DE3782944T2

DE3782944T2 - Ferromagnetische antriebe und geschwindigkeitswandler fuer einen coriolis-massendurchflussmesser.

Info

Publication number: DE3782944T2
Application number: DE8787905106T
Authority: DE
Inventors: Lee Carpenter
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1987-07-21
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2007-07-22
Also published as: US4777833A; AU7759487A; WO1988003642A1; EP0332612B1; BR8707870A; JPH07104197B2; JPH02500537A; AU603599B2; DE3782944D1; EP0332612A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Coriolis-Massendurchflußmesser, der
ein erstes Durchflußrohr, das in Schwingbewegung mit einer vorbestimmten Frequenz um eine erste Achse versetzbar ist und das im Ansprechen auf eine durch die Bewegung einer Flüssigkeit durch das erste Durchflußrohr induzierte Coriolis-Kraft eine Torsionsbewegung um eine zweite Achse erfährt,
eine Plattform, an der beide Enden des ersten Durchflußrohres befestigt sind,
einen Geschwindigkeitssensor zum Erzeugen eines Signals, das sich als Funktion der Geschwindigkeit des Durchflußrohres ändert, und
einen Antriebsmechanismus zum Liefern einer sich sinusförmig ändernden Antriebskraft aufweist, die die Schwingbewegung des ersten Durchflußrohres bewirkt, wobei der Antriebsmechanismus
ein erstes längliches ferromagnetisches Element, das an die Außenwand des ersten Durchflußrohres derart angebracht ist, daß sich ein erstes Ende des ersten Elementes von dem ersten Durchflußrohr weg in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen zu einer Richtung parallel ist, in der das erste Durchflußrohr in Schwingungen zu versetzen ist,
eine in bezug auf die Plattform fest angeordnete und zur Aufnahme eines ersten Endes des ferromagnetischen Elementes gestaltete erste Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Weise, daß die Lage des ferromagnetischen Elementes in bezug auf die erste Spule beeinflußt wird, und
eine Einrichtung zum Anlegen einer sich sinusförmig ändernden Spannung an die erste Spule aufweist, um das Magnetfeld sinusförmig zu ändern und dadurch die Schwingbewegung des ersten ferromagnetischen Elementes und des daran angebrachten ersten Durchflußrohres hervorzurufen.
Ein derartiger Coriolis-Massendurchflußmesser ist aus der US- A-4 628 744 bekannt.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Coriolis-Massendurchflußmesser können zum Messen der Massenströmung eines Prozeßfluidums eingesetzt werden. Gemäß der Beschreibung bei dem Stand der Technik wie in der US-A-4 491 025 enthält ein Coriolis-Massendurchflußmesser einen Kanal oder zwei parallele Kanäle, die jeweils typischerweise U- förmige Strömungsleiter sind. Jeder Strömungsleiter wird derart angetrieben, daß er um eine Achse schwingt, um einen drehenden Bezugs-Rahmen zu bilden. Bei einem U-förmigen Strömungsleiter kann diese Achse als Biegeachse benannt werden. Sobald durch den jeweils schwingenden Strömungsleiter Prozeßflüssigkeit strömt, erzeugt die Bewegung der Flüssigkeit gegenwirkende Corioliskräfte, die sowohl zu der Geschwindigkeit der Flüssigkeit als auch zu der Winkelgeschwindigkeit des Rohres senkrecht gerichtet sind. Diese gegenwirkende Corioliskräfte bewirken, daß jeder Leiter um eine Torsionsachse verdreht wird, die für einen U-förmigen Strömungsleiter zu dessen Biegeachse senkrecht steht. Das Ausmaß der Verdrehung ist zu dem Strömungsmassendurchsatz der Prozeßflüssigkeit proportional, die durch das Rohr fließt.
Bei Coriolis-Massendurchflußmessern, bei denen Strömungsleiter mit kleinem Durchmesser benutzt werden, nämlich Rohre mit dem Außendurchmesser von 1,65 mm und 3,17 mm, wird häufig ein einziger Strömungsleiter benutzt. Der Grund hierfür besteht darin, daß die kombinierte Masse aus dem Strömungsleiter und der hindurchbewegten Flüssigkeit wesentlich geringer ist als die Masse des Sockels, der den Strömungsleiter trägt. Infolgedessen bleibt der Sockel im wesentlichen starr, wenn der Strömungsleiter und die Flüssigkeit schwingen. Ein solcher Einzelrohr-Coriolis-Massendurchflußmesser ist in der US-Re 31 450 oder GB-A-2 001 759 beschrieben. Bei Rohren größeren Durchmessers, beginnend mit ungefähr 6,35 mm Außendurchmesser stellt die kombinierte Masse aus dem Rohr und der Flüssigkeit einen weitaus größeren Anteil der Gesamtmasse des Systems dar, so daß es mit derartigen Rohren großen Durchmessers vorteilhaft ist, ein Gerät mit mehreren parallelen Leitern wie das in der US-A-4 491 025 beschriebene zu verwenden.
Gemäß der Beschreibung in den vorangehend genannten US- Patentschriften werden in einem typischen Coriolis-Massendurchflußmesser ein Antriebsmechanismus, der den oder die Strömungsleiter in Schwingungen versetzt, und magnetische Geschwindigkeitssensoren zum Ermitteln der relativen Geschwindigkeit der seitlichen Schenkel eines typischen Strömungsleiters benutzt. Ferner wird in einem typischen Einzelrohr-Coriolis-Massendurchflußmesser üblicherweise direkt an dem Strömungsleiter mindestens ein Magnet angebracht, der einen Teil des Antriebsmechanismus bildet. Beispielsweise wird bei einem Ausführungsbeispiel für den Stand der Technik als Teil des Antriebsmechanismus ein zylindrischer ALNICO- Permanentmagnet mit 1,57 mm Durchmesser · 8,71 mm benutzt. Bei der vorangehend genannten US-Re 31 450 werden an dem Strömungsleiter über Kalter zwei Magnete angebracht, wodurch die kombinierte Masse aus den Antriebsmagneten und deren Haltern vergrößert ist, welche einen wesentlichen Teil der Gesamtmasse der Strömungsleiteranordnung bildet, insbesondere dann, wenn Strömungsleiter mit kleinem Durchmesser benutzt werden.
Es wurden Bestrebungen unternommen, diese Masse zu verringern, um ein Gerät zu schaffen, das ein genaues Messen von kleinen Massenströmungsdurchsätzen ermöglicht.
In der vorstehend genannten US-A-4 628 744 ist ein Einzelrohr-Coriolis-Massendurchflußmesser beschrieben, der ein langgestrecktes ferromagnetisches Element aufweist, das an dem Strömungsrohr angebracht ist. Das Ende dieses ferromagnetischen Elements ist zur Aufnahme in einer Spule gestaltet, die bei der Erregung bewirkt, daß sich das ferromagnetische Element und damit das Strömungsrohr durch das von der Spule erzeugte Magnetfeld aufwärts und abwärts bewegen.
Diese Anordnung macht einen Antriebsstrom in übermäßiger Stärke erforderlich.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Coriolis-Massendurchflußmesser der vorangehend beschriebenen Art zu schaffen, der es ermöglicht, auf genaue Weise niedrige Massenströmungsgeschwindigkeiten zu messen, und der Antriebsstrom in geringer Stärke benötigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird ein Coriolis-Massendurchflußmesser gemäß der Definition in der Beschreibungseinleitung geschaffen, dessen Antriebsmechanismus einen an der Plattform befestigten Permanentmagneten zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Magnetfelds in dem ersten ferromagnetischen Element enthält, so daß die darin erscheinenden magnetischen Domänen auf geeignete Weise in einer Richtung ausgerichtet werden, die im wesentlichen parallel zu der Richtung ist, in welcher sich das erste Durchflußrohr bei der Schwingungsbewegung bewegt, wobei die erste Spule in dem ferromagnetischen Element ein Magnetfeld erzeugt, das im wesentlichen parallel zu der Richtung ausgerichtet ist, in der sich das erste Durchflußrohr bewegt.
