DE3816045C2

DE3816045C2 -

Info

Publication number: DE3816045C2
Application number: DE19883816045
Authority: DE
Inventors: Mamadi Dr. Basel Ch Keita
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1992-12-17
Also published as: DE3816045A1

Description

Die Erfindung betrifft ein nach dem Coriolisprinzip arbeitendes Massendruchflußmeßgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1; ein solches Meßgerät ist aus der US-PS 41 92 184 bekannt.The invention relates to a working on the Coriolis principle Mass flow meter with the features of the preamble of Claim 1; such a measuring device is from US-PS 41 92 184 known.

Bei diesem Massendurchflußmeßgerät wird der Lichtstrom im Sinne der Erzeugung eines digitalen Signals von der Tauchfahne nur unterbrochen oder voll durchgelassen. Da außerdem Lichtsender und -empfänger in unmittelbarer Nähe des Meßrohrsystems angeordnet sind, sind sie starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, wenn es abwechselnd kaltes oder heißes Fluid durchströmt, oder auch dauernd hohen Temperaturen, wenn das Fluid sehr heiß ist. Zudem kann das in mechanische Schwingungen versetzte Meßrohrsystem unerwünschte Vibrationen auf den Lichtsender und den -empfänger übertragen, und schließlich können diese ein durch möglicherweise aus dem Meßrohrsystem austretendes, chemisch aggressives Fluid angegriffen werden.In this mass flow meter, the luminous flux in the sense of Generation of a digital signal from the diving flag only interrupted or fully let through. There is also a light transmitter and receiver are located in the immediate vicinity of the measuring tube system, they are exposed to severe temperature fluctuations when it is alternating cold or hot fluid flows through, or continuously high temperatures, when the fluid is very hot. It can also be mechanical Vibrations displaced measuring tube system on undesirable vibrations transmit the light transmitter and receiver, and finally can these be caused by a possibly emerging from the measuring tube system chemically aggressive fluid can be attacked.

Aus der US-PS 41 73 393 ist ein Lichtleiter bekannt, der einen Kern aus Quarz, eine Ummantelung aus Glas und einen Schutzüberzug aus metallischem Glas aufweist. Dieser wird flüssig aufgebracht und zieht sich bei der Verfestigung stärker zusammen als das Glas der Ummantelung, wodurch der Lichtleiter unter bleibende Kompression gesetzt wird, die die Bruchfestigkeit erhöht. From US-PS 41 73 393 a light guide is known which has a core made of quartz, a cladding made of glass and a protective coating has metallic glass. This is applied liquid and contracts more strongly when solidifying than the glass of the Sheathing, which keeps the light guide under permanent compression is set, which increases the breaking strength.

Aus der JP-A 58-61 408 ist ein Detektor für kleine Gegenstände an schwer zugänglichen Stellen bekannt, wobei das Licht eines Lichtsenders durch eine Lichtleitereinrichtung zu einem Lichtempfänger übertragen wird. Diese besteht aus zwei von einem Material hoher Reflektion umhüllten lichtleitenden Stäben, mit deren jeweiligem einen Ende der Lichtsender bzw. der Lichtempfänger verbunden ist und deren andere Enden als totalreflektierende, mit Abstand gegenüberliegende Prismen ausgebildet sind. Ein Gegenstand wird detektiert, wenn er in den Raum zwischen die beiden Prismenenden gerät.JP-A 58-61 408 discloses a detector for small objects difficult to reach places known, the light of a light transmitter through a light guide device to a light receiver is transmitted. This consists of two of a higher material Reflection coated light-conducting rods, with their respective one end of the light transmitter or the light receiver is connected and the other ends of which are totally reflecting, at a distance from each other Prisms are formed. An object is detected if it gets into the space between the two prism ends.

