DE3808461A1 - Coriolis-massendurchflussmessung mit einem im querschnitt verformbaren messrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur Massendurchflußmessung nach dem Coriolis-Prinzip. Dabei wird wenigstens ein von Fluid durchströmtes und elastisch verformbares Meßrohr periodisch ausgelenkt. Als Maß für den Massendurchfluß werden Phasenverschiebungen zwischen Auslenkungen von Abschnitten der Meßrohrwand ge­ messen, die - in Strömungsrichtung gesehen - unterschied­ lich angeordnet sind.

Es ist bekannt (JP-OS 57-1 37 818), Massendurchfluß­ messungen mit einem einzigen Meßrohr durchzuführen. Das Meßrohr ist dabei an seinen beiden Enden fest eingespannt. In seiner Mitte wird es zu Biegeschwingungen quer zur Strömungsrichtung angeregt, das heißt, das Innen- und Außenprofil des Meßrohres wird in einer Ebene entlang der Strömungsrichtung des Fluids mit bestimmter Periodendauer verformt. Aufgrund der festen Einspannung an den beiden Enden erstreckt sich über die gesamte Meßrohrlänge eine einzige Halbwelle mit sich periodisch ändernder Ausbauchung. Fließt nun Fluid bestimmter Masse durch das Meßrohr, wird aufgrund auftretender Corioliskräfte die Form der Halbwelle verzerrt (phasenverschoben). Allerdings verursachen die­ se Biegeschwingungen in Form einer einzigen Halbwelle eine periodische Wanderung des Schwerpunkts des Massen­ durchflußmessers. Die Schwerpunktswanderung führt in der Regel zu Vibrationen des Gehäuses des Meßgerätes und der Fluidleitung, in welche der Massendurchflußmesser einge­ fügt ist. Diese auf die Umgebung übertragenen Vibratio­ nen führen zu einem Verlust an Biegeschwingungsenergie des Meßrohres. Ist die Energieabgabe einlaufseitig und auslaufseitig unterschiedlich, zum Beispiel wegen unter­ schiedlich fester Einspannungen des Meßrohres, wirkt sich dies auf die zu messenden Phasenverschiebungen aus. Ins­ besondere kann es zu Verschiebungen des Nullpunkts der Phasenverschiebung und mithin zu Meßungenauigkeiten kom­ men.

Ferner ist es bekannt (DE-PS 35 05 166), Massendurch­ flußmessungen mit zwei Meßrohren durchzuführen. Dabei sind die beiden Meßrohre einlauf- und auslaufseitig mittels zweier Rohrverbinder strömungstechnisch parallal geschal­ tet. Die Meßrohre werden jeweils in gegensinnige Biege­ schwingungen versetzt, so daß die Wände des ersten Meß­ rohres zu denen des zweiten Meßrohres um 180 Grad phasen­ verschoben ausgelenkt werden. Dadurch wird eine Wanderung des Schwerpunkts des Massendurchflußmessers vermieden. Allerdings ist ein schwingendes Meßrohrsystem mit mindes­ tens zwei Meßrohren notwendig.

Bei einem Massendurchflußmesser der eingangs genannten Art (internationale Patentveröffentlichung WO 87/06 691) ist ein einziges Meßrohr an seinen beiden Enden fest ein­ gespannt und wird zu Biegeschwingungen in einem höheren, "antisymmetrischen" Schwingungsmode angeregt. Dem entspricht eine Biegeschwingungsform, bei der sich zwei Halbwellen über die gesamte Meßrohrlänge erstrecken. Dabei entstehen drei sogenannte Schwingungsknoten in der Meßrohrmitte und an den beiden Meßrohrenden, und zwischen den Schwin­ gungsknoten kommt es zu einander entgegengesetzten perio­ dischen Ausbauchungen, das heißt, es entstehen zwischen den Schwingungsknoten sogenannte Schwingungsbäuche.

