DE3739383A1 - Verfahren und vorrichtung zur massendurchflussmessung nach dem coriolisprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Massendurchflußmessung nach dem Coriolisprinzip gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein nach dem Coriolisprin­ zip arbeitendes Massendurchfluß-Meßgerät mit wenigstens einem Meßrohr gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Es ist bekannt (JP-OS 57-1 37 818), eine Massendurchflußmessung mit einem einzigen Meßrohr durchzuführen. Dieses ist an seinen beiden Enden fest eingespannt, und dessen Wände werden in seiner Mitte zu einander gleichsinnigen Biegeschwingungen angeregt. Fließt Fluid bestimmter Masse durch das Meßrohr, sind aufgrund auftretender Corioliskräfte die Auslenkungen des Meßrohres über dessen Länge zueinander phasenverschoben. Diese Phasenver­ schiebung ist ein Maß für den Massendurchfluß. Allerdings ver­ ursachen die Biegeschwingungen des einzigen Meßrohres eine pe­ riodische Wanderung des Schwerpunkts des Massendurchflußmessers. Die Schwerpunktswanderung führt in der Regel zu Vibrationen des Gehäuses des Meßgerätes und der Fluidleitung, in welche der Massendurchflußmesser eingefügt ist. Diese auf die Umgebung übertragenen Vibrationen bedeuten einen Verlust an Biegeschwin­ gungsenergie des Meßrohres. Ist die Energieabgabe einlaufseitig und auslaufseitig unterschiedlich, z. B. wegen unterschiedlicher fester Einspannung der Enden des Meßrohres, wirkt sich dies auf die zu messende Phasenverschiebung und mithin auf die Meßge­ nauigkeit aus.

Ferner ist es bekannt (DE-PS 35 05 166), Massendurchflußmessung mit zwei Meßrohren durchzuführen. Die beiden Meßrohre sind einlauf- und auslaufseitig mittels zweier Rohrverbinder strö­ mungstechnisch parallel geschaltet. Die Meßrohre werden jeweils in gegensinnige Biegeschwingungen versetzt, so daß deren Wände zueinander um 180 Grad phasenverschoben ausgelenkt werden. Dadurch wird eine Wanderung des Schwerpunkts des Massen­ durchflußmessers vermieden, allerdings mit dem Nachteil, daß ein schwingendes Meßrohrsystem mit mindestens zwei Meßrohren notwendig ist.

Der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, einen einfach und kostengünstig herstellbaren sowie einfach und kompakt aufgebauten Massendurch­ flußmesser zu schaffen, bei dem im Betrieb einen Wanderung seines Schwerpunktes weitgehend vermieden ist. Zur Lösung dieses Problems wird auf die kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 und 7 verwiesen.

Danach wird von dem bisher eingeschlagenen Weg, gegenüberliegende Wandabschnitte eines Meßrohres in gleichsinnige Biegeschwin­ gungen zu versetzen, abgegangen. Statt dessen wird für vor­ zugsweise ein einziges Meßrohr ein Schwingungsmodus gewählt, in dem einander symmetrisch zur mittleren Längsachse (Mittelachse) des Meßrohres gegenüberliegende Teile oder Abschnitte der Meß­ rohrwand gegensinnig, d. h. zueinander um 180 Grad phasenverscho­ ben ausgelenkt werden. Die Auslenkung der Wände wird durch ela­ stisch reversible Deformation des Meßrohres erreicht. Fließt aus einer Fluidleitung in das derart periodisch deformierte Meß­ rohr Fluid bestimmter Masse, so muß es einlaufseitig die Energie der Deformationsschwingungen aufnehmen und auslaufseitig diese aufgenommene Energie wieder abgeben. Das bedeutet, daß Coriolis­ kräfte auftreten, die einlaufseitig die Deformation des Meßroh­ res und damit die Auslenkung der Meßrohrwände verzögern und auslaufseitig beschleunigen. Die so entstehende Phasenver­ schiebung der Auslenkungen unterschiedlich über die Meßrohrlänge verteilter Abschnitte der Meßrohrwand kann nun zur Bestimmung des Massendurchflusses gemessen werden. Da die Auslenkung der Meßrohrwände im wesentlichen symmetrisch zur Schwerlinie des Meßrohres erfolgt, bleibt die Lage der Schwerlinie weitgehend konstant. Mithin werden bei der erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmessung periodische Wanderungen des Schwerpunktes des Meßgerätes und damit in dessen Umgebung übertragene Vibrationen weitgehend vermieden, ohne daß dabei zusätzliche konstruktive Maßnahmen notwendig wären. Befindet sich das Durchflußmeß­ system mit einem einzigen Meßrohr bei Betrieb aufgrund der Erfindung in Balance, so entfallen hohe Anforderungen an die einlauf- und auslaufseitigen Enden des Meßrohres, bzw. eine besonders feste Einspannung ist nicht mehr notwendig.