Schließlich ist aus der DE-OS 34 23 580 ein auf dem eben erläuterten Prinzip basierender Grenzwertgeber für Fluide bekannt, bei dem allerdings die anderen Enden der beiden Lichtleiter-Stäbe nicht totalreflektierend sind, sondern diese Enden axial fluchtend einander gegenüber liegen, so daß das Licht auch eine axiale Luftstrecke durchläuft; eine Tauchfahne ist nicht vorgesehen.Finally, from DE-OS 34 23 580 one on the just explained Principle-based limit transmitter for fluids known, in which however, the other ends of the two light guide rods are not are totally reflective, but these ends are axially aligned with each other lie opposite, so that the light also an axial air gap goes through; a diving flag is not provided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein nach dem Coriolisprinzip arbeitendes Massendurchflußmeßgerät zu schaffen, dessen optische Sensoreinrichtung sich durch mechanische Stabilität und Korrosions- und Temperaturbeständigkeit aus zeichnet.The invention is based on the object, based on the Coriolis principle to create working mass flow meter, whose optical sensor device is characterized by mechanical Stability and resistance to corrosion and temperature draws.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved.

Durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Lichtleitereinrichtung können der Lichtsender und der Lichtempfänger im Abstand vom schwingenden Meßrohrsystem geschützt untergebracht werden, so daß sie nicht den Temperaturen oder Temperaturschwankungen des durch das Meßrohrsystem strömenden Mediums oder chemischen Einwirkungen eines möglicherweise aus dem Meßrohrsystem austretenden aggressiven Mediums ausgesetzt sind. Ferner wird vermieden, daß das in mechanische Schwingungen versetzte Meßrohrsystem unerwünschte Vibrationen auf den Lichtsender und den Lichtempfänger überträgt.By the light guide device provided according to the invention can the light transmitter and the light receiver in The distance from the vibrating measuring tube system is protected be so they do not cope with temperatures or temperature fluctuations of the medium flowing through the measuring tube system or chemical effects of one exposed to the measuring tube system aggressive medium are. It is also avoided that the mechanical Vibrated measuring tube system unwanted vibrations transmits to the light transmitter and the light receiver.

Das die Stäbe der Lichtleitereinrichtung umgebende keramische Material oder Glas verbessert die mechanische Festigkeit der Lichtleitereinrichtung und schützt die Quarz- oder Saphirstäbe der Lichtleitereinrichtung vor chemischen und thermischen Einflüssen. Die optischen Eigenschaften der Lichtleitereinrichtung werden durch die Einbettung in keramisches Material oder Glas nicht beeinträchtigt, da Keramik oder Glas einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als Quarz oder Saphir. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von für den industriellen Einsatz geeigneten Glasarten, die zur Bindung an Saphir geeignet sowie chemisch und thermisch robust sind. Deren Brechungsindex beträgt etwa 1,5 und liegt somit niedriger als der von Saphir.The ceramic surrounding the rods of the light guide device Material or glass improves mechanical strength the light guide device and protects the quartz or Sapphire rods of the light guide device before chemical and thermal influences. The optical properties of the Light guide devices are made by embedding them in ceramic Material or glass not affected because of ceramic or glass has a lower refractive index than Quartz or sapphire. The use is particularly advantageous of types of glass suitable for industrial use, the suitable for binding to sapphire as well as chemically and thermally are robust. Their refractive index is about 1.5 and lies therefore lower than that of sapphire.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß auf die Außenseite des keramischen Materials oder Glases eine Metallschicht oder Metallisierung aufgebracht ist. Dadurch wird die chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit der Lichtleitereinrichtung weiter erhöht. Durch die Metallschicht oder Metallisierung wird ferner der Vorteil erzielt, daß die Lichtleitereinrichtung nunmehr leicht an metallischen Gegenständen, z. B. einem metallischen Trägergehäuse, befestigt werden kann.An advantageous development of the invention consists in that on the outside of the ceramic material or glass a metal layer or metallization is applied. Thereby becomes the chemical resistance and mechanical strength the light guide device further increased. Through the Metal layer or metallization also becomes the advantage achieved that the light guide device now slightly metallic objects, e.g. B. a metallic carrier housing, can be attached.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigtExemplary embodiments of the invention are described below Explained with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer nach der Erfindung ausgebildeten Lichtleitereinrichtung und Fig. 1 is a schematic representation of a light guide device designed according to the invention and

Fig. 2 den Einbau der Lichtleitereinrichtung gemäß Fig. 1 in einen nach dem Coriolisprinzip arbeitenden Mas sendurchflußmesser. Fig. 2 shows the installation of the light guide device according to FIG. 1 in a working according to the Coriolis principle Mas send flowmeter.