Der für dieses Meßgerät erforderliche Antriebsstrom kann um einen Faktor 20 bis 30 verringert sein.
In einem Coriolis-Massendurchflußmesser gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, der ein zweites Durchflußrohr aufweist, das im wesentlichen dem ersten Durchflußrohr gleichartig ist und das im wesentlichen parallel zu dem ersten Durchflußrohr ausgerichtet ist, enthält der Antriebsmechanismus ferner
ein zweites längliches ferromagnetisches Element, das an die Außenwand des zweiten Durchflußrohres derart angebracht ist, daß ein erstes Ende des zweiten Elementes sich von dem zweiten Durchflußrohr weg in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen parallel zu einer Richtung ist, in der das zweite Durchflußrohr in Schwingungen zu versetzen ist,
eine in bezug auf die Plattform in der Nähe der Konstantmagnetfeld-Erzeugungsvorrichtung fest angeordnete zweite Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das mit dem konstanten Feld zum Erzeugen eines zweiten zusammengesetzten Magnetfeldes in dem zweiten ferromagnetischen Element zusammenwirkt, und
eine Einrichtung zum Anlegen einer sich sinusförmig ändernden Spannung an die zweite Spule derart, daß sich das zweite zusammengesetzte Magnetfeld sinusförmig ändert und dadurch eine Schwingbewegung des zweiten ferromagnetischen Elementes und des daran angebrachten zweiten Durchflußrohres hervorgerufen wird.
Anstelle der Benutzung von zwei gesonderten Antriebsspulen kann der Antriebsmechanismus gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung nur eine Antriebsspule enthalten, die auf geeignete Weise zwischen den Enden der ferromagnetischen Elemente derart angeordnet ist, daß die Enden sich in den jeweiligen einander gegenüberliegenden Enden des Kerns der einzelnen Antriebsspule hin- und herbewegen können.
Der Geschwindigkeitssensor des- Coriolis-Massendurchflußmessers gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält vorzugsweise
ein längliches ferromagnetisches Element, das an der Außenwand des Durchflußrohres derart angebracht ist, daß ein erstes Ende des Elementes sich von dem Durchflußrohr weg in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen parallel zu einer Richtung ist, in der sich das Durchflußrohr bei der Schwingbewegung bewegt,
eine an der Plattform befestigte Permanentmagnetvorrichtung zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Magnetfeldes in dem Element derart, daß die darin auftretenden magnetischen Domänen auf geeignete Weise in einer Richtung ausgerichtet werden, die im wesentlichen parallel zu der Richtung ist, in der sich das Durchflußrohr um die erste Achse bewegt, und
eine in bezug auf die Plattform nahe an der Konstantmagnetfeld-Erzeugungsvorrichtung fest angeordnete Spule die das Signal erzeugt, sobald sich das Element und das daran angebrachte Durchflußrohr um die erste Achse bewegen, wobei die Spule in dem Feld auf geeignete Weise derart angeordnet ist, daß sich die Flußdichte des Feldes, dem die Spule ausgesetzt ist, entsprechend der Bewegung des Elementes in bezug auf die Spule ändert.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Coriolis-Massendurchflußmessers beschrieben, bei dem eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, erfindungsgemäße Geschwindigkeitssensoren und ein fest angebrachtes U-förmiges Durchflußrohr benutzt werden. Die Antriebsvorrichtung wird dazu verwendet, das Durchflußrohr im wesentlichen auf dessen Resonanzfrequenz um dessen Biegeachse in Schwingungen zu versetzen, und die Ausgangssignale der Geschwindigkeitssensoren ergeben Signale, die im wesentlichen auflineare Weise das tatsächliche Moment des Strömungsrohrs über dessen Bewegungsbahn darstellen. Infolge der Corioliskräfte läuft einer der seitlichen Schenkel des U-förmigen Durchflußrohres zeitlich in bezug auf den anderen seitlichen Schenkel entweder vor oder nach. Diese Zeitverzögerung zwischen diesen beiden Signalen wird in bezug auf einen beliebigen Bezugspunkt auf der Schwingungsbahn des Durchflußrohres gemessen. Diese Zeitverzögerung ist eine lineare Funktion der Massendurchflußrate der durch das Durchflußrohr hindurchgelangenden Flüssigkeit, d. h., der Zusammenhang zwischen der gemessenen Zeit und der Massendurchflußrate der durch das Durchflußrohr hindurchgelangenden Flüssigkeit ist nur von Konstanten abhängig, die von den mechanischen Eigenschaften des Durchflußrohrs und dessen festem Aufbau hergeleitet sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Prinzipien der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen klar ersichtlich, in denen
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung eines Meßsystems ist, bei dem die Lehren der Erfindung angewandt sind,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß hergestellten ferromagnetischen Antriebsvorrichtung ist,
Fig. 2A in bildlicher Darstellung die Magnetflußlinien in der Nähe des Magnetankers der in Fig. 2 gezeigten ferromagnetischen Antriebsvorrichtung zeigt,
Fig. 2B und 2C in bildlicher Darstellung den Magnetfluß in der Nähe der Spule der in Fig. 2 gezeigten ferromagnetischen Antriebsvorrichtung zeigen,
Fig. 2D in bildlicher Darstellung den der Spule der in Fig. 2 gezeigten ferromagnetischen Antriebsvorrichtung zugeführten periodischen Strom zeigt,
Fig. 3 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß hergestellten ferromagnetischen Geschwindigkeitssensors ist,
Fig. 4 und 5 Schnittansichten des in Fig. 3 gezeigten ferromagnetischen Geschwindigkeitssensors mit Magnetflußlinien bei verschiedenen Verlagerungsstellungen des Magnetankers sind,
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer in Fig. 1 gezeigten Meßelektronik 20 ist,
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer in Fig. 6 gezeigten Massendurchsatz-Schaltung 30 ist,
Fig. 7A verschiedenerlei Kurvenformen zeigt, die in der in Fig. 6 gezeigten Massendurchsatzschaltung 30 bei Zuständen positiver Strömung auftreten,
Fig. 7B entsprechende Kurvenformen wie die in Fig. 7A gezeigten bei Zuständen ohne Strömung zeigt,
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer in Fig. 6 gezeigten Durchflußrohr-Antriebsschaltung 40 ist,
Fig. 9 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Vorrichtung zur Verwendung als ferromagnetische Antriebsvorrichtung oder als ferromagnetischer Geschwindigkeitssensor in Verbindung mit einem Mehrrohr-Messer ist,
Fig. 10 eine Schnittansicht einer anderen erfindungsgemäß hergestellten Vorrichtung zur Verwendung als ferromagnetische Antriebsvorrichtung oder als ferromagnetischer Geschwindigkeitssensor in Verbindung mit einem Mehrrohr-Messer ist, und
Fig. 11 in bildlicher Darstellung eine Strom- Treiberschaltung für die Spulen bei dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel zeigt.
Zur Erleichterung des Verständnisses wurden zur Bezeichnung identischer, den Figuren gemeinsamer Elemente identische Bezugszeichen verwendet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt eine Gesamtdarstellung eines Coriolis- Massendurchflußmeßsystems, bei dem die Prinzipien der Erfindung angewandt sind, und insbesondere eines Massendurchflußmeßsystems, bei dem ein erfindungsgemäßer ferromagnetischer Antriebsmechanismus und erfindungsgemäße Geschwindigkeitssensoren verwendet sind. Das beschriebene System kann zum Messen der Dichte einer unbekannten Flüssigkeit verwendet werden.