Gemäß einer Ausbildung der Erfindung läßt sich die Deformation des Meßrohres mit entsprechender Auslenkung der Meßrohrwände durch extern erzeugte Kräfte erzielen, die ihre Richtung mit bestimmter Periode umkehren, welche der Eigenfrequenz der Forma­ tionsschwingung des Meßrohres entsprechen. Dadurch läßt sich der Verbrauch an für das Meßgerät aufzubringender Schwingungs­ energie vermindern.

Gemäß einer besonderen Ausbildung der Erfindung werden zwei zueinander um 180 Grad phasenverschobene Kräfte auf einander symmetrisch gegenüberliegende Teile der Meßrohrwand in Angriff gebracht. Dadurch wird in diesem Bereich das Meßrohr symmetrisch zu seiner Mittelachse auf Zug bzw. Druck belastet, so daß eine besonders gut detektierbare Auslenkung der Meßrohrwand über die Meßrohrlänge entsteht. Vorzugsweise befinden sich die Angriffs­ punkte der Kräfte im mittleren Bereich des Meßrohres, weil dort die Fluidmasse weder Deformationsenergie aufnimmt noch abgibt, also nahezu keine Corioliskräfte angreifen. Zudem ist dort der Einfluß von der Auslenkung der Meßrohrwand entgegenwirkender, fester Einspannstellen des Meßrohres am geringsten. Um bei der Messung der Phasenverschiebung der Auslenkungen der Meßrohrwände über die Meßrohrlänge eine hohe Auflösung zu erzielen, werden hierfür zwei Meßstellen vorzugsweise in der Nähe des einlauf- und auslaufseitigen Meßrohres angeordnet.

Bei dem Meßgerät nach der Erfindung kommt es wesentlich darauf an, daß der die periodischen Deformationen des Meßrohres erzeugende Schwingungserreger so aufgebaut und angeordnet ist, daß die Meßrohrwand im wesentlichen symmetrisch zur Mittelachse des Meßrohres und senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids ausgelenkt wird. Die Wandbewegungen kompensieren dabei einander derart, daß die ursprüngliche schwerpunktsmäßige Balance des Meßgeräts weitgehend beibehalten wird.

Dies erfolgt nach einer besonderen Ausbildung dadurch, daß zwei beispielsweise elektromagnetische Schwingungserreger mit einander gegenüberliegenden Wandabschnitten des Meßrohres jeweils in Wirkungsverbindung stehen. Vorzugsweise sind die von den Schwin­ gungserregern erzeugten Schwingungen zueinander um 180 Grad pha­ senverschoben; dann wird eine besonders symmetrische und gut detektierbare Deformation des Meßrohres erzielt.