Gleiche Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.The same parts are provided with the same reference numerals in FIGS. 1 and 2.

Gemäß Fig. 1 sind ein Lichtsender 1, ein Lichtempfänger 2, und eine Lichtleitereinrichtung 3, die das Licht des Lichtsenders 1 zu einem Lichtempfänger 2 überträgt, vorgesehen. Der übertragene Lichtstrom wird, wie anhand von Fig. 2 erläutert wird, durch mechanische Schwingungen der Durchflußvorrichtung eines Corioliskraft-Massendurchflußmessers beeinflußt. Referring to FIG. 1, a light emitter 1, a light receiver 2, and a light guide 3, which transmits the light of the light transmitter 1 to a light receiver 2 is provided. The transmitted luminous flux is, as will be explained with reference to FIG. 2, influenced by mechanical vibrations of the flow device of a Coriolis force mass flow meter.

Als Lichtsender 1 kann eine Lumineszenzdiode verwendet werden. Der Lichtempfänger 2 ist ein fotoelektrischer Wandler, der das empfangene Licht in ein elektrisches Signal umsetzt, das ein Sensorsignal darstellt. Beispielsweise kann dafür eine PIN-Diode im Infrarotbereich (z. B. bei einer Wellenlänge von 880 nm) verwendet werden. Die Lichtleitereinrichtung 3 ist aus zwei in geringem Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Saphirstäben 4 und 5 gebildet. Diese sind an einem Ende mit dem Lichtsender 1 bzw. mit dem Lichtempfänger 2 verbunden, während ihre freien anderen Enden im Winkel von 45° abgeschrägt sind, so daß die dadurch gebildeten schrägen Stirnflächen 6 und 7 im rechten Winkel zueinander stehen. Der durch diese Ausbildung erzeugte Strahlengang des vom Lichtsender 1 emittierten Lichtstroms ist in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 8 dargestellt. Im Saphirstab 4 breitet sich das Licht im wesentlichen axial aus, bis es auf die schräge Stirnfläche 6 trifft, wo es im Winkel von 90° totalreflektiert wird. Es geht durch den zwischen den beiden Saphirstäben 4 und 5 bestehenden Luftspalt 9 und trifft auf die schräge Stirnfläche 7 des Saphirstabs 5, wo es erneut im Winkel von 90° totalreflektiert wird. So breitet es sich im Saphirstab 5 im wesentlichen axial aus und trifft auf den Lichtempfänger 2. Die beiden schrägen Stirnflächen 6 und 7 lenken somit zusammen das Licht nach Art eines rechtwinkligen Prismas um 180° um.A luminescent diode can be used as the light transmitter 1 . The light receiver 2 is a photoelectric converter that converts the received light into an electrical signal that represents a sensor signal. For example, a PIN diode in the infrared range (e.g. at a wavelength of 880 nm) can be used for this. The light guide device 3 is formed from two sapphire rods 4 and 5 arranged at a small distance from one another and parallel to one another. These are connected at one end to the light transmitter 1 or to the light receiver 2 , while their other free ends are chamfered at an angle of 45 °, so that the oblique end faces 6 and 7 formed thereby are at right angles to one another. The beam path of the light flux emitted by the light transmitter 1 generated by this configuration is shown in FIG. 1 by the dashed line 8 . In the sapphire rod 4 , the light spreads essentially axially until it hits the oblique end face 6 , where it is totally reflected at an angle of 90 °. It passes through the air gap 9 existing between the two sapphire rods 4 and 5 and strikes the inclined end face 7 of the sapphire rod 5 , where it is again totally reflected at an angle of 90 °. It spreads axially in the sapphire rod 5 and strikes the light receiver 2 . The two inclined end faces 6 and 7 thus deflect the light by 180 ° in the manner of a right-angled prism.