Zwar wird durch die gegensinnig gleiche Ausbauchung des Meßrohres eine periodische Wanderung des Schwerpunkts des Meßgeräts vermieden. Jedoch ist für das Meßrohr an den Stellen, wo die Schwingungsamplituden am größten sind (Schwingungsbäuche), ein oval ausgebildeter Querschnitt notwendig, um dort den Biegewiderstand zu vermindern. Diese Ausbildung des Querschnitts führt in der Herstellung zu einem Mehraufwand. Zudem sind an den Meßrohrenden feste Einspannstellen zur Bildung der Schwingungsknoten notwen­ dig, an denen aufgrund der Biegeschwingungen Drehmomente angreifen. Schließlich wird mit zunehmenden Meßrohrdurch­ messern (Nennweiten) die Erzeugung von Biegeschwingungen, insbesondere in einem höheren Schwingungsmode, immer auf­ wendiger und schwieriger.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, einen Massendurchflußmesser der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, der - unter Vermeidung der genannten Nachteile - einfach und kostengünstig herstellbar sowie einfach und kompakt aufgebaut ist, und im Betrieb zuverlässig und weit­ gehend ohne Störeinfluß auf seine Meßumgebung ist. Dabei soll er insbesondere ohne periodische Wanderung seines Schwerpunkts betreibbar sein und auch große Nennweiten bewältigen können. Diese Problematik wird durch ein Ver­ fahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Ein zu dessen Durch­ führung geeignetes Meßgerät ist gemäß Patentanspruch 8 ausgebildet.

Gemäß Erfindung wird für Meßrohre ein Schwingungsmode ge­ wählt, in welchem einander symmetrisch zur mittleren Längs­ achse (Mittelachse) des Meßrohres gegenüberliegende Teile oder Abschnitte der Meßrohrwand gleichsinnig oder gegensinnig, das heißt zueinander in Phase oder um 180 Grad phasenverschoben, ausgelenkt werden. Die Auslenkung der Wände wird durch elastisch-reversible Verformung des Meßrohrquerschnitts erreicht. Fließt aus einer Fluidlei­ tung in das derart periodisch verformte Meßrohr Fluid bestimmter Masse, so muß es einlaufseitig die Energie der Verformungsschwingungen aufnehmen und auslaufseitig diese aufgenommene Energie wieder abgeben. Das bedeutet, daß Corioliskräfte auftreten, die einlaufseitig die De­ formation des Meßrohres und damit die Auslenkung der Meß­ rohrwände verzögern und auslaufseitig beschleunigen. Die so entstehende Phasenverschiebung der Auslenkungen von Abschnitten der Meßrohrwand, die über die Meßrohrlänge unterschiedlich verteilt angeordnet sind, kann zur Be­ stimmung des Massendurchflusses gemessen werden.

Bei der erfindungsgemäßen Massendurchflußmessung ist es grundsätzlich nicht mehr notwendig, Meßrohre zu Biege­ schwingungen anzuregen. Damit wird der Vorteil erzielt, daß in den Bereichen der festen Einspannung und/oder freien Aufhängung der Meßrohrenden keine Drehmomente angreifen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für große Nennweiten - im Vergleich zu herkömmlichen Meßverfahren mit in Biegeschwin­ gungen versetzten Rohren - kürzere Meßrohrlängen verwen­ det werden können.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung stimmt der Kehrwert der Periodendauer der Querschnittsverformun­ gen im wesentlichen mit einer der Eigen-/Resonanzfrequen­ zen von Schwingungen des Umfangs des Meßrohres in Radial­ richtung überein. Dadurch kommt es zu einer Auslenkung der Meßrohrwände derart, daß die Lage der Schwerlinie des Meßrohres weitgehend konstant bleibt. Mithin werden bei der erfindungsgemäßen Massendurchflußmessung perio­ dische Wanderungen des Schwerpunktes des Meßgerätes und damit in dessen Umgebung übertragene Vibrationen weitge­ hend vermieden, ohne daß dabei zusätzlicher, konstruktiver Aufwand notwendig wäre.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Resonanz­ frequenz für die Umfangsschwingungen des Meßrohres so ausgewählt, daß ein Schwingungsmode höherer Ordnung ent­ steht, das heißt es bilden sich auf der Meßrohrwand in Umfangsrichtung des Meßrohres Wellen der Anzahl n mit n größer als null aus. Dabei entstehen über den Umfang des Meßrohrs gleichmäßig verteilt Schwingungsknoten mit da­ zwischenliegenden Schwingungsbäuchen, jeweils der Anzahl zweimal n.