Um den Einsatz einfach aufgebauter und anwendbarer Schwingungser­ reger zu ermöglichen, können Meßrohre verwendet werden, die eine zu ihrer Längsachse symmetrische Form besitzen, wie z. B. Zylin­ derform. Mit Vorteil werden Meßrohre eingesetzt, die im Schnitt quer zur Strömungsrichtung mehreckig sind. Besitzt das Meßrohr beispielsweise quadratische Querschnittsform, so bilden die vier Ecken jeweils Zonen, in denen die Meßrohrwände nahezu keine Auslenkung erfahren ("Schwingungsknoten"). Das bedeutet anderer­ seits, daß Zonen mit maximaler Auslenkung der Meßrohrwand hauptsächlich in den mittleren Bereichen der von den Ecken gebil­ deten Seitenabschnitte auftreten ("Schwingungsbäuche"). Damit werden an der Meßrohrwand Orte geschaffen, die besonders gün­ stige Voraussetzungen zur Detektion der Phasenverschiebung haben. Aufgrund theoretischer Betrachtungen läßt sich annehmen, daß die Anzahl der Schwingungsknoten stets ganzzahlige Vielfache der Zahl vier beträgt, wobei die Vervielfachung vor allem von Anzahl und Anordnung der Schwingungserreger sowie der Ordnungszahl der Schwingungen abhängt. Deshalb ist ein Querschnittsprofil mit vier, acht, zwölf usw. Ecken zweckmäßig.

Mit Vorteil werden zur Messung der Auslenkung der Meßrohrwände nach optischem Prinzip arbeitende Sensoren eingesetzt. Diese weisen im Vergleich zum mechanischen System ein sehr schnelles Ansprechverhalten und damit eine geringe Eigenphasenverschiebung auf.

Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche und auf die nachfolgende Beschreibung anhand der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßanordnung in teilweise geschnittener Ansicht;

Fig. 2A einen Längsabschnitt eines Meßrohres ohne Massendurchfluß;

Fig. 2B Querschnitte des erfindungsgemäß verwendeten Meßrohres längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 2A in einem Zeitpunkt;

Fig. 2C Querschnitte des erfindungsgemäß verwendeten Meßrohres längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 2A in einem anderen Zeitpunkt;

Fig. 3A einen Längsquerschnitt eines Meßrohres mit Massendurchfluß;

Fig. 3B Querschnitte des erfindungsgemäß verwendeten Meßrohres längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 3A in einem Zeitpunkt.

Einander entsprechende Teile der Zeichnungen sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.

Gemäß Fig. 1 weist das erfindungsgemäße Massendurchfluß- Meßgerät im wesentlichen ein Meßrohr (1), einen ersten und zweiten Schwingungserreger (5, 6) sowie zwei optische Sensoreinrichtungen (T, R) auf. Die den von Fluid durchströmten Hohlraum bildende Wand (2) des Meßrohres (1) ist in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt. Wie schematisch angedeutet, sind das einlaufseitige Ende (3) und das auslaufseitige Ende (4) des Meßrohres (1) jeweils fest eingespannt. Grundsätzlich ist auch eine freie Aufhängung der Meßrohrenden (3, 4) möglich. Etwa in der Mitte des Meßrohres (1) sind der erste bzw. der zweite Schwingungserreger (5, 6) derart angeordnet, daß sie einander symmetrisch zur (strichpunktiert dargestellten) Mittelachse des Meßrohres (1) gegenüberliegen. Die elektromechanischen Schwin­ gungserreger (5, 6) weisen im wesentlichen jeweils eine über Anschlüsse (8) gespeiste Erregerspule (9) sowie einen damit in Wirkungsverbindung stehenden Dauermagneten (10) mit Südpol (F) und Nordpol (N) auf. Die Dauermagneten (10) sind unmittelbar an der Meßrohrwand (2) befestigt, während die Erregerspulen (9) extern fixiert sind. Die optischen Sensoren (T, R) sind im ein­ lauf- bzw. auslaufseitigen Bereich angeordnet und bestehen im wesentlichen aus einem Lichtsender (E), einer Lichtleiterein­ richtung (11), einem Lichtempfänger (R) und unmittelbar an der Meßrohrwand (2) angebrachte Tauchfahnen (12).

