DE3707777A1

DE3707777A1 - Vorrichtung und verfahren zum kontinuierlichen messen des massenflusses

Info

Publication number: DE3707777A1
Application number: DE19873707777
Authority: DE
Inventors: Benjamin Brenneman
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1986-04-01
Filing date: 1987-03-11
Publication date: 1987-10-08
Also published as: JPS62238419A; US4703660A; CA1284732C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Techniken der Massenfluß-Messung und insbesondere auf eine neue und nützliche Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Massenflußgeschwindigkeit eines Fluides unter Verwendung von zwei in Abstand gebrachten Rohren, die jeweils zum Tragen etwa einer Hälfte des Flusses bestimmt sind, wobei die Rohre zu einer Schwingung zwischen festen Punkten gezwungen werden, um den Rohren eine hin- und hergehende Drehrotation zu erteilen.

Es sind Vorrichtungen bekannt, die die Wirkung der Drehbewegung auf ein sich bewegendes Fluid ausnützen, um den Massenfluß direkt zu messen. Beispiele dafür sind in den US-A-28 65 201 (erteilt am 23. Dezember 1958 auf Roth), US-A-33 55 944 (erteilt am 5. Dezember 1967) und US-A-34 85 098 (erteilt am 23. Dezember 1969 auf Sipin) angegeben.

Die US-A-41 09 524 (erteilt am 29. August 1978 auf Smith) offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Massenflußgeschwindigkeit durch eine Leitung, indem ein Abschnitt der Leitung hin- und herbewegt wird, um eine longitudinale Drehrotation dieses Abschnittes zu erzeugen.

Es sind Verbindungen mit dem Abschnitt verbunden, sowohl um ihn hin- und her zu bewegen, als auch zum Messen einer auf den Abschnitt ausgeübten Kraft, welche von einer auftretenden Kraft herrührt, die aufgrund des Massenflusses durch den Leitungsabschnitt erzeugt wird. Eine direkte Messung der Massenflußgeschwindigkeit kann also auf diese Weise ausgeführt werden.

Um zu verstehen, wie die Massenflußgeschwindigkeit unter Benutzung der Wirkungen dieser Kraft gemessen werden kann, wird Bezug genommen auf Fig. 1, die eine Anordnung von Vektoren in einem X,Y,Z-Koordinatensystem zeigt.

Um für eine Masse (m), die sich mit der Geschwindigkeit (v) bewegt, eine Winkelgeschwindigkeit (w) um irgendeine zu v senkrechte Achse aufrechtzuerhalten, muß sie einer Coriolis- Kraft (F _c) unterworfen werden, die sowohl zu v als auch zu w senkrecht ist.

Die Coriolis-Beschleunigung kann direkt und einfach abgeleitet werden von den Zeitableitungen der Transformation zwischen lokalen rechtwinkligen (x, y) und polaren (r, Φ) Koordinationsystemen wie in Fig. 2 gezeigt.

x = r cos Φ
y = r sin Φ
x = -r Φ sin Φ + r cos Φ
y = r Φ cos Φ + r sin Φ
x = [r - r Φ²] cos Φ - [r Φ + 2 r Φ] sin Φ
y = [r - r Φ²] sin Φ + [r Φ + 2 r Φ] cos Φ

Die Komponente "2 r Φ" ist die Coriolis-Beschleunigung. Man beachte, daß sie das Produkt zweier Geschwindigkeiten ist, und daß sie keine Funktion des Abstandes (r) vom Ursprung ist. Also muß sie auch am Ursprung (r=0) existieren, was dabei hilft zu verstehen, wie oder warum das Massenfluß- Meter arbeitet. Z. B. kann man einen lokalen Ursprung an jedem Punkt entlang eines Rohres veranschaulichen. Wenn sich das Rohr beugt, rotiert jeder Punkt zu einem gewissen Grad. Wenn auch ein Fluid durch das Rohr fließt (r), dann bewirkt diese Rotation des Rohres (Φ) eine tangentiale Coriolis- Beschleunigung von (2 r Φ).

