DE3888899T2

DE3888899T2 - Verfahren zur Herstellung eines Coriolisdurchflussmessgerätes.

Info

Publication number: DE3888899T2
Application number: DE3888899T
Authority: DE
Inventors: Wilmut Brost; David Thomas Hahn; Joseph David Titlow
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1987-09-04
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2008-09-03
Also published as: JPH01158346A; DE3888899D1; EP0306110A2; JPH05660B2; EP0306110B1; US4845989A; EP0306110A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräts und insbesondere ein Verfahren zum Bewerten von Metallrohren, die als Durchflußrohre in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten Massendurchf lußmeßgerät verwendet werden sollen.

2. Darstellung des Standes der Technik

Nach dem Coriolis-Prinzip arbeitende Massendurchflußmeßgeräte werden zur Messung des Massendurchflusses eines Prozeßfluids verwendet. Wie z. B. in der US-A-4,491,025 (entspricht EP-A-0,109,208) offenbart ist, enthält eine typische Art eines nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräts zwei parallele Durchflußrohre, bei denen es sich jeweils normalerweise um ein U-förmiges Metallrohr handelt. Jedes Metallrohr wird zum Schwingen um eine Achse angeregt, um einen Rotationsbezugssystem zu erzeugen. Bei einem derartigen U-förmigen Metallrohr kann diese Achse als die Biegungsachse bezeichnet werden. Durchströmt ein prozeßfluid jedes schwingende Durchflußrohr, erzeugt die Fluidbewegung Coriolis-Reaktionskräfte, die senkrecht sowohl zur Fluidgeschwindigkeit als auch zur Winkelgeschwindigkeit des Rohrs orientiert sind. Diese Coriolis-Reaktionskräfte bewirken, daß sich jedes Rohr um eine Torsionsachse verdreht, die bei einem U-förmigen Rohr senkrecht zu seiner Biegungsachse steht. Der Wert der Verdrehung steht zum Massendurchfluß des durch das Rohr strömenden Prozeßfluids in Beziehung.
In der Praxis erfordern die vorstehend beschriebenen, nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräte häufig eine Einstellung der Nullpunktverschiebung. Diese Verschiebungseinstellung dient zur ordnungsgemäßen Eichung des Meßgeräts durch Verringern des gemessenen Massendurch flusses auf Null, wenn kein Fluid durch das Meßgerät fließt. Ferner wurde festgestellt, daß in der Herstellung dieser Meßgeräte der Einstellwert für die Nullpunktverschiebung in vielen Fällen groß sein und außerdem im Einsatz des Meßgeräts zwischen verschiedenen Werten schwanken kann. Bislang wurde der Ursache dieses großen Einstellwerts für die Nullpunktverschiebung und seiner Schwankung keine Aufmerksamkeit gewidmet.
Angesichts dessen ist es notwendig, die Ursache der großen Einstellwerte für die Nullpunktverschiebung und ihrer Schwankung zu bestimmen, um nach dem Coriolis-Prinzip arbeitende Massendurchflußmeßgeräte mit höherer Zuverlässigkeit und Genauigkeit als bisher herzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wir stellten fest, daß die elastischen Eigenschaften von Metallrohren, die zur Herstellung von Durchflußrohren für nach dem Coriolis-Prinzip arbeitende Massendurchf lußmeßgeräte verwendet werden, beim Bestimmen der Eigenfrequenz, der Empfindlichkeit und der Nullpunktverschiebung dieser Meßgeräte von Bedeutung sind. Insbesondere stellten wir fest, daß das vorgenannte Problem der Einstellwerte für die Nullpunktverschiebung und deren Schwankung auftritt, wenn der Wert des Elastizitätsmoduls eines der Metallrohre in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Doppelrohr-Massendurchflußmeßgerät wesentlich von dem des anderen Rohrs abweicht. In der Praxis stellten wir dabei sogar Schwankungen im Elastizitätsmodul fest, die etwa 11 % betrugen.