Im einzelnen besteht das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßsystem aus zwei Grundkomponenten: Einem Coriolismesseraufbau 10 und einer Meßelektronik 20. Gemäß der Darstellung enthält der Coriolismesseraufbau 10 eine Montageplattform 12, an der mittels eines Rohrhalters 26 nahe an einem Einlaß 15 und eines Rohrhalters 27 nahe an einem Auslaß 16 ein im wesentlichen U-förmiges Durchflußrohr 130 frei von druckempfindlichen Anschlußstellen zu einer Drehschwingung in einem Bereich um eine Achse W-W befestigt ist. Es sind seitliche Schenkel 18 und 20 sowie ein sich dazwischen erstreckender Querverbindungsabschnitt 22 gebildet. Das U-förmige Durchflußrohr besteht vorzugsweise aus einem Rohrmaterial mit Federeigenschaft wie sie normalerweise in Materialien wie Beryll, Kupfer, Titan, Aluminium, Stahl, Legierungen aus diesen Materialien, Kunststoffen usw. zu finden ist. Obgleich das Durchflußrohr 130 als U-förmig beschrieben ist, kann es S- förmig oder schleifenförmig sein oder Schenkel haben, welche zusammenlaufen, auseinanderlaufen oder im wesentlichen schräg verlaufen. Außerdem kann das Durchflußrohr gerade sein. Vorzugsweise sind die Seitenschenkel 18 und 20 parallel und der Querschenkel 22 ist zu beiden senkrecht, jedoch werden die Ergebnisse durch wesentliche Abweichungen von der Idealform nicht merklich beeinträchtigt. Ein erfindungsgemäßer Antriebsmechanismus 180 hat einen an dem Durchflußrohr 130 befestigten ersten Teil und einen an der Montageplattform 12 befestigten zweiten Teil. Der Antriebsmechanismus 180 treibt im Ansprechen auf die Meßelektronik 20 das U-förmige Durchflußrohr 130 zu Schwingungen auf im wesentlichen seiner Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz um eine Achse W-W um den Einlaß 15 und den Auslaß 16 vorzugsweise sinusförmig an. Ein erfindungsgemäßer Geschwindigkeitssensor 160 hat einen an dem Seitenschenkel 18 des Durchflußrohrs 130 befestigten ersten Teil und einen an der Montageplattform 12 befestigten zweiten Teil. Ein erfindungsgemäßer Geschwindigkeitssensor 161 hat einen an dem Seitenschenkel 20 des Durchflußrohrs 130 befestigten ersten Teil und einen an der Montageplattform 12 befestigten zweiten Teil. Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel sind bei einer vorgegebenen Form des Durchflußrohrs die Sensoren 160 und 161 an der Stelle der maximalen Corioliskraftwirkung angeordnet. Bei dem U-förmigen Durchflußrohr wären diese Stellen nahe an den Verbindungsstellen des Querschenkels 22 mit dem Seitenschenkel 18 bzw. 20.
Der Antriebsmechanismus 180 wird durch die Meßelektronik 20 dazu betätigt, das U-förmige Durchflußrohr in Drehschwingungen um die Achse W-W zu versetzen, was eine Corioliskraft- Auslenkung des Durchflußrohrs 130 um eine Achse O-O ergibt. Der Antriebsmechanismus 180 hat im wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz wie das Durchflußrohr 130, sobald dieses mit der Flüssigkeit im gleichen Bereich wie die Flüssigkeit gefüllt ist, deren Massendurchsatz und/oder Dichte zu ermitteln ist. Gemäß der Lehre in der US-PS 4 187 721 sollte die Frequenz der Schwingung des Durchflußrohrs 130 um die Achse W-W von der Frequenz der Schwingung um die Achse O-O verschieden sein und es wäre am günstigsten, daß die Resonanzfrequenz der Schwingung um die Achse W-W niedriger als die Frequenz der Schwingung um die Achse O-O ist. Dieses Verhältnis stellt sicher, daß die dem Corioliskräftepaar entgegenwirkende vorherrschende Kraft die elastische Federverformung des U-förmigen Durchflußrohres 130 um die Achse O-O ist. Dies erübrigt auf diese Weise die Erfordernis von Meßgeschwindigkeitswiderstand-Rückstellkräften und Trägheitsgegenkräften und deren Kompliziertheit. Sobald einmal diese beiden Frequenzen gewählt sind, kann die Geometrie des Durchflußrohres unter Anwendung bekannter Verfahren derart ausgelegt werden, daß das sich ergebende Durchflußrohr mit den gewählten Frequenzen schwingt.
Wenn gemäß der Darstellung in Fig. 1 die Seitenschenkel 18 und 20 des Rohres 130 fest an dem Rohreinlaß 15 bzw. dem Auslaß 16 angebracht sind, ist durch den Coriolis- Massendurchflußmesser-Aufbau 10 hindurch ein ununterbrochener abgeschlossener Flüssigkeitsweg gebildet. Im einzelnen tritt dann, wenn die Meßvorrichtung 10 über den Einlaß 15 und den Auslaß 16 an ein (nicht gezeigtes) Rohrsystem angeschlossen ist, die Flüssigkeit in die Meßvorrichtung durch eine Düsenöffnung in dem Einlaß 15 hindurch ein und wird durch das Durchflußrohr 130 geleitet. Nach dem Austreten aus dem Durchflußrohr 130 wird die Flüssigkeit über den Auslaß 16 in das Rohrsystem zurückgeleitet.
Das U-förmige Durchflußrohr 130 hat eine Biegeachse W-W, die im wesentlichen zu den Seitenschenkeln 18 und 20 des U- förmigen Durchflußrohrs 130 senkrecht ist und die nahe an dem Rohreinlaß 15 und dem Rohrauslaß 16 liegt. In Anbetracht dessen, daß sich die Federkonstante des Rohrs 130 mit der Temperatur ändert, ist daran ein Widerstandstemperaturfühler (RTD) 190 (typischerweise ein Platin-Temperaturfühler) zum fortlaufenden Messen der Temperatur des Rohrs angebracht. Die Temperatur des Rohres 130 und damit die an dem Temperaturfühler bei einem vorgegebenen hindurchfließenden Strom auftretende Spannung ist durch die Temperatur der durch das Durchflußrohr 130 strömenden Flüssigkeit bestimmt. Die an dem Temperaturfühler auftretende temperaturabhängige Spannung wird gemäß der nachfolgenden ausführlichen Erläuterung durch die Meßelektronik 20 zum geeigneten Korrigieren des Wertes der Federkonstante für jegliche Änderungen der Rohrtemperatur benutzt. Der Temperaturfühler ist mit der Meßelektronik 20 durch eine Leitung 195 verbunden.
Das Durchflußrohr 130 wird um seine Biegeachse im wesentlichen mit seiner Resonanzfrequenz sinusförmig angetrieben, um die für das Anregen der Schwingung des Durchflußrohres benötigte Antriebskraft auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Der Antriebsmechanismus 180 führt dem Rohr 130 die sinusförmige Schwingantriebskraft zu. Von der Meßelektronik 20 wird über eine Leitung 185 an den Antriebsmechanismus 180 ein geeignetes Schwingantriebssignal angelegt, wie es nachfolgend ausführlich in Verbindung mit Fig. 8 erläutert ist.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß hergestellten ferromagnetischen Antriebsvorrichtung. Ein ferromagnetischer Magnetanker 500 ist durch Hartlötung an die Außenwand des Durchflußrohres 130 angelötet, das bei diesem Ausführungsbeispiel aus Hastelloy-C-Legierung hergestellt ist, die eine bekannte Legierung auf Nickelbasis ist, welche für die Handhabung von korrosiven Stoffen verwendet wird (Hastelloy ist ein Warenzeichen der Cabot Corporation of Kokomo, Indiana). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der ferromagnetische Magnetanker 500 an dem Durchflußrohr 130 durch Hartlot 501 befestigt und besteht aus einem Streifen aus ferromagnetischem Material wie z. B. rostfreiem Stahl 430. An dem Sockel 12 des Coriolis-Massendurchflußmessers 10 ist ein externer Magnet 502 befestigt, der ein zylindrischer Permanentmagnet ist. Der externe Magnet 502 ist auf eine dem Fachmann geläufige Weise derart angeordnet, daß er die ferromagnetischen Domänen des Magnetankers 500 ausrichtet. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß der Magnetanker 500 ein Dipolmoment zeigt, das zu der Permanenz des Magnetankermaterials und der Feldstärke des Magneten 502 proportional ist, wenn der Magnetanker 500 in das Feld des Magneten 502 eingeführt ist. Infolgedessen wirkt der Magnetanker 500 als kleiner Magnet.