Die Funktionsweise ist wie folgt. Fließt durch die Trägerspulen (8) ein Wechselstrom bestimmter Frequenz, so werden die Dauermagneten (10) mit bestimmter Periode abwechselnd angezogen und abgestoßen. Entsprechend wirken Kräfte auf die Meßrohrwand (2), so daß diese mit bestimmter Periode abwechselnd auf Zug und Druck belastet wird. Dies führt zu elastischen reversiblen Verformungen des Querschnitts des Meßrohres (1). Bei Massendurchfluß sind diese Verformungen und die damit verbundenen Auslenkungen der Meßrohrwand (2) über die Länge des Messrohres (1) phasenverschoben. Der Phasenverschiebung entsprechen zueinander zeitlich verschobene Bewegungen der an der Meßrohrwand (2) angebrachten Tauchfahnen (12). Die Tauchfahnen (12) ragen jeweils in einen Spalt, der von der Lichtleitereinrichtung (11) gebildet wird. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel besteht die Lichtleitereinrichtung aus zwei Stäben aus sichtleitendem Material, beispielsweise Saphirstäbe. Der Sender (T) erzeugt einen Lichtstrom, der über die Lichtleitereinrichtung (11) einschließlich des von ihr gebildeten (Luft-)Spalts zum Lichtempfänger (R) gelangt. Dabei hängt die Stärke des übertragenen Lichtstroms von der Tiefe ab, mit welcher die Tauchfahnen in den (Luft-)Spalt hineinragen. Je tiefer sie hineinragen, um so geringer ist der Lichtstrom. Die Tiefe, mit welcher die Tauchfahnen (11) in den Spalt hineinragen, wird von der Auslenkung der Meßrohrwand (2) bestimmt. Infolgedessen ist der Unterschied zwischen den beiden von den optischen Sensoren (T, R) gelieferten Lichtstärken ein Maß für die zeitliche Verschiebung bzw. Phasenverschiebung der Deformation des Querschnitts des Meßrohres (1) über dessen Länge.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Durchflußmessung ist in den Fig. 2A-3B weiter veranschaulicht.

In Fig. 2A ist der wesentliche Längsabschnitt eines Massen­ durchfluß-Meßgerätes schematisch dargestellt. Dabei ist voraus­ gesetzt, daß die (strichpunktiert gezeichnete) Schnittlinie II- II den Ort bezeichnet, an dem sich ein Schwingungserregungs­ system, wie es z. B. anhand der Fig. 1 dargestellt ist, befin­ det. Die Schnittlinien I-I und III-III kennzeichnen die Orte, an denen die Sensoren zur Erfassung der Phasenverschiebung über die Meßrohrlänge angeordnet sind. Ferner ist in der Darstellung nach Fig. 2A vorausgesetzt, daß kein Massendurchfluß durch das Meßrohr existiert. Wird das Schwingungserregungssystem in Betrieb gesetzt, wird der Querschnitt des Meßrohres über dessen ganze Länge näherungsweise oval verformt, wie in den Fig. 2B und 2C dargestellt. Dort sind die Deformationen der Querschnitte längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 2A jeweils mit durchgezogener Linie gezeichnet. Mit der gestrichel­ ten Linie sind die Querschnitte angedeutet, wie sie ohne Betrieb eines Schwingungserregungssystems aussehen würden. Fig. 2B und 2C stellen voneinander gesonderte, zeitlich verschobene Momentaufnahmen dar, wobei die Zeitverschiebung einer Phasenver­ schiebung der Schwingungserregung von 180 Grad entspricht. Das bedeutet, daß die Umfangsabschnitte der Meßrohrwand, die nach Fig. 2B gegenüber dem Ausgangsquerschnitt gemäß gestrichelter Linie nach außen ausgelenkt sind, nach Fig. 2C zum Meßrohrin­ neren hin eingedrückt sind. Die Deformationen des Meßrohres sind über dessen ganze Länge, wie dargestellt, etwa in Phase, weil aufgrund fehlenden Massendurchflusses keine Corioliskräfte an­ greifen.