Ungeachtet der oben erwähnten Feststellung sehen verschiedene bekannte statische und dynamische Verfahren zum Bestimmen des Elastizitätsmoduls eines Rohrs kein Verfahren oder keine Vorrichtung vor, das/die zur Verwendung in der Industrie geeignet ist. Insbesondere haben die nachfolgenden bekannten Verfahren zum Messen oder Ermitteln eines Werts für den Elastizitätsmodul sämtlich einen oder mehrere Nachteile. Bei einer ersten "Formänderungsprüfung" muß eine Probe einseitig eingespannt werden. Anschließend wird eine bekannte Kraft auf das freie Probenende ausgeübt, wobei dessen Ablenkung gemessen wird. Anhand dieser gemessenen Ablenkung wird der Elastizitätsmodul berechnet. Leider sind die Ergebnisse dieses Verfahrens im allgemeinen nicht reproduzierbar, und die Ergebnisse sind gegenüber Wirkungen auf das Ende empfindlich, d. h., der Meßwert des Elastizitätsmoduls ändert sich mit Änderungen der Einspannkraft. So ändert sich der Meßwert, wenn die Einspannvorrichtung angezogen oder gelockert wird. Bei einer zweiten "axialen Zugprüfung" muß eine Probe an beiden Enden eingespannt werden. Auf die Probe wird eine Zugkraft ausgeübt, und der Elastizitätsmodul wird anhand des Meßwerts der Kraft berechnet, die zum Dehnen der Probe um eine festgelegte Länge erforderlich ist. Da die Querschnittsfläche des Rohrs über seine Länge nicht konstant ist, kann dabei leider der Meßwert für den Elastizitätsmodul um mindestens 3 % abweichen. In einer "Stabprüfung mit einseitiger Einspannung und freier Schwingung" wird die Probe an einem Ende eingespannt. Anschließend wird die Probe durch einen Stoß, z. B. am freien Ende, ausgelenkt, und es wird ihre Eigenschwingfrequenz gemessen. Danach wird der Elastizitätsmodul anhand des Eigenfrequenzmeßwerts berechnet. Ein Nachteil der "Stabprüfung mit einseitiger Einspannung und freier Schwingung" besteht darin, daß die Ergebnisse gegenüber Wirkungen auf das Ende empfindlich sind, d. h., der Meßwert des Elastizitätsmoduls ändert sich mit Änderungen der Einspannkraft. Schließlich muß in einer "Prüfung mit hängendem Stab" eine Probe z. B. an einer Leine aufgehängt und ein Beschleunigungsmesser an einem Ende der Probe befestigt werden. Die hängende Probe erhält anschließend einen Hammerschlag, z. B. an ihrem anderen Ende, um in ihr Axial- oder Längsschwingungen anzuregen. Die Eigenfrequenz dieser Schwingungsart wird gemessen, und der Elastizitätsmodul wird anhand des Eigenfrequenzmeßwerts berechnet.
Ein Beispiel für ein Verfahren zum Durchführen einer Prüfung mit hängendem Stab an Holzproben ist in der GB-A- 1,244,699 offenbart. Dieses Verfahren weist im wesentlichen die Schritte auf:
- Anregen von Energielängswellen (P-Wellen) an einem ersten Ende einer Probe,
- Messen eines Werts für die Laufzeit der P-Wellen, um sich von dem ersten Ende durch die Probe bis zu einem zweiten Ende von ihr auszubreiten, und
- Messen von Werten für die Länge und Dichte der Probe.
Die Aufgabe dieses bekannten Verfahrens besteht darin, ein zerstörungsfreies Prüfverfahren für Holz zu schaffen, um Zahlenwerte für mechanische Eigenschaften einer speziellen Probe zu erhalten. Die Probe kann entsprechend ihrem dynamischen Elastizitätsmodul eingestuft werden.
Es wurde festgestellt, daß es für die Meßgenauigkeit eines nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräts mit mindestens zwei Durchflußrohren und verringerter Nullpunktverschiebung von äußerster Wichtigkeit ist, daß die beiden Durchflußrohre etwa ähnliche Werte für den Elastizitätsmodul aufweisen; eine Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, ein Verfahren zur Herstellung von solchen nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräten zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
Die Erfindung sieht ein genaues Verfahren zum Bestimmen eines Werts für den Elastizitätsmodul rohrförmiger Proben vor, wobei die Meßergebnisse unabhängig von den konstruktiven Besonderheiten einer zu verwendenden Prüfeinspannvorrichtung und ferner unabhängig von der Länge der zu messenden rohrförmigen Probe sind.