Eine Spule 503 ist derart angeordnet, daß durch deren Magnetfeld der Magnetanker 500 beeinflußt wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Spule 503 aus isoliertem Draht geformt, der auf einen ringförmigen Spulenkörper 510 gewickelt ist. Alternativ kann die Spule ringförmig gewickelt und vergossen sein. Wenn der Draht eine Stärke hat, die zum Beibehalten seiner Form ausreichend ist, kann gegebenenfalls das Vergießen entfallen. Bekanntermaßen wirkt die Spule 503 als Elektromagnet, wenn ihr Strom zugeführt wird. Wenn ferner der Spule 503 ein Wechselstrom wie ein sich sinusförmig ändernder Strom zugeführt wird, wird in der Spule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Wenn das magnetische Wechselfeld mit dem den Magnetanker 500 umgebenden permanenten Feld in Wechselwirkung kommt, bewirkt das Wechselfeld eine Versetzung des Rohres 130 in der durch einen Pfeil 505 dargestellten Richtung. Das von dem externen Magneten 502 erzeugte Magnetfeld richtet die magnetischen Domänen in dem Magnetanker 500 zum Bilden eines Nordpols und eines Südpols aus, die in Fig. 2 jeweils mit H bzw. S bezeichnet sind. Der Magnetfluß in der Nähe des Magnetankers 500 kann gemäß Fig. 2A durch eine Reihe von parallelen Linien dargestellt werden. Gleichermaßen kann das von der Spule 503 bei dem Durchlaß eines sinusförmigen Stroms erzeugte Magnetfeld durch eine Reihe von parallelen Linien gemäß Fig. 2B und 2C dargestellt werden. Sobald die Polarität des der Spule 503 zugeführten Stroms umgekehrt wird, wechselt dieses Feld die Richtung. Für die Darstellung ist das Magnetfeld während der positiven Halbwelle des gemäß Fig. 2D zugeführten periodischen Stroms als das in Fig. 2B dargestellte angenommen. Während der negativen Halbwelle des Stroms mit der Kurvenform nach Fig. 2D ist gemäß Fig. 2C das Feld umgekehrt. Hierbei wird während der positiven Halbwellen durch die Anziehung der entgegengesetzten Magnetpole des Magnetankers 500 und der Spule 503 der Magnetanker 500 in die Spule 503 hineingezogen. Während der negativen Halbwellen wird durch die Abstoßung der gleichen Magnetpole des Magnetankers 500 und der Spule 503 der Magnetanker 500 von der Spule weggeschoben.
Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß die Versetzung des Magnetankers 500 und damit des Durchflußrohres 130 durch Verstärken des durch die Antriebsspule 503 fließenden Stroms größer wird. Es ist für den Fachmann auch ersichtlich, daß bei dem Herstellen des Magnetankers anstelle der rostfreien Stahllegierung 430 andere ferromagnetische Materialien benutzt werden können. Beispielsweise können auch Materialien wie Mumetall und Kohlenstoff stahl verwendet werden. Außerdem habe ich bezüglich einer festgelegten Spitzenwert-Spitzenwert-Versetzung des Magnetankers 500 die folgenden Beobachtungen gemacht:
(1) Sobald das Volumen des Magnetankers 500 aus ferromagnetischer Legierung größer wird, wird die Antriebskraft geringer, was durch eine geringere Spitze-Spitze- Spannung an der Antriebsspule 503 angezeigt ist, und
(2) Magnetankermaterialien mit verhältnismäßig höheren Magnetisierungswerten, d. h., Materialien, die nicht gesättigt werden, wenn das externe Magnetfeld stärker wird, ergeben niedrigere Antriebsspulenspannungen. Beispielsweise ergibt eine Volumeneinheit von Mumetall, das bei ungefähr 6500 Gauss gesättigt ist, an der Antriebsspule 503 eine höhere Spannung als eine Volumeneinheit von Kohlenstoff stahl, der bei ungefähr 21500 Gauss gesättigt ist.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß der Magnetanker 500 verschiedenerlei andere Formen als die in Fig. 2 gezeigte Streifenform annehmen kann. Beispielsweise kann der Magnetanker 500 die Form eines Zylinders haben.
Sobald Flüssigkeit durch das Durchflußrohr 130 strömt, während dieses in Schwingungen versetzt ist, entstehen längs der Seitenschenkel 18 und 20 (nach Fig. 1) des Durchflußrohres Corioliskräfte. Während des Schwingens des Durchflußrohres tritt ein Seitenschenkel durch dessen Schwingungsmittelebene hindurch, bevor der andere Schenkel durch dessen entsprechende Schwingungsmittelebene hindurchläuft. Das Zeitintervall, das von dem Moment des Hindurchtretens des einen Seitenschenkels durch dessen Schwingungsmittelebene bis zu dem Moment des Hindurchtretens des anderen Seitenschenkels durch dessen entsprechende Schwingungsmittelebene abläuft, ist zu dem gesamten Massendurchsatz der durch den Meßaufbau 10 strömenden Flüssigkeit proportional. Bezüglich einer weitaus ausführlicheren Erläuterung der Prinzipien der Funktion eines solchen Coriolis-Massendurchflußmessers wie des gerade beschriebenen und insbesondere bezüglich der Lehre, daß der Massendurchsatz durch Messen solcher Zeitintervalle bestimmt werden kann, wird der Leser auf das US-Patent Re 31 450 verwiesen (das J.E. Smith am 11. Februar 1982 abgeändert erteilt wurde).
Zum Messen des Zeitabstands zwischen den Durchläufen der Durchflußrohrseitenschenkel durch deren jeweilige Schwingungsmittelebenen sind nahe an dem freien Ende des Durchflußrohres 130 Geschwindigkeitssensoren 160 und 161 angeordnet. Bei dieser Gestaltung ergeben die von den Geschwindigkeitssensoren 160 und 161 erzeugten elektrischen Ausgangssignale ein Geschwindigkeitsprofil des gesamten Bewegungsverlaufs des Durchflußrohres 130 und können gemäß der nachfolgenden ausführlichen Erläuterung zum Bestimmen des Zeitabstands und dadurch wiederum zum Bestimmen des Massendurchsatzes verarbeitet werden. Im einzelnen erzeugen die Geschwindigkeitssensoren 160 und 161 jeweils das linke bzw. rechte Geschwindigkeitssignal, das auf einer Leitung 165 bzw. 166 erscheint. Der Umstand, daß die Schwingungsmittelebene als Zeitbezugspunkt herangezogen wird, sollte nicht als Einschränkung angesehen werden. Als Bezugspunkt für die Zeitabstandsmessung kann irgendein vorbestimmter Punkt des Geschwindigkeitssignals oder die zwischen diesen beiden Signalen auftretende Phasenverschiebung verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß hergestellten ferromagnetischen Geschwindigkeitssensors. Ein ferromagnetischer Magnetanker 600 ist durch Hartlötung an die Außenwand des Durchflußrohres 130 angelötet, welches bei diesem Ausführungsbeispiel aus Hastelloy-C-Legierung hergestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der ferromagnetische Magnetanker 600 an dem Durchflußrohr 130 durch Hartlot 601 befestigt und aus einem Streifen aus ferromagnetischem Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl 430 gebildet. An dem Sockel des Coriolis-Massendurchflußmessers 10 ist ein externer Magnet 602 befestigt, der durch einen U- förmigen Magnet gebildet ist. Der Magnet 602 ist derart angeordnet, daß ein daraus heraustretendes Magnetfeld auf eine Spule 604 trifft, die im Aufbau der Spule 503 (nach Fig. 2) gleichartig ist. Gemäß Fig. 3 wird dies dadurch bewerkstelligt, daß die Sensorspule 604 im wesentlichen auf dem gleichen vertikalen Niveau wie ein Pol des Magneten 602 angeordnet wird. Der U-förmige Magnet 602 ist auf eine dem Fachmann geläufige Weise derart angeordnet, daß die ferromagnetischen Domänen des Magnetankers 600 ausgerichtet werden. Bekanntermaßen zeigt der Magnetanker 600 ein zur Permanenz des Magnetankermaterials und zur Feldstärke des Magneten 602 proportionales Dipolmoment, wenn der Magnetanker 600 in das Feld des Magneten 602 eingebracht wird. Infolgedessen wirkt auf bekannte Weise der Magnetanker 600 als kleiner Magnet. Ein wahlweiser Polschuh 603, der z. B. aus kaltgewalztem Stahl oder irgendeinem anderen geeigneten magnetisch permeablem Material hergestellt ist, dient lediglich zu Lageausrichtungen zwischen dem Magneten 602 und dem Magnetanker 600.