Ein zusätzlicher Problempunkt besteht darin, eine ausrei­ chende Meßempfindlichkeit und/oder Schwingungsstabilität zu erzielen. Dem wird mit einer weiteren Ausbildung der Erfindung begegnet, nach der bei dem Meßrohr zusätzlich zu den Umfangsschwingungen Biegeschwingungen erregt wer­ den. Vorteilhaft erscheint es dabei besonders, wenn einer­ seits für die Biegeschwingungen ein Mode gewählt wird, bei dem längs des Meßrohres zwei Halbwellen mit einem Schwin­ gungsknoten in Meßrohrmitte entstehen (Mode zweiter Ordnung). Dieser Schwingungsknoten trägt zur Erhöhung der Stabili­ tät der Frequenz der Umfangsschwingungen bei, auf welchen die Massendurchflußmessung beruht. Dabei erscheint es als besonders vorteilhaft, für die Umfangsschwingungen den Mode mit der Ordnungszahl n gleich drei oder vier zu wählen. Bei dieser Erfindungsausbildung treten unver­ meidlich aufgrund der Biegeschwingungen an den Einspann­ stellen des Meßrohres Wechsel-Drehmomente auf. Deren gegebenenfalls unerwünschte Auswirkungen können beispiels­ weise durch mechanische Filteranordnungen, bestehend zum Beispiel aus Masse- und/oder Feder- und/oder Dämpferele­ menten, eingedämmt oder ausgeschaltet werden.

Die periodische Verformung des Meßrohres läßt sich zweck­ mäßigerweise dadurch erzielen, daß die Meßrohrwände ent­ sprechend ausgelenkt werden durch extern erzeugte, auf die Meßrohrwand gerichtete Wechselkräfte, deren Frequenz mit einer der Eigen-/Resonanzfrequenzen der Umfangsschwingungen des Meßrohres übereinstimmt. Dadurch läßt sich der Ver­ brauch an aufzubringender Schwingungsenergie zur Erzie­ lung eines ausreichenden Meßeffektes vermindern.

Gemäß einer besonderen Ausbildung der Erfindung werden auf einander diametral gegenüberliegenden Teilen oder Stellen der Meßrohrwand Kräfte in Angriff gebracht, die zueinan­ der um 180 Grad phasenverschoben sind. Dadurch wird in diesem Bereich das Meßrohr spiegelsymmetrisch zu seiner Mittelachse auf Zug beziehungsweise Druck belastet. Hier­ durch läßt sich eine gute detektierbare Auslenkung der Meß­ rohrwand über die Meßrohrlänge erreichen. Vorzugsweise befinden sich die Angriffsstellen der Kräfte im mittleren Bereich des Meßrohres, weil dort die Fluidmasse weder Ver­ formungsenergie aufnimmt noch abgibt, also nahezu keine Corioliskräfte angreifen. Außerdem ist dort der Einfluß etwaiger fester Einspannstellen des Meßrohres, welcher der Auslenkung der Meßrohrwand entgegenwirkt, am geringsten.

Um bei der Messung der Phasenverschiebung der Auslenkungen der Meßrohrwände über die Meßrohrlänge eine hohe Auflösung zu erzielen, werden hierfür zwei Meßstellen möglichst weit voneinander entfernt angeordnet. Vorzugsweise sind sie in der Nähe des einlauf- und auslaufseitigen Endes des Meß­ rohres vorgesehen.

Bei einem Meßgerät zur Anwendung der Erfindung kommt es wesentlich darauf an, daß der die periodischen Verformun­ gen des Meßrohres erzeugende Schwingungserreger so aufge­ baut und angeordnet ist, daß die Meßrohrwand im wesentlichen gleichmäßig bezüglich der Mittelachse beziehungsweise Schwe­ relinie des Meßrohres und senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids ausgelenkt wird. Die Wandbewegungen kompensie­ ren dabei einander derart, daß die ursprüngliche, schwer­ punktsmäßige Balance des Meßgeräts weitgehend beibehalten wird.

Dies erfolgt nach einer besonderen Ausbildung der Erfin­ dung dadurch, daß zwei beispielsweise elektromagnetische, elektroakustische, und/oder elektrostatische Schwingungs­ erreger jeweils mit Wandabschnitten des Meßrohres in Wir­ kungsverbindung stehen, die einander gegenüberliegen. Vor­ zugsweise sind die von den Schwingungserregern erzeugten Schwingungen zueinander um 180 Grad phasenverschoben. Da­ durch wird eine um die Schwerelinie des Meßrohres herum besonders gleichmäßige sowie gut detektierbare Verformung des Meßrohres erzielt.