Für ein Fluid, daß von links nach rechts in einem mit der x-Achse (Φ=0) ausgerichteten Rohr fließt, steht die Coriolis-Beschleunigung in der y-Richtung und kann wie folgt geschrieben werden:

y _c = 2 V _f Φ

wobei

y (x, t) = Verschiebungsfunktion des Rohres V _f = Geschwindigkeit des Fluids
= R Φ = dy/dx (partiell) Φ = d²y/dt dx (partiell)

Die Trägheitskraft, die auf das Rohr durch die Coriolis- Beschleunigung des Fluids im Inneren des Rohres für ein Längenelement dx ausgeübt wird, ist die folgende:

F _c= -m _f y _c
= -ϕ _f A _fdx 2 V _f Φ
= -ϕ _f A _f V _f 2 dx Φ
= -m _f 2 dx Φ (F _c/dx = -2 m _f Φ (Kraft pro Einheitslänge))

Dieses ist eine unsymmetrische Relation, was ein Grund für ihre Nützlichkeit in dieser Vorrichtung ist, d. h. eine Rotationsgeschwindigkeit erzeugt eine Translationskraft, aber die Translationsgeschwindigkeit erzeugt keine Rotationskraft. Wenn symmetrische Moden der Massenfluß-Meter- Rohre durch externe Einrichtungen wie z. B. elektromagnetische Erreger angetrieben bzw. angesteuert werden, neigen die Coriolis-Kräfte also dazu, die anti-symmetrischen Moden anzuregen. Umgekehrt, wenn anti-symmetrische Moden extern angetrieben bzw. angesteuert werden, neigen die Coriolis-Kräfte dazu, die symmetrischen Moden anzuregen.

Wenn die Antriebskraft sinusförmig ist, dann sind die Rohr-Verschiebung, -Geschwindigkeit und -Beschleunigung ebenso sinusförmig und schwanken jeweils um 90° und 180°. Daher kann die Phasendifferenz Φ gleich sein, ohne Rücksicht darauf, ob sie gemessen wird bezüglich der Verschiebungs-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsfunktionen der Antriebskraft gegen die Resultierende aus Steuerkraft plus der Kraft - _c.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Massenfluß-Geschwindigkeit gerichtet.

Erfindungsgemäß sind ein Paar paralleler Leitungen in Seite-an-Seite Beziehung angebracht, wobei ihre Enden befestigt getragen werden. In der Mitte der Leitungen und zwischen ihnen sind Sensoren vorgesehen, um Signale zu erzeugen, die der Geschwindigkeit der Rohre an dem Ort des Sensors entsprechen.

Eine Antriebseinrichtung ist vorgesehen, die einen mit den Leitungen an einem ersten Oszillationsteil verbundenen Teil und einen zweiten Teil aufweist, der mit den Leitungen an einem zweiten Oszillationsteil verbunden ist. Der erste und zweite Oszillationsteil ist vorgesehen auf jeder Seite des Sensors und ungefähr auf halbem Weg zwischen dem Sensor und jeder jeweiligen Unterstützung.

Unter Veränderung der Frequenz, bei welcher der Antrieb betrieben wird, ist es möglich, die maximale Symmetrisch- Mode-Antwort aufzufinden und zu erzeugen. Dies liefert Information über die Eigenfrequenz, die eine Funktion (u. a.) der Fluiddichte ist. Also können für eine gegebene Vorrichtung, die Massenfluß-Geschwindigkeit, die Fluiddichte, und daher die tatsächliche Fluidgeschwindigkeit mit Kurven oder Kurvenscharen bestimmt werden, die durch Analysen, Tests und Kalibrierungen erzeugt werden.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Massenfluß-Geschwindigkeit eines Fluids zu schaffen, die ein Paar paralleler Leitungen, welche entgegengesetzte Enden haben, eine longitudinale Achse und einen Mittelpunkt, Trageeinrichtungen zum Tragen der entgegengesetzten Enden an im wesentlichen festen Orten und Antriebseinrichtungen, um die Teile der Leitungen zwischen ihren entgegengesetzten Enden und in einer zu ihren Achsen transversalen Richtung in Schwingung zu versetzen, aufweist, wobei die Teile um 180° außer Phase bezüglich einander in Schwingung versetzt werden. Verbindungsleitungs-Einrichtungen sind vorgesehen, die eine Fluidfluß-Geschwindigkeit durch sie hindurch haben, die zu messen ist, wobei die Verbindungsleitungs-Einrichtungen mit jeder der Leitungen verbunden sind, um einen im wesentlichen gleichen Fluß durch jede zu schaffen. Wenigstens ein Sensor ist vorgesehen zum Aufnehmen der Bewegung jeder Leitung an einem Punkt, der an den jeweiligen Leitungsmittelpunkten anliegt. Der Bewegungs- Sensor kann entweder die Verschiebung, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung aufnehmen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Massenflusses gemäß den Ansprüchen 1 und 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Koordinatensystem, in dem eine Leitung zum Tragen eines Massenflusses gedreht werden kann, um das Auftreten einer Kraft _c zu veranschaulichen,

Fig. 2 ein lokales rechtwinkliges (x, y)-Koordinatensystem und ein System mit Polarkoordinaten (r, Φ);