Beim schematisch dargestellten Längsabschnitt eines Meßrohres gemäß Fig. 3A herrscht Massendurchfluß vor, wie durch die dortige Zeile angedeutet. Ferner ist vorausgesetzt, daß dem Querschnitt des Meßrohres über dessen Länge Deformationsschwin­ gungen gemäß Fig. 2B und 2C aufgeprägt werden. Nun muß das durch das Meßrohr strömende Fluid einlaufseitig die Energie der Deformationsschwingungen aufnehmen und auslaufseitig abgeben. Dies führt zur Entstehung von Corioliskräften, die im Bereich der einlaufseitigen Hälfte des Meßrohres die Auslenkungen der Meß­ rohrwand verzögern und im Bereich der auslaufseitigen Hälfte des Meßrohres die Auslenkungen der Meßrohrwand beschleunigen. Daraus resultieren Phasenverschiebungen zwischen Wandabschnitten entlang der durchströmten Länge des Meßrohres. Dementsprechend ist der Querschnitt des Meßrohres gemäss der Linie I-I der Fig. 3A anders deformiert als der gemäß III-III, wie in Fig. 3B mittels der durchgezogenen Linien (stark übertrieben) angedeutet. Die gestrichelte Linie zeigt den Meßrohrquerschnitt, wie er ohne Einprägung von Deformationsschwingungen aussehen würde. Gemäß Fig. 3B fällt in der Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II der Fig. 3A der Querschnitt ohne Deforma­ tionsschwingungen mit dem bei Einprägung von Deformationsschwin­ gungen zusammen. Denn die Schnittlinie II-II bezeichnet die Mitte des Meßrohres, und dort nimmt die strömende Fluidmasse weder Schwingungsenergie auf, noch gibt sie welche ab. Folglich treten in der Mitte des Meßrohres keine Corioliskräfte auf, so daß dort der Bezugspunkt und/oder Nullpunkt der Phasenver­ schiebung anzunehmen ist. Um eine hohe Meßauflösung zu erzielen, wird die Phasenverschiebung vorzugsweise an den durch die Schnittlinien I-I und III-III gekennzeichneten Wandabschnit­ ten gemessen. Diese vergrößert bzw. vermindert sich bei zuneh­ mendem bzw. abnehmendem Maßendurchfluß.

Claims (16)

1. Massendurchflußmessung nach dem Coriolisprinzip, unter Ver­ wendung wenigstens eines von Fluid durchströmten, elastisch deformierbaren Meßrohres (1), gekennzeichnet durch:

• a) das Meßrohr (1) wird derart deformiert, daß Abschnitte der Wand (2) des Meßrohres, die paarweise symmetrisch zur in Strömungsrichtung verlaufenden Mittelachse des Meßrohres einander gegenüberliegen, um die gleiche Strecke in einander entgegengesetzter Richtung quer zur Strömungsrichtung des Fluids ausgelenkt werden; und
• b) es wird - als Maß für den Massendurchfluß - eine Phasen­ verschiebung zwischen den Auslenkungen wenigstens zweier Abschnitte der Meßrohrwand (2), die über die Länge des Meßrohres (1) unterschiedlich verteilt angeordnet sind, gemessen.

2. Messung gemäß Anspruch 1, bei der zur Deformation des Meßrohres (1) auf dessen Wand (2) eine oder mehrere Kräfte in Angriff gebracht werden, die ihre Richtung regelmäßig, vorzugsweise mit bestimmter Periode, umkehren.

3. Messung gemäß Anspruch 2, bei der die Periode einer der Eigenfrequenzen des Meßrohres (1) entspricht.

4. Messung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die Kräfte etwa in der längenmäßigen Mitte des Meßrohres (1) angreifen.

5. Messung gemäß einem der Ansprüche 2-4, bei der wenigstens einem Paar der gegenüberliegenden Abschnitte der Meßrohrwand (2) jeweils mindestens eine dort senkrecht zur Strömungs­ richtung angreifende Kraft zugeordnet ist, wobei die Rich­ tungen dieser Kräfte stets einander entgegengesetzt sind.