Die Sensorspule 604 ist derart angeordnet, daß sich der Magnetanker 600 teilweise in ihr Inneres erstreckt. Sobald das Durchflußrohr 130 durch die von der Antriebsvorrichtung 180 aufgebrachte Antriebskraft schwingt, bewirkt die Bewegung des Magnetankers 600 in der Sensorspule 604 eine Änderung des Magnetflusses. Diese Änderung induziert ihrerseits in der Sensorspule 604 eine Spannung, deren Amplitude zu dem Dipolmoment und der Geschwindigkeit des Magnetankers 600 proportional ist. Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß das von dem Magneten 602 oder dem Polschuh 603 erzeugte Magnetfeld in der Sensorspule 604 keine Spannung induziert, da dieses Magnetfeld sich zeitlich nicht ändert.
Die Fig. 4 und 5 zeigen die aus dem Magneten 602 austretenden Magnetflußlinien 605 und deren Änderung in dem Fall, daß das Durchflußrohr 130 entweder nach oben oder nach unten versetzt ist, wie es jeweils in Fig. 4 bzw. 5 dargestellt ist. Gemäß Fig. 4 ist der Flußweg verformt, da der Magnetanker 600 in Form des ferromagnetischen Streifens für den Magnetfluß einen Weg mit bezüglich der umgebenden Luft geringerem magnetischen Widerstand bietet. Gemäß Fig. 5 werden durch die Versetzung des Magnetankers 600 die Feldlinien weiter verformt, da die Flußlinien dem kürzesten Luftweg zum Magnetanker 600 folgen. Wenn der Magnetanker 600 sinusförmig versetzt wird, induziert das Magnetfeld in einer geeignet angeordneten Spule wie der Spule 604 eine Spannung. Der dadurch induzierte Gesamtstrom ist eine Funktion der Geschwindigkeit der Änderung des Magnetflusses und damit der Geschwindigkeit des Magnetankers. Der induzierte Strom ist auf bekannte Weise auch eine Funktion der externen Magnetfeldstärke und der Spulenparameter, d. h., je höher die Flußdichte ist oder je größer die Windungszahl der Spule 604 ist, umso stärker ist der induzierte Strom. Außerdem ist es für den Fachmann ersichtlich, daß der in den Fig. 3 bis 5 gezeigte U-förmige Magnet durch einen Magnet in irgendeiner anderen geeigneten Form wie beispielsweise durch einen zylindrischen Magnet mit geeigneten Polschuhen oder einen Elektromagnet ersetzt werden kann, der mit einem verhältnismäßig konstanten Strom gespeist wird.
Wie angeführt nimmt die Meßelektronik 20 als Eingangssignale das an der Leitung 195 auftretende Temperaturfühlersignal und das rechte und linke Geschwindigkeitssignal auf, die jeweils auf der Leitung 165 bzw. 166 erscheinen. Die Meßelektronik 20 erzeugt auch gemäß der Beschreibung das sinusförmige Antriebssignal auf der Leitung 185. Die Meßelektronik verarbeitet gemäß der nachstehenden Erläuterung die beiden Geschwindigkeitssignale und das Temperaturfühlersignal zum Bestimmen des Massendurchsatzes der durch den Meßaufbau 10 strömenden Flüssigkeit. Die Ausgabeinformation wird von der Meßelektronik 20 auf Leitungen 28 in analoger Form beispielsweise als Signale mit 4 bis 20 mA und Frequenzausgangssignale zur leichten Anpassung an anderen Prozeßsteuerausstattungen und auf Leitungen 22 in serieller RS-232C-Form abgegeben.
Ein Blockschaltbild der Meßelektronik 20 ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei besteht gemäß der Darstellung die Meßelektronik 20 aus einer Massendurchsatzschaltung 30, einer Durchflußrohrantriebsschaltung 40 und einer Anzeige 70.
Die Massendurchsatzschaltung 30 verarbeitet das über die Leitung 165 bzw. 166 zugeführte linke und rechte Geschwindigkeitssignal zusammen mit dem auf der Leitung 195 auftretenden Temperaturfühlersignal zum Ermitteln des Massendurchsatzes der durch den Meßaufbau 10 strömenden Flüssigkeit, wie es nachfolgend in Verbindung mit Fig. 7 ausführlich erläutert ist. Die sich ergebende Massendurchsatzinformation wird über eine Leitung 281 als Ausgangssignal mit 4 bis 20 mA zum einfachen Anschluß an ein zusätzliches Prozeßsteuergerät und als Signal mit normierter Frequenz über eine Leitung 282 zum einfachen Anschluß an ein entferntes zählendes Meßgerät abgegeben. Die auf den Leitungen 281 und 282 erscheinenden Signale bilden die Prozeßsignale, die gemeinsam auf den in Fig. 1 gezeigten Leitungen 28 erscheinen.
Die Durchflußrohrantriebsschaltung 40, die in Fig. 6 gezeigt ist und die in Verbindung mit Fig. 8 ausführlich beschrieben wird, liefert über die Leitung 185 dem Antriebsmechanismus 180 ein Rechteckwellen-Antriebssignal. Diese Schaltung synchronisiert das Rechteckwellen-Antriebssignal mit dem linken Geschwindigkeitssignal, das auf den Leitungen 165 und 41 auftritt.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild der in Fig. 6 gezeigten Massendurchsatzschaltung 30, wobei die von dieser Schaltung erzeugten entsprechenden Kurvenformen bei positiver Strömung in Fig. 7A und ohne Strömung in Fig. 7B gezeigt sind. Hierbei werden die ankommenden sinusförmigen Geschwindigkeitssignale aus dem rechten und dem linken Geschwindigkeitssensor 160 und 161 über die Leitungen 165 und 166 jeweils an Integratoren 305 bzw. 330 angelegt. Wenn die Flüssigkeit in einer positiven Richtung strömt, nämlich in den Meßaufbau 10 durch den Einlaß 15 (nach Fig. 1), bewirken die dadurch erzeugten Corioliskräfte, daß der rechte Seitenschenkel (am Auslaß) des Durchflußrohres 130 durch die Schwingungsmittelebene hindurchtritt, bevor der linke Seitenschenkel (am Einlaß) des Durchflußrohres 130 durch dessen entsprechende Schwingungsmittelebene hindurchtritt. Infolgedessen eilt das rechte Geschwindigkeitssignal dem linken Geschwindigkeitssignal vor, wie es aus den in Fig. 7A gezeigten Geschwindigkeitssignal- Kurvenformen ersichtlich ist. Diese Phasendifferenz ist linear proportional zu dem Massendurchsatz der Flüssigkeit. Als Ergebnis der Funktion der Integratoren 305 und 330 werden die beiden Geschwindigkeitssignale um 90º phasenverschoben und invertiert, um das invertierte linke und rechte Lagesignal zu erhalten. Die Ausgangssignale der Integratoren 305 und 330 werden jeweils durch Verstärker 310 und 335 verstärkt und begrenzt. Die sich ergebenden begrenzten linken und rechten Lagesignale VLP und VRP werden durch Pegeldetektoren 315 und 340 mit jeweiligen negativen bzw. positiven Bezugspegeln -Vref und +Vref verglichen. Ein Zeitintegrator 345 integriert den Zeitunterschied zwischen den Ausgangssignalen VR und VL, die jeweils von den Pegeldetektoren 315 und 340 erzeugt werden und auf Leitungen 316 bzw. 343 auftreten. Ein auf einer Leitung 323 erscheinendes Rücksetzsignal VC wird dazu verwendet, den Integrator 345 rückzusetzen und dadurch den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem die Integration beginnt. Das Rücksetzsignal VC wird dadurch gebildet, daß zuerst das linke Geschwindigkeitssignal auf der Leitung 165 an einen Verstärker 320 angelegt wird, der dieses Signal verstärkt und begrenzt, und das sich dann ergebende Signal danach an einen Nulldurchgangsdetektor 325 angelegt wird. Im