Nach einer alternativen Ausbildung der Erfindung werden die Umfangsschwingungen des Meßrohres durch einen einzigen Schwingungserreger erzeugt, der mit wenigstens einem Teil der Meßrohrwand in Wirkungsverbindung steht. Dies läßt eine besonders kostengünstige Herstellung eines Massendurch­ fluß-Meßgeräts möglich werden. Je nach Ausbildung des Schwin­ gungserregers werden am Meßrohr Ungleichgewichte verursacht. Um diese auszubalancieren, wird erfindungsgemäß an dem Bereich der Meßrohrwand, der dem Schwingungserreger dia­ metral gegenüberliegt, ein Ausgleichskörper angebracht.

Um den Einsatz einfach aufgebauter und anwendbarer Schwin­ gungerreger zu ermöglichen, können Meßrohre verwendet wer­ den, die eine zu ihrer Längsachse symmetrische Form besit­ zen, wie zum Beispiel Zylinderform. Mit Vorteil werden Meßrohre eingesetzt, die im Schnitt quer zur Strömungs­ richtung mehreckig sind. Besitzt das Meßrohr beispielsweise quadratische Querschnittsform, so bilden die vier Ecken jeweils Zonen, in denen die Meßrohrwände nahezu keine Aus­ lenkung erfahren (Schwingungsknoten). Das bedeutet an­ dererseits, daß Zonen mit maximaler Auslenkung der Meßrohr­ wand hauptsächlich in den mittleren Bereichen der von den Ecken gebildeten Seitenabschnitte auftreten (Schwingungs­ bäuche). Damit werden an der Meßrohrwand Bereiche geschaf­ fen, die besonders günstige Voraussetzungen zur Detektion der Phasenverschiebung haben.

Mit Vorteil werden zur Messung der Auslenkung der Meßrohr­ wände nach optischem Prinzip arbeitende Sensoren eingesetzt. Diese weisen im Vergleich zu elektromechanischen Systemen ein sehr schnelles Ansprechverhalten und damit eine geringe Eigenphasenverschiebung auf.

Grundsätzlich liegt es im Rahmen der Erfindung, zur Erzeu­ gung der Querschnittsverformungen die Schwingungserreger sowohl außerhalb des Meßrohres als auch innerhalb des Meß­ rohres anzubringen.

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

Fig. 1A, 1B, 1C und 1D in schematischer Darstellung Momentaufnahmen von Meßrohr­ querschnitten, die in Umfangsschwingungen unterschiedlicher Schwingungsmoden versetzt sind,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Meßanordnung in teilweise geschnittener Ansicht,

Fig. 3 eine zur Schwingungserregung nach Fig. 2 alternative Aus­ bildung der Schwingungserregung,

Fig. 4A einen Längsabschnitt eines Meßrohres ohne Massendurchfluß,

Fig. 4B Querschnitte des erfindungsgemäß verwendeten Meßrohres längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 4A in einem Zeitpunkt,

Fig. 4C Querschnitte des erfindungsgemäß verwendeten Meßrohres längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 4A in einem anderen Zeitpunkt,

Fig. 5A einen Längsschnitt eines Meßrohres mit schematisch ange­ deutetem Massendurchfluß,

Fig. 5B Querschnitte des erfindungsgemäß verwendeten Meßrohres längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 5A in einem Zeitpunkt.

Einander entsprechende Teile der Zeichnungen sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.

Gemäß den Fig. 1A-1D werden zur Durchflußmessung nach der Erfindung einem Meßrohr 1 Umfangsschwingungen einge­ prägt, deren Frequenzen den Eigenresonanzfrequenzen des Meßrohres im Umfangsschwingungsmode entsprechen. Dies führt zu den obengenannten, periodischen Verformungen/Deforma­ tionen des Querschnitts des Meßrohres 1. Diese sind in den Fig. 1A-1D gestrichelt angedeutet, während dort die kreisrunde, durchgezogene Linie den Meßrohrquerschnitt im nicht schwingenden Ruhezustand widergibt. Die Zahl n gemäß Fig. 1A-1D bezeichnet die Ordnung der Schwin­ gungsmoden und gibt die Anzahl der Wellenlängen an, wel­ che sich über den Umfang des Meßrohres erstrecken. Gemäß den Pfeilen in den Fig. 1A-1D erfolgt nach der Erfin­ dung die Auslenkung der Wand des Meßrohres 1 stets in ra­ dialer Richtung entweder zum Mittelpunkt des Meßrohrquer­ schnitts oder von diesem weg. Etwaige entlang des Meßrohr­ querschnitts auftretende Schwingungsknoten sind in den Fig. 1A-1D mit dem Buchstaben K bezeichnet. Wie in den Fig. 1A-1D jeweils durch einen umringten Punkt in der Querschnittsmitte des Meßrohres 1 angedeutet, ver­ läuft die Strömungsrichtung des Fluids senkrecht zum Meß­ rohrquerschnitt in die Zeichenebene hinein.