6. Messung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Phasenverschiebung 15 bis 30% der Meßrohrlänge von wenigstens einem Ende des Meßrohres (1) entfernt gemessen wird.

7. Nach dem Coriolisprinzip arbeitendes Massendurchfluß- Meßgerät, mit wenigstens einem in eine Fluidleitung einfügbaren Meßrohr (1), gekennzeichnet durch mindestens einen am Meßrohr (1) derart angeordneten und ausgebildeten Schwingungserreger (5, 6), daß Teile der Wand (2) des Meßrohres (1), die paarweise symmetrisch zur in Strömungsrichtung verlaufenden Mittelachse des Meßrohres (1) einander gegenüberliegen, gegensinnig gleich und weitgehend senkrecht zur Strömungsrichtung ausgelenkt werden.

8. Meßgerät gemäß Anspruch 7, mit mindestens zwei Schwingungs­ erregern (5, 6), die an einander symmetrisch zur Schwerlinie gegenüberliegenden Teilen der Wand (2) des Meßrohres (1) angeordnet sind, und deren erzeugte Schwingungen um 180 Grad phasenverschoben sind.

9. Meßgerät gemäß Anspruch 7 oder 8, mit einem geraden Meß­ rohr (1), das im Schnitt quer zur Strömungsrichtung kreisför­ mig ist.

10. Meßgerät gemäß Anspruch 7 oder 8, dessen ein oder mehrere Meßrohre (1) im Schnitt quer zur Strömungsrichtung ein Innen- und/oder Außenprofil mit mehreren Ecken besitzen.

11. Meßgerät gemäß Anspruch 10, bei dem die Anzahl der Ecken vier oder das Vielfache von vier beträgt.

12. Meßgerät gemäß einem der Ansprüche 7-11, mit einem Phasen­ detektorsystem (T, R) bestehend aus mindestens zwei Sensoren, die jeweils bezüglich des Teils der Wand (2) des Meßrohres (1), an dem der Schwingungserreger plaziert ist, um 90 Grad in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.

13. Meßgerät gemäß Anspruch 10 oder 11, mit einem Phasendetek­ torsystem (T, R) bestehend aus mindestens zwei Sensoren, die jeweils in der Mitte der von zwei Ecken gebildeten Strecke angeordnet sind.

14. Meßgerät gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13 mit wenigstens einer Sensoranordnung (T, R, 11, 12), bestehend aus Lichtsen­ der (T), Lichtempfänger (R) sowie einer das Licht des Licht­ senders zum Lichtempfänger übertragenden Lichtleiterein­ richtung (11), die so ausgebildet ist, dass die Stärke des übertragenen Lichtstroms durch die Auslenkung der Wand (2) des Meßrohres (1) beeinflußbar ist.

15. Meßgerät gemäß Anspruch 14, bei dem die Lichtleitereinrich­ tung (11) zwei Saphirstäbe aufweist, von denen der eine Saphirstab am einen Ende mit dem Lichtsender (T) und der andere Saphirstab am einen Ende mit dem Lichtempfänger (R) verbunden ist, dass die anderen Enden der beiden Saphirstäbe als totalreflektierende Prismen ausgebildet sind und im Ab­ stand voneinander derart gegenüberliegen, daß der vom Licht­ sender durch den einen Saphirstab gehende Lichtstrom in den anderen Saphirstab übertritt und von diesem zum Lichtempfän­ ger (R) geleitet wird, und daß an der Wand des Meßrohres wenigstens eine Tauchfahne so angebracht ist, daß sie in Abhängigkeit von der Auslenkung der Wand (2) mehr oder weni­ ger weit in den zwischen den prismenförmig ausgebildeten Enden der Saphirstäbe gebildeten Spalt ragt.

16. Meßgerät gemäß einem der Ansprüche 7-15, verwendet zur Durchführung der Messung nach einem der Ansprüche 1-6.