Die Meßgenauigkeit eines nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräts kann ferner durch Angleichung zweier rohrförmiger Proben erhöht werden, die zugehörige Werte für den entsprechend dem vorgenannten Verfahren bestimmten Elastizitätsmodul haben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Grundsätze der Erfindung dürften aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden. Es zeigen:
Fig. 1 in bildlicher Form eine Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 in bildlicher Form die Erzeugung von P-Wellen und deren Einleitung in ein Rohr, dessen Elastizitätsmodul zu bestimmen ist;
Fig. 3 in bildlicher Form die Anschlagkappe 18 für die Ausführungsform gemäß Fig. 1;
Fig. 4 in bildlicher Form eine alternative Ausführungsform der Kappe 22 zum Befestigen des Beschleunigungsmessers 24 am Rohr 20;
Fig. 5 in bildlicher Form eine Einspannvorrichtung zum Ausbilden der Anschlagkappe 18 und/oder eine Einspannvorrichtung für den Beschleunigungsmesser 24 für die Ausführungsform gemäß Fig. 1;
Fig. 6A, 6B und 6C in bildlicher Form verschiedene Ausführungsformen der Befestigung der Spannstange 154 an der Platte 156 entlang der Linie VI-VI in Fig. 5;
Fig. 7 ein Blockschaltbild der Schaltung 16 in Fig. 1; Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den durch den Staatlichen Normenausschuß gemessenen Werten für den Elastizitätsmodul und jenen, die unter Verwendung der Vorrichtung der Erfindung für verschiedene Metallprüfstäbe bestimmt wurden;
Fig. 9 Darstellungen der Auswirkung der Streuung auf die Ausbreitung von Beanspruchungswellen; und
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Rohrlänge und der durch Streuung verursachten Zeitverzögerung.
Zum besseren Verständnis wurden gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher Elemente verwendet, die die Zeichnungen gemeinsam haben.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt in bildlicher Form eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bestimmen des Elastizitätsmoduls eines Rohrs gemäß der Erfindung. Das Rohr kann verschiedene Längen und Durchmesser haben. Bei Unstetigkeiten, z. B. Knickstellen, Scharten oder tiefen Kratzern im Rohr, wird davon ausgegangen, daß diese Unstetigkeiten zu längeren Laufzeiten für die Beanspruchungswellen führen, was den Wert des Elastizitätsmoduls verringert. In der Vorrichtung 10 ist ein Meßhammer 12 mit einem Beschleunigungsmesser 14 versehen, der am Hammerkopf befestigt ist. Der Beschleunigungsmesser 14 ist über eine Leitung 15 mit einer Schaltung 16 verbunden, deren Funktion später näher beschrieben wird. An einem Ende eines Rohrs 20 ist eine Anschlagkappe 18 befestigt. Am anderen Ende ist eine Kappe 22 befestigt. Ein Beschleunigungsmesser 24 ist an der Kappe 22 befestigt und über eine Leitung 26 mit der Schaltung 16 verbunden.
Schlägt der Kopf des Hammers 12 auf die Kappe 18 auf, werden darin Beanspruchungswellen 30 gemäß Fig. 2, einschließlich P- und S-Wellen, erzeugt, und der Beschleunigungsmesser 14 erzeugt einen elektrischen Impuls, der durch die Schaltung 16 erfaßt wird, die daraufhin eine Zeitfunktion startet. Bekanntermaßen werden im allgemeinen bei Einwirkung einer axialen stoßbeanspruchung auf einen elastischen Körper Längswellen (auch Druck- oder Dehnungswellen genannt) und Schubwellen erzeugt, und beide Wellenarten breiten sich im Körper aus. Normalerweise werden die Längswellen als P-Wellen und die Schubwellen als S-Wellen bezeichnet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von P-Wellen im elastischen Körper ist schneller als die von S-Wellen. In Rohren sind jedoch die plituden der S-Wellen größer als die der P-Wellen. Obwohl Ausführungsformen der Erfindung P-Wellen oder S-Wellen erfassen, ist zur Gewährleistung einer maximalen Genauigkeit der sich ergebenden Meßwerte die P-wellenmessung bevorzugt. Die höhere Genauigkeit ergibt sich, weil die erfaßte Wellenfront relativ scharf begrenzt ist, da sie nur Energie aus einer Wellenart enthält, d. h., aus P-Wellen. Sollen dagegen S-Wellen erfaßt werden, würde die erfaßte Wellenfront nicht so scharf begrenzt sein, weil sie im allgemeinen eine gewisse Restenergie aus den P-Wellen zusammen mit Energie aus den S- Wellen enthält. Dadurch wäre die Wiederholbarkeit der sich ergebenden Meßwerte eingeschränkt.