Gemäß Fig. 1A befindet sich der Umfang des Meßrohres 1 im Schwingungsmode n gleich null. Das bedeutet, daß sich über den Meßrohrumfang keine Welle und keine Schwingungs­ bäuche und -knoten ausbilden. Der Durchmesser des Meßroh­ res 1 vergrößert sich beziehungsweise verkleinert sich mit einer einer bestimmten Resonanzfrequenz entsprechen­ den Periodendauer gleichmäßig über die den Meßrohrumfang bildende Meßrohrwand.

Gemäß Fig. 1B befindet sich der Umfang des Meßrohres 1 im Schwingungsmode n gleich zwei. Das bedeutet, daß sich über den Umfang des Meßrohres 1 zwei Wellen jeweils in vollständiger Länge ausgebreitet haben, wobei sich vier Schwingungsknoten K gebildet haben, die über den Meßrohr­ umfang gleichmäßig verteilt und im wesentlichen im gleichen Abstand voneinander liegen. Im Bereich der zwischen den Knoten befindlichen Schwingungsbäuche werden einander dia­ metral gegenüberliegende Wandteile des Meßrohres 1 jeweils gegensinnig, das heißt in entgegengesetzter Richtung, aus­ gelenkt.

Gemäß Fig. 1D befindet sich der Umfang des Meßrohres 1 im Schwingungsmode n gleich vier, was vier Wellen mit acht Schwingungsknoten gleichmäßig über den Umfang des Meßroh­ res 1 verteilt bedeutet. Im übrigen gelten hier die Aus­ führungen zu Fig. 1B entsprechend.

Gemäß Fig. 1C befindet sich der Umfang des Meßrohres 1 im Schwingungsmode n gleich drei, was drei Wellenlängen mit sechs Schwingungsknoten gleichmäßig über den Meßrohr­ umfang verteilt bedeutet. Wie anhand der Pfeile ersichtlich, werden bei dieser Ausbildung der Erfindung diametral ge­ genüberliegende Wandteile, soweit sie nicht mit den Berei­ chen der Schwingungsknoten K zusammenfallen, gleichsinnig, das heißt jeweils in gleicher Richtung ausgelenkt.

Die Schwingungsknoten mit n größer oder gleich zwei sind allgemein als "HOOPE'sche Schwingungsmoden" bekannt.

Gemäß Fig. 2 weist das erfindungsgemäße Massendurchfluß- Meßgerät im wesentlichen ein Meßrohr 1, einen ersten und zweiten Schwingungserreger 5, 6 sowie zwei optische Sensor­ einrichtungen T, R auf. Die den von Fluid durchströmten Hohlraum bildende Wand 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 mög­ lich. Etwa in der Mitte des Meßrohres 1 sind der erste be­ ziehungsweise der zweite Schwingungserreger 5, 6 derart an­ geordnet, daß sie einander symmetrisch zur (strichpunk­ tiert dargestellten) Mittelachse des Meßrohres 1 gegen­ überliegen. Die elektromechanischen Schwingungserreger 5, 6 weisen im wesentlichen jeweils eine über die Anschlüsse 8 mit Wechselstrom gespeiste Erregerspule 9 sowie einen da­ mit in Wirkungsverbindung stehenden Dauermagneten 10 mit Südpol S und Nordpol N auf. Die Dauermagneten 10 sind un­ mittelbar an der Meßrohrwand 2 befestigt, während die Er­ regerspulen 9 extern fixiert sind. Die optischen Sensoren T, R sind im einlauf- beziehungsweise auslaufseitigen Bereich angeordnet und bestehen im wesentlichen aus einem Licht­ sender E, einer Lichtleitereinrichtung 11, einem Licht­ empfänger R und unmittelbar an der Meßrohrwand 2 ange­ brachten Tauchfahnen 12.