Gemäß Fig. 1 sind die Saphirstäbe 4, 5 mit einer Keramik- oder Glasschicht 13 umgeben, die in den Zeichnungen im Schnitt (schraffiert) dargestellt ist. Diese Keramik- oder Glasschicht dient der Erhöhung der Festigkeit der Lichtleitereinrichtung. Zur weiteren Erhöhung der Festigkeit ist die Keramik- oder Glasschicht 13 von einer Metallschicht 14 umgeben. Da die Keramik- oder Glasschicht 13 einen niedrigeren Brechungsindex als die Saphirstäbe 4, 5 aufweist, sind die Verluste an Lichtenergie bei der Lichtübertragung in den Saphirstäben 4, 5 minimiert. Lichtstrahlen, die innerhalb der Stäbe nicht exakt axial verlaufen, werden nämlich an der Grenzfläche von Saphir zu Keramik oder Glas aufgrund des genannten Verhältnisses der Brechungsindizes weitgehend totalreflektiert. Dieser Vorgang ist in Fig. 1 mittels der gestrichelten Linie 15 angedeutet.Referring to FIG. 1, the sapphire rods 4, 5 is surrounded with a ceramic or glass layer 13 (shaded) in the drawings section is shown. This ceramic or glass layer serves to increase the strength of the light guide device. To further increase the strength, the ceramic or glass layer 13 is surrounded by a metal layer 14 . Since the ceramic or glass layer 13 has a lower refractive index than the sapphire rods 4, 5 , the losses of light energy during light transmission in the sapphire rods 4, 5 are minimized. Light rays that do not run exactly axially within the rods are largely totally reflected at the sapphire-ceramic or glass interface due to the ratio of the refractive indices mentioned. This process is indicated in Fig. 1 by the dashed line 15 .

Gemäß Fig. 2 wird die Anordnung von Fig. 1 zur Bildung eines Wegsensors in einen Corioliskraft-Massendurchflußmesser mit zwei parallelen Meßrohren M so eingebaut, daß sich die Saphirstäbe 4, 5 senkrecht zu den Längsachsen der Meßrohre M erstrecken. Ihre schrägen Stirnflächen 6, 7 liegen dabei zwischen den Meßrohren M. An jedem Meßrohr M ist eine Tauchfahne 10 bzw. 11 senkrecht zur Meßrohrlängsachse so befestigt, daß sie in den Luftspalt 9 zwischen den Saphirstäben 4, 5 ragt. Die beiden Tauchfahnen 10, 11 liegen in einer Ebene, und ihre einander zugewandten Kanten liegen im Abstand voneinander, so daß zwischen diesen Kanten ein Spalt 12 besteht, durch den ein Teil des an der Stirnfläche 6 reflektierten Lichtstroms vom Saphirstab 4 zum Saphirstab 5 gehen kann. Wenn gemäß der Massendurchflußmessung nach dem Coriolisprinzip die beiden Meßrohre M in zueinander gegensinnige Schwingungen versetzt werden, wird der Spalt 12 zwischen den Tauchfahnen 10, 11 im Takt der Schwingungen abwechselnd breiter und schmäler. Dadurch wird der vom Saphirstab 4 zum Saphirstab 5 gelangende Lichtstrom in seiner Stärke moduliert. Somit entsprechen die Amplituden des modulierten Lichtstroms und demzufolge auch die Amplituden des vom Lichtempfänger 2 abgegebenen Sensorsignals den Schwingungsamplituden der Meßrohre M.According to FIG. 2, the arrangement of FIG. 1 for forming a displacement sensor is installed in a Coriolis force mass flow meter with two parallel measuring tubes M in such a way that the sapphire rods 4, 5 extend perpendicular to the longitudinal axes of the measuring tubes M. Their inclined end faces 6, 7 lie between the measuring tubes M. On each measuring tube M a plunger 10 or 11 is attached perpendicular to the longitudinal axis of the measuring tube so that it protrudes into the air gap 9 between the sapphire rods 4, 5 . The two plungers 10, 11 lie in one plane, and their mutually facing edges are at a distance from one another, so that there is a gap 12 between these edges through which part of the light flux reflected on the end face 6 can pass from the sapphire rod 4 to the sapphire rod 5 . If, according to the mass flow measurement according to the Coriolis principle, the two measuring tubes M are set into mutually opposite vibrations, the gap 12 between the plungers 10, 11 alternately becomes wider and narrower in time with the vibrations. As a result, the intensity of the luminous flux from sapphire rod 4 to sapphire rod 5 is modulated. Thus, the amplitudes of the modulated luminous flux and consequently also the amplitudes of the sensor signal emitted by the light receiver 2 correspond to the vibration amplitudes of the measuring tubes M.