einzelnen stellt sich gemäß der Darstellung in Fig. 7A der Integrator 345 während des Zeitabstands zwischen einer Anstiegsflanke des Rücksetzsignals VC und einer Anstiegsflanke des Signals VL selbst zurück (Rücksetzzustand). Danach integriert der Integrator 345 negativ den Zeitabstand zwischen den Anstiegsflanken der Signale VL und VR und dann positiv die Zeitdifferenz zwischen den abfallenden Flanken der Signale VR und VL. Das Ausgangssignal des Integrators 345 wird an eine Abfrage/Halte- bzw. S/H-Schaltung 359 angelegt. Diese Schaltung ruft die von dem Integrator nach beendeter positiver Integration und vor dem Auftreten des Rücksetzzustands erzeugte Ausgangsspannung ab. Infolgedessen gibt diese Schaltung einen Wert ab, der zu dem Wert der abgefragten Integratorausgangsspannung äquivalent ist. Danach behält die Abfrage/Halteschaltung 350 ihr Ausgangssignal mit diesem Wert während des Restes des nächsten Integrationszyklus bei. Bei einer positiven Strömung wird das Ausgangssignal der Abfrage/ Halteschaltung 350 der von dem Integrator 345 erzeugten positiven Netto-Spannung +Vnet nachgeführt. Diese positive Netto-Spannung ist zu der Zeitdifferenz zwischen den Geschwindigkeitssignalen und damit zu dem Massendurchsatz proportional. Bei Strömungen in der Gegenrichtung sind die Corioliskräfte und die Netto-Ausgangsspannung des Integrators umgekehrt und das von der Abfrage/Halteschaltung abgegebene Signal wird negativ statt positiv. Wenn keine Flüssigkeit strömt, sind die Kurvenformen des linken und rechten Geschwindigkeitssignals ebenso wie das invertierte linke und rechte Lagesignal und die Spannungen VR und VL gleichphasig. Infolgedessen wird unmittelbar vor dem Auftreten eines Rücksetzzustands von dem Integrator 345 eine Netto-Ausgangsspannung mit dem Wert 0 abgegeben.
Das Ausgangssignal der Abfrage/Halteschaltung 350 (nach Fig. 7) wird durch ein Tiefpaßfilter 355 geglättet und danach an einen Spannung/Frequenz-Wandler 360 angelegt. Dieser Wandler ist derart eingestellt, daß er an der Leitung 282 ein Ausgangssignal mit einer normierten Frequenz von typischerweise 0 bis 10 kHz erzeugt, die proportional zu den Strömungsdurchsätzen ist, welche mittels des Meßaufbaus 10 gemessen werden können. Das von dem Widerstands-Temperaturfühler 190 erzeugte und auf der Leitung 195 erscheinende Signal wird dazu verwendet, die Normierung des Wandlers 360 für irgendwelche Temperatur zu verändern, die Änderungen hinsichtlich des Steifigkeitsmoduls (Scherungsmoduls) des Durchflußrohres verursacht. Im einzelnen wird das Temperatursignal zuerst durch eine Schaltung 370 linearisiert, um die Nichtlinearität des Widerstands-Temperaturfühlers zu korrigieren, und danach über eine Leitung 372 an den Verstärkungseingang GAIN des Wandlers 360 angelegt. Zum Erzeugen eines analogen Ausgangssignals mit 4 bis 20 mA auf der Leitung 281 wird das auf der Leitung 282 auftretende Frequenzausgangssignal an einen Wandler 365 zum Umsetzen der Frequenz auf 4 bis 20 mA angelegt.
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild der in Fig. 6 gezeigten Durchflußrohr-Antriebsschaltung 40. Diese Schaltung nimmt das von der Spule 160 erzeugte linke Geschwindigkeitssignal auf und gibt im Ansprechen hierauf an den Antriebsmechanismus 180 ein Rechteckwellen-Antriebssignal mit einer Frequenz ab, die gleich der Resonanzfrequenz des Rohrs ist und mit dessen Bewegung gleichphasig ist. Dadurch führt dieses Antriebssignal dem Durchflußrohr 130 mechanische Energie zum Überwinden der eigenen mechanischen Verluste und dadurch zum Sicherstellen zu, daß das Rohr ständig mit seiner Resonanzfrequenz schwingt.
Im einzelnen erzeugt ein Synchronverstärker 449 eine Rechteckwelle, die synchron mit jedem Nulldurchgang des linken Geschwindigkeitssignals VL von positiven Steuerpegel auf negativen Steuerpegel wechselt, nämlich dann, wenn die beiden Schenkel des Durchflußrohres 130 gleichzeitig einen Endpunkt ihres Schwingungsweges erreichen. Im einzelnen leitet der Synchronverstärker über die Leitung 185 dem Antriebsmechanismus 180 einen positiven Ansteuerungspegel während des positiven Abschnittes des Geschwindigkeitssignals zu, wie es durch die in der Figur dargestellten Kurvenformen gezeigt ist. Gleichermaßen leitet der Synchronverstärker 449 einen negativen Ansteuerungspegel zu der Leitung 185 während des negativen Abschnittes des Geschwindigkeitssignals. Das auf der Leitung 41 erscheinende Geschwindigkeitssignal VL wird durch einen Verstärker 432 verstärkt, bevor es als Schaltsignal an den Synchronverstärker 449 angelegt wird.
Der Rest dieser Schaltung stellt für jeden dieser beiden Ansteuerungspegel die richtige Amplitude (in Größe und Vorzeichen) ein. Im einzelnen wird das linke Geschwindigkeitssignal um 90º phasenverschoben und dann zum Erzeugen eines Schwingungssignals VM invertiert, welches dem linken Geschwindigkeitssignal um 90º voreilt. Das Vorzeichen des Vorläufersignals VM bestimmt, welche bestimmten Ansteuerungsspannungen an die Eingänge für den positiven und den negativen Ansteuerungspegel des Synchronverstärkers 449 während der nächsten Halbwelle des Geschwindigkeitssignals angelegt werden.
Im einzelnen wird das von der Spule 160 erzeugte sinusförmige linke Geschwindigkeitssignal VL über die Leitung 41 als Eingangssignal an einen 90&sup0;-Phasenschieber 431 angelegt. Das sinusförmige Ausgangssignal des Phasenschiebers wird über einen Verstärker 438 an einen Inverter 439 angelegt, um das Signal VM zu erhalten, welches wiederum an den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 443 angelegt wird. Das Signal VM eilt dem linken Geschwindigkeitssignal VL um 900 vor. Der Differenzverstärker 443 vergleicht das Signal VM mit einem vorbestimmten Bezugspegel VLR. Ein Vergleich erfolgt bei jedem (positiven und negativen) Spitzenwert des Signals VM, um festzustellen, ob dieser Spitzenwert ein positiver oder ein negativer Spitzenwert ist. Falls der Vergleich anzeigt, daß der Spitzenwert unter einem Bezugspegel (VLR) liegt, dann ist dieser Spitzenwert ein negativer Spitzenwert. In diesem Fall gibt der Differenzverstärker 443 an seinem Ausgang einen positiven Pegel ab, was ein positives Antriebssignal ergibt, das von einem Verstärker 445 erzeugt und an den positiven Treibereingang des Synchronverstärkers 449 angelegt wird. Weil das positive Ausgangssignal des Verstärkers 445 durch einen Inverter 452 invertiert wird, wird an den Negativansteuerungspegel-Eingang des Synchronverstärkers ein negatives Ansteuerungssignal angelegt. Um zu verhindern, daß ein jeweiliges dieser Ansteuerungssignale während der nächsten Halbwelle des Signals VM die Polarität wechselt, wird von dem Differenzverstärker 443 sein Eingangssignal abgefragt und ein neuer Ausgangswert nur dann abgegeben, wenn an seinem Einschalteingang ENABLE ein hoher Pegel auftritt. Im einzelnen wird dieser Verstärker nur bei jedem negativ gerichteten Nulldurchgang des Geschwindigkeitssignals VL durch einen auf einer Leitung 437 auftretenden geeigneten Einschaltimpuls eingeschaltet. Zum Erzeugen dieses Impulses wird das Ausgangssignal des Verstärkers 432 als Eingangssignal an einen Vergleicher 434 angelegt, der als Nulldurchgangsdetektor wirkt. Das Ausgangssignal dieses Detektors ist eine Rechteckwelle, die mit dem Geschwindigkeitssignal VL gleichphasig ist. Diese Rechteckwelle wird wiederum als Eingangssignal an einen Abfallflankendetektor 435 angelegt, der einen Impuls bei jedem negativ gerichteten Übergang dieser Rechteckwelle erzeugt, nämlich bei jedem negativ gerichteten Nulldurchgang des Geschwindigkeitssignals. Die Verstärkung eines jeden Verstärkers und Inverters in der Schaltung 40 wird derart gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Amplitude des an die Antriebsspule angelegten Antriebssignal dazu ausreicht, das Durchflußrohr 130 sinusförmig mit seiner Resonanzfrequenz schwingen zu lassen.