Ferner ist gemäß Fig. 2 die Ausbreitung von Beanspruchungswellen, d. h., sowohl von P- als auch von S-Wellen, durch die Kappe 18 in das Rohr 20 ein komplexer Vorgang. Die Kappe 18 hilft jedoch zu gewährleisten, daß die Beanspruchungswellen, einschließlich der P-Wellen 30, in das Rohr 20 relativ gleichmäßig eintreten und sich darin in Richtung der Pfeile 32 ausbreiten. Die Kappe 18 bezweckt, (1) dazu beizutragen, eine gleichmäßige Wellenfront an einem Ende des Rohrs 20 zu erzeugen, und (2) es einem Bediener zu erleichtern, den Schlag auf das Ende des Rohrs 20 zu führen, d. h., ohne die Kappe 18 müßte ein Bediener den Schlag auf die schmale Rohrkante führen. Ferner ist jede Laufzeitverzögerung der P-Wellen 30 infolge der Verwendung der Kappe 18 und der Kappe 22 wiederholbar und kann in einem Eichverfahren gemessen und vom Meßwert der Gesamtlaufzeit durch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung für P-Wellen abgezogen werden.
Erreicht gemäß Fig. 2 die die P-Wellen 30 darstellende Wellenfront ein Ende 34 des Rohrs 20, bewirkt diese Wellenfront die Erzeugung von P-Wellen im Rohr 20 und deren anschließende Ausbreitung darin zur Kappe 22. Gemäß Fig. 1 und 2 erfaßt der Eeschleunigungsmesser 24 die P-Wellen 30 und führt als Reaktion darauf einen elektrischen Impuls zur Leitung 26 (siehe Fig. 1), die mit der Schaltung 16 verbunden ist, die anschließend ihre Zeitfunktion stoppt. Der durch den Beschleunigungsmesser 24 erzeugte elektrische Impuls ist gegenüber dem durch den Beschleunigungsmesser 14 erzeugten elektrischen Impuls zeitlich um einen Wert verzögert, der die Laufzeit für die P-Wellen 30 darstellt, um sich durch die Kappe 18, das Rohr 20 und die Kappe 22 auszubreiten. Nach einer Korrektur für die durch die Kappen 18 und 22 und den Beschleunigungsmesser 24 verursachten Verzögerungen nutzt die Schaltung 16 diese Zeitverzögerung zur Bestimmung einer korrigierten Laufzeit für die P-Wellen 30 zum Ausbreiten von einem Ende des Rohrs 20 zum anderen.
Sobald die Laufzeit bekannt ist, wird nunmehr der Elastizitätsmodul E entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt:
E = [1 + ν)(1 - 2ν)/(1 - ν)]p(L/T)² (1)
worin sind: v die Poisson'sche Konstante, L die Länge des Rohrs 20, p die Dichte des Rohrs 20 und T die Laufzeit der Wellenfront der P-Wellen von einem Ende des Rohrs 20 zum anderen. Erfindungsgemäß werden ν, L und p wie folgt bestimmt: (1) ist die Poissonsche Konstante ν im wesentlichen für die Art von Werkstoffen konstant, die zur Herstellung von Durchflußrohren für ein nach dem Coriolis-Prinzlp arbeitendes Massendurchf lußmeßgerät verwendet werden; (2) kann die Länge L des Rohrs 20 mit geeigneter Genauigkeit in der Industrie mit einem Meßband gemessen werden; und (3) kann die Dichte p des Rohrs 20 mit geeigneter Genauigkeit in der Industrie gemäß der folgenden Formel für ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt gemessen werden:
p = w/(g V) (2)
worin sind: w das Gewicht, g die Gravitationskonstante und V das Volumen des Rohrs. Das Volumen V wird durch Multiplizieren der Fläche A eines Querschnitts des Rohrs 20 mit dessen Länge L berechnet. Die Fläche wird wie folgt ermittelt:
A = π(do² - di²)/4 (3)
worin sind: do der Außendurchmesser des Rohrs 20 und di der Innendurchmesser des Rohrs 20.