Fig. 3 einen Seiten-Aufriß eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen Seiten-Aufriß eines anderen Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 einen Querschnitt durch Linie 5-5 der Fig. 4.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 weist die darin verkörperte Erfindung eine Vorrichtung zur Messung von Massenfluß- Geschwindigkeiten auf, die auf einen Einlaßanschluß 30 gegeben werden. Der Einlaßanschluß 30 ist verbunden mit einer ersten Unterstützung 32, welche die Enden 34 und 35 eines Paares paralleler Leitungen 36 und 37 befestigt. Ein Y-gestalteter Durchgang 38 ist in der Unterstützung 32 definiert, um den Massenfluß aus Anschluß 30 in zwei ungefähr gleiche Teile zu teilen. Die Hälfte des Massenflusses wird auf Leitung 36 und die andere Hälfte auf Leitung 37 gegeben.

Die Leitungen 36 und 37 haben jeweils entgegengesetzte Enden 42 und 43, die mit einer zweiten Unterstützung 40 verbunden sind, welche einen Auslaßanschluß 44 trägt. Ein weiterer Y-gestalteter Durchgang 46 ist in der Unterstützung 40 definiert, um die Flüsse der Leitungen 36 und 37 zusammen zurück und in die Ableitverbindung 44 zu leiten. Ein Antriebsmechanismus, der Antriebsteile 48 und 49 aufweist, ist vorgesehen, um die Antriebsteile 48 und 49 mit den Oszillationsteilen der Leitungen 36 und 37 zu verbinden. Diese Oszillationsteile liegen auf entgegengesetzten Seiten des Mittelpunkts der jeweiligen Leitungen. Jeder Teil 48 und 49 des Antriebsmechanismus weist eine Magnetspule 54, die beispielsweise mit Leitung 36 verbunden ist, und einen Permanentmagneten 52 auf, welcher in Spule 54 angeordnet und an der Leitung 37 befestigt ist. Durch Anlegen von Elektrizität an Spule 54 bei einer gewählten Frequenz, können die Leitungen 36 und 37 dazu gebracht werden, an den Oszillationsteilen in einer aufwärtigen und abwärtigen Richtung aufeinander zu und voneinander weg zu schwingen.

Die Rohre 36 und 37 sind versehen mit wenigstens einem Sensor 56, welcher dem Mittelpunkt der jeweiligen Rohre 36 und 37 anliegend angeordnet ist. Der Sensor 56 weist einen Permanentmagneten 62 auf, der magnetisch gekoppelt ist mit einer Spule 66, welche jeweils verbunden ist mit den Rohren 37 und 36.

Wenn man die Leitungen 36 und 37 in Schwingung versetzt an den Oszillationsteilen von jeder Leitung auf die in Fig. 3 mit gestrichelten Linien gezeigte Weise, werden sinusförmige Ströme in der Spule 66 induziert. Diese Signale sind proportional zu den Geschwindigkeiten der Rohre aufeinander zu und voneinander weg an dem Mittelpunkt der Rohre.

Wenn kein Fluid durch die Leitungen 36 und 37 tritt, ruft die Schwingung, die durch die Antriebsmechanismen 48 und 49 an die Oszillationsteile der Rohre 36 und 37 angelegt wird, Signale im Sensor 56 hervor, die eine Messung der Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bei oder in der Nähe des Zentrums darstellen. Diese Information ist dann proportional zu der Coriolis-induzierten Antwort, die von der Schwingung hervorgerufen wird. Wenn ein Fluid durch die Leitungen 36 und 37 tritt, existiert eine Coriolis-induzierte symmetrische Antwort. Wenn kein Fluid existiert, das durch die Leitungen hindurchtritt, existiert keine Coriolis-induzierte Antwort.

In Fig. 4 und Fig. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, in dem eine Scheibe oder Platte 70 vorgesehen ist, die an dem Zentrum von jedem der Rohre 36 und 37 angebracht ist. Diese Veränderung hat die Wirkung, daß die Eigenfrequenzen des angetriebenen anti-symmetrischen Modes und des resultierenden induzierten symmetrischen Modes verändert werden. Die Masse der Anordnungen 70 kann die Eigenfrequenz des angetriebenen anti-symmetrischen Modes verkleinern, aber das relativ hohe Massen-Trägheitsmoment der Anordnung 70 um die Achse X-X kann die Eigenfrequenz des resultierenden, induzierten symmetrischen Modes weiter verkleinern, wodurch die beiden Eigenfrequenzen näher zusammengebracht werden. Daher können die angetriebenen und die resultierenden induzierten Moden viel näher zusammengebracht werden, als es natürlicherweise auftritt, und dadurch würden die erforderlichen Antriebskräfte der Antriebsmechanismen 48 und 49 erheblich verringert und die Effizienz und der Betrieb der Vorrichtung verbessert werden. In ähnlicher Weise kann es sich als günstig herausstellen, die Eigenfrequenzen willkürlich so zu wählen, daß sie eng beieinander oder sogar gleich sind.