Die Funktionsweise ist wie folgt: Fließt durch die Erreger­ spulen 9 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 ab­ wechselnd auf Zug und Druck belastet wird. Dies führt zu elastisch-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 Pha­ senverschiebung entsprechen zueinander zeitlich verscho­ bene Bewegungen der an der Meßrohrwand 2 angebrachten Tauch­ fahnen 12. Die Tauchfahnen 12 ragen jeweils in einen Spalt, der von der Lichtleitereinrichtung 11 gebildet wird. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel besteht die Lichtleiter­ einrichtung aus zwei Stäben aus lichtleitendem Material, beispielsweise Saphirstäbe. Der Sender T erzeugt einen Lichtstrom, der über die Lichtleitereinrichtung 11 ein­ schließlich des von ihr gebildeten (Luft-) Spalts zum Lichtempfänger R gelangt. Dabei hängt die Stärke des über­ tragenen Lichtstroms von der Tiefe ab, mit welcher die Tauchfahnen in den (Luft-) Spalt hineinragen. Je tiefer sie hineinragen, umso geringer ist der Lichtstrom. Die Tiefe, mit welcher die Tauchfahnen 11 in den Spalt hinein­ ragen, 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 beziehungsweise Phasen­ verschiebung der Verformung des Querschnitts des Meßroh­ res über dessen Länge.

Gemäß Fig. 3 liegt es auch im Rahmen der Erfindung, die Schwingungserregung mit einem einzigen Schwingungserreger 6 durchzuführen. Ist dieser wie nach Fig. 2 elektromagne­ tisch mit Erregerspule und an der Meßrohrwand 2 angebrachten Dauermagnet 10 realisiert, ist ein gewichtsmäßiger Ausgleich der Masse des Dauermagneten 10 zweckmäßig. Hierzu ist ge­ mäß Fig. 3 ein Ausgleichskörper 20 vorgesehen. Dieser kann von außen an der Wand 2 des Meßrohres 1 in dem Bereich be­ festigt sein, der dem Wandbereich diametral gegenüberliegt, an dem der Dauermagnet 10 befestigt ist. Die Masse/das Ge­ wicht des Ausgleichskörpers 20 ist erfindungsgemäß so be­ messen, daß durch den Dauermagneten verursachte Ungleich­ gewichte ausgeglichen werden. Im übrigen kann der in Fig. 3 nicht dargestellte Teil der Meßanordnung wie nach Fig. 2 ausgeführt sein.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Durchflußmessung ist in den Fig. 4A-C und 5A und B weiter veranschau­ licht.

In Fig. 4A ist der wesentliche Längsabschnitt des Meßrohres eines Massendurchfluß-Meßgerätes schematisch dargestellt. Da­ bei ist zu unterstellen, daß die (strichpunktiert gezeichnete) Schnittlinie II-II etwa im mittleren Bereich des Meßroh­ res liegt. Zweckmäßigerweise ist dort das Schwingungser­ regungssystem, wie es zum Beispiel gemäß Fig. 2 oder 3 ausgeführt sein kann, angeordnet. Die Schnittlinien I-I und III-III kennzeichnen die Stellen, an denen sich die Sensoren zur Erfassung der Phasenverschiebung über die Meßrohrlänge befinden. Ferner ist in der Darstellung nach Fig. 4A 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. 4B und 4C dargestellt. Dort sind die Verfor­ mungen der Querschnitte längs der Linien I-I, II-II und III-III der Fig. 4A jeweils mit durchgezogener Linie gezeichnet. Mit der gestrichelten Linie sind die Querschnitte angedeutet, wie sie ohne Betrieb eines Schwingungserregungs­ systems aussehen würden. Die Fig. 4B und 4C stellen gesonderte, voneinander zeitlich verschobene Momentauf­ nahmen dar, wobei die Zeitverschiebung einer Phasenverschie­ bung der erregten Meßrohrschwingungen etwa 180 Grad ent­ spricht. Das bedeutet, daß die Umfangsabschnitte der Meß­ rohrwand, die nach Fig. 2B gegenüber dem Ausgangsquer­ schnitt gemäß gestrichelter Linie nach außen ausgelenkt sind, nach Fig. 2C zum Meßrohrinneren hin eingedrückt sind. Die Verformungen der Querschnitte des Meßrohres sind in den Bereichen der Linien I-I, II-II und III-III, wie darge­ stellt, weitgehend miteinander in Phase, weil aufgrund feh­ lenden Massendurchflusses keine Corioliskräfte angreifen.