In einer Ausführungsforin der Erfindung weist die schaltung 16 ferner auf: (1) eine Schaltung, über die ein Bediener Ausgangsdatenwerte, z. B. Zahlenwerte für die poissonsche Konstante und die Länge und Dichte des Rohrs 20 sowie einen Eichfaktor für den speziellen Rohrwerkstoff, eingeben kann, die zur Laufzeitkorrektur verwendet werden, und (2) eine Schaltung, die die Laufzeit der sich im Rohr 20 ausbreitenden P-Wellen mißt und anhand der Ausgangsdaten und der gemessenen Laufzeit den Elastizitätsmodul berechnet.
Insbesondere ist der in Fig. 1 gezeigte Hammer 12 ein Meßhammer, der den Beschleunigungsmesser 14 aufweist und zum Anregen der Kappe 18 mit annähernd konstanter Kraft über einen breiten Frequenzbereich verwendet wird, wobei der Frequenzbereich durch die spezielle ausgewählte Hammerstruktur bestimmt wird. Solche Meßhämmer, an deren Kopf ein Beschleunigungsmesser befestigt ist, können von der Firma PCB Piezotronics, Inc., 3425 Walden Avenue, Depew, New York 14043, bezogen werden. Ferner ist auch der an der Kappe 22 zum Erfassen der im Rohr 20 erzeugten P-Wellen befestigte Beschleunigungsmesser 24 bei der Firma PCB Piezotronics, Inc. erhältlich. Es ist zu beachten, daß die Kappe 22 mit dem Rohr 20 einen innigen Kontakt hat, was später näher beschrieben wird.
Da mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie vorstehend beschrieben wurde, die Laufzeit von P-Wellen im Rohr 20 gemessen wird und das Rohr dabei nicht in einer Unterlage eingespannt sein muß, ist die Orientierung der erf indungsgemäßen Vorrichtung nicht entscheidend. Ferner kann die Laufzeit der P-Wellen im Rohr 20 gemessen werden, während sich das Rohr auf nahezu jede Oberfläche abstützt. Als einzige Ausnahme gilt, daß sich das Rohr nicht auf eine Oberfläche abstützten sollte, in der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eingeleitete Beanspruchungswellen schneller auf der Oberfläche als P-Wellen durch das Rohr wandern. Wird z. B. ein Stahlrohr zur Messung direkt auf einen Aluminiumtisch aufgelegt, könnte der Beschleunigungsmesser 24, da Beanspruchungswellen in Aluminium schneller als in Stahl wandern, durch den Aluminiumtisch wandernde Beanspruchungswellen daher vor P-Wellen erfassen, die durch das stahlrohr wandern. Dennoch läßt sich auch dieses Problem lösen, wenn das Stahlrohr durch Schaumstoff- oder Gummiunterlagen abgestützt wird. Die Schaumstoff- oder Gummiunterlagen verhindern im wesentlichen, daß Beanspruchungswellen in den Aluminiumtisch eingeleitet werden.
Die Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Industrie wird daraus ersichtlich, daß die Messung des Elastizitätsmoduls auch dann mit mindestens 1 %iger Genauigkeit erfolgen kann, wenn die Länge des Rohrs 20 mit einem Meßband bestimmt wird. Hat das Rohr 20 eine Länge von 20 Fuß (etwa 6,1 m), braucht seine Länge nur innerhalb einer Toleranz von ± 1/4 Inch (etwa 0,6 cm) für eine 0,2 %ige Genauigkeit des Elastizitätsmoduls bestimmt zu werden; hat das Rohr 20 dagegen eine Länge von 2 Fuß (etwa 61 cm), braucht seine Länge nur innerhalb einer Toleranz von ± 1/32 Inch (etwa 0,08 cm) für eine 0,3 %ige Genauigkeit des Elastizitätsmoduls bestimmt zu werden. Diese Toleranz wird bestimmt, indem Gleichung (1) in einer Taylorschen Reihe für die richtige Länge entwickelt und der in den Elastizitätsmodul durch einen bestimmten Längenfehler des Rohrs 20 eingehende Fehler ermittelt wird. Insbesondere ist der partielle Meßfehler des Elastizitätsmoduls etwa doppelt so groß wie der partielle Längenmeßfehler.