Bei einer etwas abgewandelten Ausführungsform sind die beiden nicht mit dem Lichtsender bzw. dem Lichtempfänger verbundenen Enden der Saphirstäbe im wesentlichen lichtdurchlässig ausgebildet, und sie liegen einem schwingenden Meßrohr im Abstand gegenüber. Das Meßrohr weist in dem Bereich, der den Enden der Saphirstäbe gegenüberliegt, eine lichtreflektierende Oberfläche auf. Somit wird zumindest ein Teil des Lichts, das aus dem mit dem Lichtsender verbundenen Saphirstab austritt, von der Meßrohroberfläche derart reflektiert, daß es in den mit dem Lichtempfänger verbundenen Saphirstab eintritt. Die Stärke des in diesen Saphirstab eintretenden Lichts ist u. a. abhängig von der Entfernung von der Meßrohroberfläche. Infolgedessen wird bei mechanisch schwingendem Meßrohr die Stärke des vom einen Saphirstab in den anderen übertretenden Lichtstroms entsprechend den Schwingungen moduliert, so daß ein Schwingungssensorsignal erhalten werden kann. Bei dieser Ausführung wird der Vorteil erzielt, daß keine Tauchfahme am Meßrohr angebracht werden muß.In a slightly modified embodiment, the two are not connected to the light transmitter or the light receiver Ends of the sapphire rods essentially translucent trained, and they are a vibrating measuring tube at a distance from each other. The measuring tube points in the area opposite the ends of the sapphire rods, a light reflecting one Surface on. So at least part of it of the light coming from that connected to the light transmitter Sapphire rod emerges, reflected from the measuring tube surface in such a way that it is in the associated with the light receiver Sapphire wand enters. The strength of the in this sapphire rod entering light is u. a. depending on the distance from the measuring tube surface. As a result, mechanical vibrating measuring tube the strength of the one sapphire rod in the other transmitted luminous flux according to the Vibrations modulated so that a vibration sensor signal can be obtained. With this version, the advantage ensures that no immersion catches are attached to the measuring tube got to.

Claims

1. According to the Coriolis principle working mass flow meter with a mechanical vibration system (M) and with its vibration-detecting optical sensor device, a light transmitter ( 1 ), a light receiver ( 2 ) and at least one movable plunger attached to the mechanical vibration system (M) ( 10, 11 ), characterized in that

- That the light of the light transmitter ( 1 ) to the light receiver ( 2 ) is transmitted through a light guide device ( 3 ), the luminous flux of which can be influenced by the vibrations,
- That the light guide device ( 3 ) has two quartz or two sapphire rods ( 4, 5 ) which are surrounded by ceramic material or glass ( 13 ),
- That one rod ( 4 ) is connected at one end to the light transmitter ( 1 ) and the other rod ( 5 ) at one end to the light receiver ( 2 ),
- That the other ends of the two rods ( 4, 5 ) are designed as totally reflecting prisms and are at a distance from each other and
- That the at least one plunger ( 10, 11 ) is attached so that it projects more or less depending on the deflection of the vibration system (M) in the gap between the prismatic ( 9 ).

2. Modification of the measuring device according to claim 1, characterized in that

- That the other ends of the two rods are designed to be translucent and a measuring tube of the measuring device (M) through which fluid flows and can be set into mechanical vibrations are at a distance and
- That the measuring tube in the area opposite the ends of the rods has a light-reflecting surface, so that the light that passes through the rod connected to the light transmitter ( 1 ) is at least partially reflected by the measuring tube and in the with the light receiver ( 2 ) connected rod enters.

3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that a metal layer or a metallization ( 14 ) is applied to the outside of the ceramic material or glass ( 13 ).