Beim schematisch dargestellten Längsabschnitt eines Rohres gemäß Fig. 3A herrscht Massendurchfluß vor, wie durch die dortigen, nach rechts gerichteten Pfeile angedeutet. Ferner ist unterstellt, daß der Querschnitt des Meßrohres durch Um­ fangsschwingungen gemäß Fig. 4B und 4C im wesentlichen über die ganze Meßrohrlänge verformt wird. Nun muß das durch das Meßrohr strömende Fluid einlaufseitig aufgrund der Umfangs­ schwingungen Energie aufnehmen und auslaufseitig diese aufge­ nommene Energie wieder abgeben. Dies führt zur Entstehung von Corioliskräften, die im Bereich der einlaufseitigen Hälf­ te des Meßrohres die Auslenkungen der Meßrohrwand verzögern und im Bereich der auslaufseitigen Häfte des Meßrohres die Auslenkungen der Meßrohrwand beschleunigen. Daraus resul­ tieren Phasenverschiebungen zwischen den Auslenkungen der Wandabschnitte entlang der durchströmten Länge des Meßroh­ res. Dementsprechend ist der Querschnitt des Meßrohres gemäß Linie I-I der Fig. 5A anders deformiert als der gemäß der Linie III-III der Fig. 5A, wie in Fig. 5B mittels der durchgezogenen Linien (stark übertrieben) angedeutet. Die gestrichelte Linie in Fig. 5B zeigt den Meßrohrquerschnitt, wie er ohne Einprägung von Verformungsschwingungen aussehen würde. Gemäß Fig. 5B fällt in der Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II der Fig. 5A der Querschnitt ohne Verfor­ mungsschwingungen mit dem bei Einprägung von Verformungs­ schwingungen zusammen. Dies fußt darauf, daß die Schnittli­ nie II-II die Mitte des Meßrohres kennzeichnet, und dort nimmt die strömende Fluidmasse weder Schwingungsenergie auf, noch gibt sie welche ab. Folglich treten in der Mitte des Meßrohrs keine Corioliskräfte auf, so daß dort der Bezugspunkt und/oder Nullpunkt der Phasenverschiebung anzunehmen ist. Um eine hohe Meßauflösung zu erzielen, wird die Phasenver­ schiebung vorzugsweise an den durch die Schnittlinien I-I und III-III bezeichneten Wandabschnitten gemessen. Die Pha­ senverschiebung vergrößert beziehungsweise vermindert sich bei zunehmendem beziehungsweise abnehmendem Massendurchfluß.

Claims (19)

1. Verfahren zur Massendurchflußmessung nach dem Coriolis­ prinzip, mit von Fluid durchströmtem, elastisch ver­ formbarem Meßrohr (1), welches periodisch ausgelenkt wird, und bei dem als Maß für den Massendurchfluß Pha­ senverschiebungen zwischen Auslenkungen von in Strö­ mungsrichtung unterschiedlich angeordneten Abschnitten der Meßrohrwand (2) gemessen werden, gekennzeichnet durch eine periodische Verformung des Querschnitts des Meß­ rohres (1) derart, daß Teile der Meßrohrwand (2), die einander diametral gegenüberliegen, jeweils um etwa die gleiche Strecke in einander entgegengesetzter oder gleicher Richtung quer zur Strömungsrichtung des Fluids ausgelenkt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Frequenz der periodischen Querschnittsverformung im Bereich einer der Eigenresonanzfrequenzen von Umfangsschwingungen des Meßrohres (1) in radialer Richtung liegt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem den radialen Um­ fangsschwingungen des Meßrohres (1) Biegeschwingungen überlagert werden, deren Frequenzen im Bereich einer der Eigenresonanzfrequenzen des Meßrohres (1) liegen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem radialen Umfangs­ schwingungen mit einer Eigenresonanzfrequenz dritter oder vierter Ordnung Biegeschwingungen mit einer Eigen­ resonanzfrequenz zweiter Ordnung überlagert werden.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Kraft, welche ihre Richtung mit einer der Eigenresonanzfrequenzen des Meßrohres (1) entsprechenden Frequenz umkehrt, an einer Stelle der Wand (2) innerhalb oder außerhalb des Meßrohres (1) in Angriff gebracht wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Kraft etwa in der längenmäßigen Mitte des Meßrohres (1) angreift.