Fig. 3 zeigt in bildlicher Form die Kappe 18 für die Ausführungsform gemäß Fig. 1. In Fig. 3 weist die Kappe 18 ein Kappenanschlußstück 100 auf, in dessen Seite ein Loch 102 gebohrt ist. Das Loch 102 ist mit einem Gewinde versehen, damit eine stellschraube 104 darin eingeschraubt werden kann. In seiner Verwendung wird das Kappenanschlußstück 100 so über das Ende des Rohrs 20 geführt, daß das Ende des Rohrs 20 an eine Innenfläche 106 anstößt. Anschließend wird die stellschraube 104 fest auf die Seite des Rohrs 20 geschraubt, um einen innigen Kontakt zwischen dem Kappenanschlußstück 100 und dem Ende des Rohrs 20 zu gewährleisten. Die in Fig. 3 gezeigte Kappe kann auch zur Aufnahme des Beschleunigungsmessers 24 verwendet werden, indem ein Loch in eine Wand 108 gebohrt, mit einem Gewinde versehen und der Beschleunigungsmesser 14 daran mit einem Gewindebolzen befestigt wird.
Fig. 4 zeigt in bildlicher Form eine alternative Ausführungsform der Kappe 22 zum Befestigen des Beschleunigungsmessers 24 am Rohr 20. Eine Einspannvorrichtung 120 bildet ein Preßanschlußstück mit einer Spanninutter 122, einer ersten Zwinge oder Hülse 124, einer zweiten Zwinge oder Hülse 125 und einer Metallsitzmutter 126. Zunächst wird die Spannmutter 122 auf das Rohr 20 aufgeschoben, gefolgt von den Hülsen 124 und 125, die in die Spanninutter 122 auf dem Rohr 20 eingeführt werden. Anschließend wird die Metallsitzmutter 126 auf das Rohr 20 aufgeschoben, bis das Ende des Rohrs 20 an einen Sitz 127 in der Metallsitzmutter 126 anstößt. Die Spannmutter 122 hat an ihrer Innenseite ein Gewinde, das mit einem Gewinde auf der Außenseite der Metallsitzmutter 126 verschraubt wird. Beim Einschrauben der Metallsitzmutter 126 in die Spannmutter 122 werden die erste Hülse 124 und die zweite Hülse 125 durch Kräfte verformt, die durch Verschrauben der Spannmutter 122 und der Metallsitzmutter 126 erzeugt werden. Dadurch wird ein guter metallischer Kontakt zwischen dem Rohr 20 und der Sitzmutter 126 gewährleistet. Eine Endwand 128 der Metallsitzmutter ist mit einer Gewindebohrung versehen, in die ein Gewindebolzen 130 eingefügt wird. Am Bolzen 130 wird der Beschleunigungsinesser 24 befestigt. In einer Ausführungsform werden die Spanninutter 122, die Hülse 124 und die Metallsitzmutter 126 aus SWAGELOK-Rohrverschraubungen gebildet, worin die Metallsitzinutter 126 abgewandelt ist, damit sie den Gewindebolzen 130 durch Einschrauben aufnehmen kann (SWAGELOK ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Crawford Fitting Coinpany in Solon, Ohio). Beispielsweise wird für ein Rohr mit 5/8 Inch Durchmesser eine SWAGELOK-Verschraubung der Katalognummer 5/8-1010-C verwendet. Für Rohre mit anderen Durchmessern würden Verschraubungen geeigneter Größe ausgewählt. SWAGELOK-Verschraubungen können von der Firma Crawford Fitting Coinpany, 29500 Solon Road, Solon, Ohio 44139, bezogen werden. In der Verwendung werden nach der erfindungsgemäßen Bestimmung des Elastizitätsmoduls die Metallsitzmutter 126 und der Beschleunigungsmesser 24 vom Rohr 20 entfernt, während die Spanninutter 122 sowie die Hülsen 124 und 125 daran befestigt bleiben. Später wird das Rohr 20 zerschnitten, um die Spannmutter 122 sowie die verforinten Hülsen 124 und 125 zu entfernen. Somit zeigen die Spanninutter 122 sowie die verformten Hülsen 124 und 125 in dieser Ausführungsform an, daß der Elastizitätsmodul dieses Rohrs 20 bestimmt wurde.
