Fig. 1, nachfolgend als Schwingungslänge der Traganordnung bezeichnet).

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Meßgerät sind dagegen die Träger 3c und 3d in ihren mit dem Meßrohr 2 verbundenen Abschnitten dicker bzw. mit größerer Axiallänge ausgebildet als in den mit dem Stab 4 verbundenen Abschnitten. Die dickeren Abschnitte der Träger 3c, 3d sind einander zugewandt derart, daß die Schwingungslänge des Stabs 4 größer ist als diejenige des Meßrohrs 2, um dadurch die Eigenschwingungsfrequenz des Stabs 4 niedriger als die Coriolis- Schwingungsfrequenz des Meßrohrs 2 einzustellen.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem es sich um eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels handelt.

Wie sich aus einem Vergleich der Fig. 1 und 2 ergibt, unterscheidet sich das Meßgerät nach Fig. 2 von demjenigen nach Fig. 1 nur in der Art der Ausbildung der Träger. Die in Fig. 2 mit 3e und 3f bezeichneten Befestigungsstopfen oder Träger sind in gleicher Weise wie die Träger 3c und 3d in Fig. 1 angeordnet. Die Träger 3e und 3f sind nahezu gleich wie die entsprechenden Träger 3c und 3d ausgebildet mit der Ausnahme, daß bei den Trägern 3e und 3f Ausschnitte 10 um die jeweiligen Durchgangslöcher herum ausgebildet sind. Wie dargestellt, sind diese Ausschnitte 10 einander abgewandt. Die Ausschnitte erleichtern die genauere Einstellung der Schwingungslän­ gen derart, daß diejenige des Meßrohrs 2 kürzer als diejenige des Stabs 4 wird. Anders ausge­ drückt, die Ausschnitte 10 erleichtern die Einstellung der Eigenschwingungsfrequenz des Stabs 4 derart, daß sie niedriger ist als die Coriolis-Schwingungsfrequenz des Meßrohrs 2.

Die Aufbauten der Fig. 1 und 2 lassen sich bei einem Mengenstrom-Meßgerät einsetzen, bei dem die Coriolis-Schwingungsfrequenz auf das √2fache der Eigenschwingungsfrequenz der Traganordnung eingestellt ist, und bei dem die Coriolis-Schwingung eine Oberschwingung der Eigenschwingung des Meßrohrs ist, bei dem die Strömungsrate auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen von zwei Schwingungssensoren gemessen wird, und das Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren als Schwingungssensoren verwendet.

Dadurch, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die für die Schwingungsfrequenz verantwortli­ che Länge des Meßrohrs kürzer als die für die Schwingungsfrequenz verantwortliche Länge der Traganordnung eingestellt wird, ohne die Dicke der Traganordnung zu verringern, wird eine stabile Messung durch eine stabile Schwingung ermöglicht, die nicht durch Senken der Kenn­ werte, wie etwa der Eigenschwingungsfrequenzen der Traganordnung in Umfangsrichtung gestört wird. Auf diese Weise läßt sich ein einfacher Aufbau für ein Mengenstrom-Meßgerät erreichen, der mit geringen Herstellungskosten herstellbar ist und keine zusätzliche Masse verwendet.

Claims (8)

1. Mengenstrom-Meßgerät, umfassend:
wenigstens ein Meßrohr (2) zum Durchströmenlassen eines Fluids, dessen Mengen­ stromrate zu messen ist,
eine Traganordnung mit einem zylindrischen, rohrartigen Stab (4) und Befestigungsstop­ fen (3c, 3d; 3e, 3f) zum Halten des Meßrohrs (2) an dessen beiden Enden,
einen Schwingungserzeuger (5), durch den das Meßrohr (2) mit der Frequenz einer Coriolis-Schwingung in Schwingungen versetzbar ist, um eine Coriolis-Kraft zu erzeugen, wenn das Meßrohr (2) von dem Fluid durchströmt wird,
zwei oder mehr Schwingungssensoren (6a, 6b) zum Erfassen der Schwingung des Meß­ rohrs (2),
ein Einlaßrohr (7a) zur Zuleitung des Fluids zu dem Meßrohr (2),
ein Auslaßrohr (7b) zum Auslaß des Fluids aus dem Meßrohr (2), und
ein Gehäuse (8), das die vorgenannten Elemente enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Traganordnung, die sich auf die Eigen­ grundschwingung der Traganordnung bezieht, länger ist als die Länge des Meßrohrs (2), die sich auf die Coriolis-Schwingung bezieht derart, daß die Frequenz der Coriolis-Schwingung höher ist als die Frequenz der Eigengrundschwingung der Traganordnung.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Axialrichtung einan­ der zugewandten Flächen der Befestigungsstopfen (3c, 3d) konvex ausgebildet sind.

3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsstopfen (3e, 3f) jeweils einen Ausschnitt (10) an ihrer die Coriolis-Schwingung nicht beeinflussenden Seite aufweisen.

4. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Coriolis-Schwingung auf das √2fache oder mehr der Frequenz der Eigengrund­ schwingung der Traganordnung eingestellt ist.

5. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Coriolis-Schwingung eine Oberschwingung der Eigenschwingung des Meßrohrs (2) ist.

6. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenstromrate des Fluids auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Ausgangssigna­ len der zwei oder mehr Schwingungssensoren (6a, 6b) gemessen wird.

7. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungssensoren (6a, 6b) Geschwindigkeitssensoren und/oder Beschleunigungssenso­ ren umfassen.

8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befe­ stigungsstopfen (3e, 3f) jeweils einen mit dem Meßrohr (2) verbundenen ersten axialen Abschnitt und einen mit dem Stab (4) verbundenen zweiten axialen Abschnitt aufweisen, wobei die ersten axialen Abschnitte in Axialrichtung aufeinander zu gegenüber den zweiten axialen Abschnitten versetzt sind.