Es ist für den Fachmann klar, daß der erfindungsgemäße ferromagnetische Antrieb und die erfindungsgemäßen Geschwindigkeitssensoren zum Herstellen eines Mehrfahrrohr-Coriolis- Meßsystems wie des in der US-PS 4 491 025 dargestellten benutzt werden können.
Im einzelnen zeigt die Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen ferromagnetischen Antriebs und/oder Geschwindigkeitssensors für die Verwendung einem Coriolis- Meßsystem mit mehreren Rohren. Durch Hartlötung ist an die Außenwand eines Durchflußrohres 1010 ein ferromagnetischer Magnetanker 1001 und an die Außenwand eines Durchflußrohres 1011 ein ferromagnetischer Magnetanker 1002 angelötet, wobei diese Durchflußrohre ein Teil eines Mehrfachrohr-Meßsystems sind. Gemäß der vorstehenden Beschreibung bezüglich der Einzelrohr-Systeme sind die Magnetanker 1001 und 1002 jeweils ein Streifen aus ferromagnetischem Material wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl 430. Ein externer Magnet 1000 ist ein Permanentmagnet und auf eine dem Fachmann bekannte Weise derart angeordnet, daß die ferromagnetischen Domänen der Magnetanker 1001 und 1002 ausgerichtet werden. Infolgedessen wirken die Magnetanker 1001 und 1002 als kleine Magneten.
Eine Spule 1003 ist derart angeordnet, daß durch deren Magnetfeld die Magnetanker 1001 und 1002 beeinflußt werden. Wenn der Spule 1003 ein Wechselstrom wie ein sich sinusförmig ändernder Strom zugeführt wird, wird in der Spule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Wenn das magnetische Wechselfeld mit dem die Magnetanker 1001 und 1002 umgebenden permanenten Feld zusammenwirkt, bewirkt das Wechselfeld eine jeweilige Versetzung der Rohre 1010 und 1011 in den jeweils durch Pfeile 1030 und 1031 dargestellten Richtungen. Diese Schwingbewegung tritt auf die vorangehend in bezug auf das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel beschriebene Weise auf. Das durch den externen Magneten 1000 hervorgerufene Magnetfeld richtet die magnetischen Domänen in den Magnetankern 1001 und 1002 zum Bilden eines jeweiligen Nordpols und Südpols aus, die in Fig. 9 jeweils mit N bzw. S bezeichnet sind. Infolgedessen werden die parallelen Rohre unter 180º Phasenverschiebung zum Schwingen wie die Zinken einer Stimmgabel angeregt. Dies ist vorteilhaft, da es die Übertragung von Vibrationen von den Durchflußrohren zu dem angeschlossenen Prozeßröhrennetz verringert. Außerdem kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 als Geschwindigkeitssensor verwendet werden. Entsprechend der Erläuterung des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels für den Geschwindigkeitssensor wird durch die Schwingbewegung der Magnetanker 1001 und 1002 in der Spule 1003 in dieser ein Strom induziert. Infolge der einander entgegengesetzten Richtungen der Schwingung der beiden Magnetanker ist zu erwarten, daß das in der Spule 1003 induzierte Signal die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Durchflußrohren 1010 und 1011 darstellt.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen ferromagnetischen Antriebsmechanismus und/ oder Geschwindigkeitssensor für den Einsatz in einem Coriolis-Meßsystem mit mehreren Rohren. Durch Hartlötung ist an die Außenwand eines Durchflußrohres 2010 ein ferromagnetischer Magnetanker 2001 und an die Außenwand eines Durchflußrohres 2011 ein ferromagnetischer Magnetanker 2002 angelötet, wobei diese Durchflußrohre ein Teil eines Mehrfachrohr- Meßsystems sind. Gemäß der vorangehenden Beschreibung bezüglich der Einzelrohrsysteme sind die Magnetanker 2001 und 2002 jeweils ein Streifen aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl 430. Ein externer Magnet 2000 ist ein Permanentmagnet und auf eine dem Fachmann bekannte Weise zum Ausrichten der ferromagnetischen Domänen der Magnetanker 2001 und 2002 angeordnet. Infolgedessen wirken die Magnetanker 2001 und 2002 als kleine Magneten.
Eine Spule 2050 ist derart angeordnet, daß durch deren Magnetfeld der Magnetanker 2001 beeinflußt wird, und eine Spule 2051 ist derart angeordnet, daß durch ihr Magnetfeld der Magnetanker 2002 beeinflußt wird. Wenn die in Fig. 10 gezeigte Anordnung als Antriebsmechanismus verwendet wird, werden die Spulen 2050 und 2051 in entgegengesetzter Richtung gewickelt und elektrisch auf die durch den Stromkreis nach Fig. 11 dargestellte Weise verbunden. Mittels der in Fig. 11 gezeigten Schaltung werden die Spulen 2050 und 2051 vorteilhafterweise mit der gleichen Treiberschaltung 2060 unter 180º Phasenverschiebung angesteuert. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Spulen 2050 und 2051 in gleicher Richtung gewickelt sein und mittels gesonderter Treiberschaltungen angesteuert werden, deren Ausgangssignale um 1800 phasenverschoben sind. Wenn den Spulen 2050 und 2051 jeweils ein Wechselstrom wie ein sich sinusförmig ändernder Strom zugeführt wird, werden in den Spulen magnetische Wechselfelder erzeugt. Wenn die magnetischen Wechselfelder mit dem die Magnetanker 2001 und 2002 umgebenden permanenten Magnetfelder in Wechselwirkung kommen, werden die Rohre 2010 und 2011 jeweils in den durch Pfeile 2030 bzw. 2031 dargestellten Richtungen versetzt. Diese Schwingbewegung tritt auf die vorangehend in bezug auf das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel beschriebene Weise auf. Das von dem externen Magneten 2000 erzeugte Magnetfeld richtet die magnetischen Domänen in den Magnetankern 2001 und 2002 zum Bilden von Nordpolen und Südpolen aus, die in Fig. 10 jeweils mit N und S bezeichnet sind. Infolgedessen werden die parallelen Rohre unter 180º Phasenverschiebung zu Schwingungen wie die Zinken einer Stimmgabel angeregt. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch die Übertragung von Vibrationen von den Durchflußrohren zu dem angeschlossenen Prozeßröhrennetz verringert wird. Außerdem kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 als Geschwindigkeitssensor eingesetzt werden. Entsprechend der Erläuterung des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels für den Geschwindigkeitssensor wird infolge der Schwingbewegung der Magnetanker 2001 und 2002 in den Spulen 2050 und 2051 in diesen ein Strom induziert. Wenn die Ausgänge der Spulen 2050 und 2051 in Reihe geschaltet sind, ist wegen der einander entgegengesetzten Schwingrichtungen der beiden Magnetanker zu erwarten, daß das sich ergebende Signal die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Rohren 2010 und 2011 darstellt.
Obgleich hier verschiedenerlei Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, können auf einfache Weise durch den Fachmann mancherlei andere Ausführungsbeispiele gestaltet werden, die die Lehren der Erfindung beinhalten. Beispielsweise können die Permanentmagnete durch Elektromagnete ersetzt werden, die verhältnismäßig konstante Magnetfelder erzeugen.