Während ein spezielles Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung gezeigt und im Detail beschrieben wurde, um die Anwendung der Erfindungsprinzipien zu veranschaulichen, kann die Erfindung auch auf andere Weise verkörpert sein, ohne von solchen Prinzipien abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Massenflusses eines Fluidflusses, gekennzeichnet durch
ein Paar paralleler Leitungen, von denen jede jeweils entgegengesetzte Enden, eine longitudinale Achse und einen Mittelpunkt zwischen ihren jeweils entgegengesetzten Enden besitzt;
Unterstützungseinrichtungen in Verbindung mit den Leitungen, um die entgegengesetzten Enden in wesentlich festen Positionen zu halten;
Verbindungsleitungs-Einrichtungen mit einer zu messenden Fluidflußgeschwindigkeit durch sie hindurch, die mit jeder Leitung verbunden sind, um einen wesentlich gleichen Fluß durch jede zu schaffen;
Antriebseinrichtungen, die einen Teil, der mit der Leitung an einem ersten Oszillationsteil verbunden ist, zwischen dem Mittelpunkt und einem von den jeweiligen Enden, und einen zweiten Oszillationsteil, der mit den Leitungen zwischen deren Mittelpunkten und jeweiligen entgegengesetzten Enden verbunden ist, aufweist, um das erste Oszillationsteil in einer schwingungsmäßigen Weise bei einer ersten Frequenz anzutreiben, und um das zweite Oszillationsteil bei derselben Frequenz wie das erste Oszillationsteil aber außer Phase davon anzutreiben; und
wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Bewegung der Leitungen, der den jeweiligen Leitungsmittelpunkten benachbart ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil der Antriebseinrichtungen
eine Magnetspule, die mit der Leitung an einem der Oszillationsteile verbunden ist,
einen Permanentmagneten, der mit der anderen des Paars von Leitungen an einem entsprechenden Oszillationsteil verbunden und in der Spule beweglich ist, und
Stromeinrichtungen, die mit der Magnetspule verbunden sind, um Strom an die Magnetspule mit der gewählten Frequenz anzulegen, um die Leitungen in Schwingung zu versetzen, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor
eine erste Aufnehmerspule, die mit einer des Paars von Leitungen am Mittelpunkt verbunden ist, und
einen ersten Sensor-Permanentmagneten, der mit der anderen des Paars von parallelen Leitungen an dem Mittelpunkt verbunden ist, aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungseinrichtungen
eine erste Unterstützung mit einem Eingangsanschluß zum Aufnehmen des Fluidflusses, und
einen Y-gestalteten Durchgang in der ersten Unterstützung, der zwischen dem Eingangsanschluß und ersten Enden jeder Leitung geschaltet ist, um den Fluß zwischen den Leitungen zu teilen, aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungseinrichtung des weiteren
eine zweite Unterstützung mit einem Ausgangsanschluß, um den Fluidfluß von den Leitungen aufzunehmen, und
einen weiteren Y-gestalteten Durchgang, der in der zweiten Unterstützung definiert und zwischen zweiten Enden der Leitungen und dem Ausgangsanschluß geschaltet ist, aufweist.

6. Verfahren zur Messung der Massenflußgeschwindigkeit eines Fluidflusses unter Verwendung einer Leitung mit einem Fluidfluß durch sie hindurch und ersten und zweiten zusätzlichen Leitungen von wesentlich gleicher Länge, die an ihren Enden befestigt sind und jeweils zwischen jeweiligen Enden liegende Mittelpunkte besitzen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
transversales In-Schwingung-Versetzen eines ersten Oszillationsteils zwischen jeweiligen Mittelpunkten und einem der jeweiligen Enden, mit einer gewählten Frequenz;
transversales In-Schwingung-Versetzen eines zweiten Oszillationsteils zwischen jeweiligen Mittelpunkten und jeweils entgegengesetzten Enden, bei der Frequenz, mit der der erste Oszillationsteil in Schwingung versetzt wird und außer Phase davon;
Leiten von ungefähr einer Hälfte des Fluidflusses, der eine zu messende Massenflußgeschwindigkeit besitzt, durch jede Leitung; und
Erfassen der Bewegung jeder Leitung an einem ersten Erfassungsort, der den Mittelpunkten der Leitungen benachbart ist, wobei die Bewegung jeder Leitung der Massenflußgeschwindigkeit des Fluidflusses entspricht.