7. Verfahren gemäß der Ansprüche 5 oder 6, bei dem wenigstens einem Paar der gegenüberliegenden Teile der Meßrohrwand (2) jeweils mindestens eine dort senk­ recht zur Strömungsrichtung angreifende Kraft zugeord­ net ist, wobei die Richtungen dieser Kräfte stets ein­ ander entgegengesetzt sind.

8. Nach dem Coriolisprinzip arbeitendes Massendurchfluß- Meßgerät, mit wenigstens einem in eine Fluidleitung einfügbaren Meßrohr (1), gekennzeichnet durch mindestens einen am oder im Meßrohr (1) angeordneten Schwingungserreger (5, 6), der so auf das Meßrohr ein­ wirkt, daß Abschnitte der Wand (2) des Meßrohres (1), die paarweise symmetrisch zur in Strömungsrichtung verlaufenden Mittelachse des Meßrohres (1) einander gegenüberliegen, gleich oder gegensinnig gleich und weitgehend senkrecht zur Strömungsrichtung ausgelenkt werden.

9. Meßgerät gemäß Anspruch 8, mit einem in Strömungsrich­ tung geradlinig verlaufenden Meßrohr (1), das im Schnitt quer zur Strömungsrichtung kreisförmig ist.

10. Meßgerät gemäß Anspruch 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 zwei oder das Vielfache von zwei beträgt.

12. Meßgerät gemäß einem der Ansprüche 8-11, mit einem Phasendetektorsystem (T, R) bestehend aus mindestens zwei Sensoren, die jeweils bezüglich des Teils der Wand (2) des Meßrohres (1), an dem der Schwingungs­ erreger plaziert ist, um 90 Grad in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.

13. Meßgerät gemäß Anspruch 10 oder 11, mit einem Phasen­ detektorsystem (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 8 bis 13, mit wenigstens einer Sensoranordnung (T, R, 11, 12), bestehend aus Lichtsender (T), Lichtempfänger (R) sowie einer das Licht des Lichtsenders zum Lichtem­ pfänger übertragenden Lichtleitereinrichtung (11), die so ausgebildet ist, daß die Stärke des übertra­ genen Lichtstroms durch die Auslenkung der Wand (2) des Meßrohres (1) beeinflußbar ist.

15. Meßgerät gemäß Anspruch 14, bei dem die Lichtleiter­ einrichtung (11) zwei Saphirstäbe auweist, von de­ nen der eine Saphirstab am einen Ende mit dem Licht­ sender (T) und der andere Saphirstab am einen Ende mit dem Lichtempfänger (R) verbunden ist, daß die anderen Enden der beiden Saphirstäbe als totalre­ flektierende Prismen ausgebildet sind und im Abstand voneinander derart gegenüberliegen, daß der vom Licht­ sender durch den einen Saphirstab gehende Lichtstrom in den anderen Saphirstab übertritt und von diesem zum Lichtempfänger (R) geleitet wird, und daß an der Wand des Meßrohres (2) wenigstens eine Tauchfahne so angebracht ist, daß sie in Abhängigkeit von der Auslenkung der Wand (2) mehr oder weniger weit in den zwischen dem prismenförmig ausgebildeten Enden der Saphirstäbe gebildeten Spalt ragt.

16. Meßgerät gemäß einem der Ansprüche 8-15, bei dem die mechanische Schwingungserregung mittels elektro­ magnetischen, elektrostatischen und/oder elektro­ akustischen Wandlern realisiert ist.

17. Meßgerät gemäß Anspruch 16, mit einem elektromecha­ nischem Schwingungserreger, der im wesentlichen aus einem außerhalb des Meßrohres fest angebrachten Elektromagneten (9) und einem diesem gegenüberlie­ gend an der Meßrohrwand (2) befestigten Dauermagne­ ten (10) besteht, und mit einem Ausgleichskörper (20), der an der Meßrohrwand (2) dem Dauermagneten (10) diametral gegenüberliegend angeordnet ist, und des­ sen Masse etwa der des Dauermagneten (10) entspricht.

18. Meßgerät gemäß einem der Ansprüche 8-17, mit min­ destens zwei Schwingungserregern (5, 6), die an einander diametral gegenüberliegenden Teilen der Wand (2) des Meßrohres (1) angeordnet sind, und deren erzeugte Schwingungen zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind.

19. Meßgerät gemäß einem der Ansprüche 8-18, verwen­ det zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-8.