Claims

1. Coriolis-Massendurchflußmesser, der

ein erstes Durchflußrohr (130), das in Schwingbewegung mit einer vorbestimmten Frequenz um eine erste Achse (W) versetzbar ist und das im Ansprechen auf eine durch die Bewegung einer Flüssigkeit durch das erste Durchflußrohr (130) induzierte Coriolis-Kraft eine Torsionsbewegung um eine zweite Achse (0) erfährt,

eine Plattform (12), an der beide Enden des ersten Durchflußrohres (130) befestigt sind,

einen Geschwindigkeitssensor (160, 161) zum Erzeugen eines Signals, das sich als Funktion der Geschwindigkeit des Durchflußrohres ändert, und

einen Antriebsmechanismus (180) zum Liefern einer sich sinusförmig ändernden Antriebskraft aufweist, die die Schwingbewegung des ersten Durchflußrohres (130) bewirkt, wobei der Antriebsmechanismus

ein erstes längliches ferromagnetisches Element (500), das an die Außenwand des ersten Durchflußrohres (130) derart angebracht ist, daß sich ein erstes Ende des ersten Elementes (500) von dem ersten Durchflußrohr weg in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen zu einer Richtung parallel ist, in der das erste Durchflußrohr (130) in Schwingungen zu versetzen ist,

eine in Bezug auf die Plattform (12) fest angeordnete und zur Aufnahme eines ersten Endes des ferromagnetischen Elementes (500) gestaltete erste Spule (503) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Weise, daß die Lage des ferromagnetischen Elementes (500) in Bezug auf die erste Spule (503) beeinflußt wird, und

eine Einrichtung (40) zum Anlegen einer sich sinusförmig ändernden Spannung an die erste Spule (503) aufweist, um das Magnetfeld sinusförmig zu ändern und dadurch die Schwingbewegung des ersten ferromagnetischen Elementes (500) und des daran angebrachten ersten Durchflußrohres (130) hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmechanismus (180) ferner einen an der Plattform (12) befestigten Permanentmagneten (502, 504, 506) zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Magnetfeldes in dem ersten ferromagnetischen Element (500) in der Weise aufweist, daß die darin auftretenden magnetischen Domänen auf geeignete Weise in einer Richtung ausgerichtet werden, die im wesentlichen parallel zu der Richtung ist, in der sich das erste Durchflußrohr (130) bei der Schwingbewegung bewegt, wobei die erste Spule (503) in dem ferromagnetischen Element (500) ein Magnetfeld erzeugt, das im wesentlichen parallel zu der Richtung ausgerichtet ist, in der sich das erste Durchflußrohr (130) bewegt.

2. Coriolis-Messer nach Anspruch 1, der ferner ein zweites Durchflußrohr (2011) aufweist, das im wesentlichen dem ersten Durchflußrohr (2010) gleichartig ist und das im wesentlichen parallel zu dem ersten Durchflußrohr ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmechanismus ferner

ein zweites längliches ferromagnetisches Element (2002), das an die Außenwand des zweiten Durchflußrohres (2011) derart angebracht ist, daß ein erstes Ende des zweiten Elementes (2002) sich von dem zweiten Durchflußrohr (2011) weg in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen parallel zu

einer Richtung ist, in der das zweite Durchflußrohr (2011) in Schwingungen zu versetzen ist,

eine in Bezug auf die Plattform (12) in der Nähe der Konstantmagnetfeld-Erzeugungsvorrichtung (2000) fest angeordnete zweite Spule (2051) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das mit dem konstanten Feld zum Erzeugen eines zweiten zusammengesetzten Magnetfeldes in dem zweiten ferromagnetischen Element (2002) zusammenwirkt, und

eine Einrichtung (40) zum Anlegen einer sich sinusförmig ändernden Spannung an die zweite Spule (2051) derart aufweist, daß sich das zweite zusammengesetzte Magnetfeld sinusförmig ändert und dadurch eine Schwingbewegung des zweiten ferromagnetischen Elementes (2002) und des daran angebrachten zweiten Durchflußrohres (2011) hervorgerufen wird.

3. Coriolis-Messer nach Anspruch 1, der ferner ein zweites Durchflußrohr (1011) aufweist, das im wesentlichen dem ersten Durchflußrohr (1001) gleichartig ist und das im wesentlichen parallel zu dem ersten Durchflußrohr (1001) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmechanismus ferner

ein zweites längliches ferromagnetisches Element (1002) aufweist, das an der Außenwand des zweiten Durchflußrohres (1011) derart angebracht ist, daß ein erstes Ende des zweiten Elementes (1002) sich von dem zweiten Durchflußrohr (1011) weg in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen parallel zu einer Richtung ist, in der das zweite Durchflußrohr (1011) in Schwingungen zu versetzen ist, wobei das erste und das zweite ferromagnetische Element (1001, 1002) auf zweckdienliche Weise derart ausgerichtet sind, daß die ersten Enden des ersten und zweiten Elementes (1001, 1002) sich aufeinander zu erstrecken, und

daß die erste Spule (1003) auf zweckmäßige Weise zwischen den ersten Enden des ersten und zweiten ferromagnetischen Elementes (1001, 1002) derart angeordnet ist, daß sich die ersten Enden des ersten und zweiten Elementes innerhalb der jeweiligen gegenüberliegenden Enden des Kernes der ersten Spule (1003) hin- und herbewegen können und dadurch im wesentlichen gegenläufige Schwingbewegungen des ersten und zweiten Elementes (1001, 1002) und des jeweils daran angebrachten ersten und zweiten Durchflußrohres (1010, 1011) hervorgerufen werden, sobald an die erste Spule (1003) eine geeignete sinusförmige Spannung angelegt wird.

4. Coriolis-Massendurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitssensor (160, 161)

ein längliches ferromagnetisches Element (600), das an der Außenwand des Durchflußrohres (130) derart angebracht ist, daß ein erstes Ende des Elementes (600) sich von dem Durchflußrohr (130) weg in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen parallel zu einer Richtung ist, in der sich das Durchflußrohr (130) bei der Schwingbewegung bewegt,

eine an der Plattform befestigte Permanentmagnetvorrichtung (602, 603) zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Magnetfeldes in dem Element (600) derart, daß die darin auftretenden magnetischen Domänen auf geeignete Weise in einer Richtung ausgerichtet werden, die im wesentlichen parallel zu der Richtung ist, in der sich das Durchflußrohr (130) um die erste Achse (W) bewegt, und

eine in Bezug auf die Plattform (12) nahe an der Konstantfeld-Erzeugungsvorrichtung (602, 603) fest angeordnete Spule (604) aufweist, die das Signal erzeugt, sobald sich das Element (600) und das daran angebrachte Durchflußrohr (130) um die erste Achse (W) bewegen, wobei die Spule (604) in dem Feld auf geeignete Weise derart angeordnet ist, daß sich die Flußdichte des Feldes, dem die Spule (604) ausgesetzt ist, entsprechend der Bewegung des Elementes (600) in Bezug auf die Spule (604) ändert.