Fig. 5 zeigt in bildlicher Form eine Einspannvorrichtung 140 zum Ausbilden der Anschlagkappe 18 für den Hammer 12 und/oder eine Einspannvorrichtung für den Beschleunigungsmesser 24, beide in Fig. 1 gezeigt. In Fig. 5 weist die Einspannvorrichtung 140 eine Spannklammer 142 auf, die mit einer Feder 144 belastet und mit Spannbacken 146 und 148 versehen ist, deren Form dem Außendurchmesser des Rohrs 20 entspricht. An den Innenflächen der Spannbacken 146 und 148 ist jeweils eine Gummi- oder Schaumstoffschicht (nicht gezeigt) befestigt. Die Gummi- oder Schaumstoffschicht verhindert, daß die spannbacken 146 und 148 das Rohr 20 zerkratzen, und dämpft außerdem Beanspruchungswellen, die sich durch die Einspannvorrichtung 140 in das Rohr 20 ausbreiten. Von den Spannbacken 146 und 148 verlaufen drei Metallspannstangen 150, 152 und 154 im wesentlichen parallel zum Rohr 20. Die Spannstangen 150, 152 und 154 verbinden die Spannklaminer 142 so mit einer Metallplatte 156, daß die Platte 156 im wesentlichen parallel zum Ende des Rohrs 20 steht. Geinäß Fig. 5 haben die Platte 156 und die Spannbacken 146 und 148 entsprechend zueinander ausgerichtete Durchgangslöcher 158, durch die die Spannstangen 150, 152 und 154 eingeführt werden können.
In einer Ausführungsform sind beide Enden der Spannstangen 150, 152 und 154 mit Gewinden versehen, auf die Muttern 160 (siehe Fig. 6A bis 6C) aufgeschraubt werden, nachdem die Spannstangen durch die Löcher 158 in der Platte 156 geführt wurden. Gemäß Fig. 5 sind Druckfedern 162, 164 und 166 zwischen dem Ende der Spannstangen 150, 152 bzw. 154 und den entsprechenden Durchgangslöchern 156 in den spannbacken 146 und 148 angeordnet. Die Druckfedern 162, 164 und 166 werden durch die auf das Ende der Spannstangen 150, 152 und 154 aufgeschraubten Muttern 160 in ihrer Lage fixiert.
Die Platte 156 kann außerdem mit einem Vorsprung 170 auf einer Kontaktfläche 171 der Platte versehen sein. Der Vorsprung 170 kann eine Kolben- oder Kegelforin haben dient dazu, ein Ende des Rohres 20 so zu führen, daß es einen innigen Kontakt mit Stiften auf der Kontaktfläche 171 der Einspannvorrichtung 140 herstellt. Vorzugsweise sind auf der Kontaktfläche 171 mindestens drei gleichmäßig beabstandete, radial verlaufende erhöhte Abschnitte, z. B. Metallstifte 172, vorgesehen. In Fig. 5 sind drei Stifte dargestellt. Die Stifte 172 werden auf herkömmliche Weise befestigt, z. B. durch Kleben, Schweißen oder Löten. Die stifte bilden innige Kontaktstellen zwischen dem Ende des Rohrs 20 und der Einspannvorrichtung 140 und lassen etwaige Unebenheiten am Rohrende zu. In der Kontaktfläche 171 können auch Rillen zum Aufnehmen der Stifte 172 vorgesehen sein. Alternativ könnten anstelle der Stifte 172 auch abgerundete Stege verwendet werden.
Im Betrieb werden die spannbacken 146 und 148 der Spannklammer 142 geöffnet. Anschließend wird die Einspannvorrichtung 140 über das Rohr geschoben, und zwar ausreichend so weit, daß die Druckfedern 162, 164 und 166 zusammengedrückt werden und eine Längskraft erzeugen, um einen innigen Kontakt zwischen der Platte 156 und den Stiften 172 mit dem Ende des Rohrs 20 beizubehalten. Wird die Einspannvorrichtung 140 zur Aufnahme des Beschleunigungsmessers 24 verwendet, kann ein Loch für einen Gewindebolzen in die Platte 156 gebohrt und mit einem Gewinde versehen werden, wie für den Bolzen 130 in der Ausführungsform von Fig. 4 geschehen.
Fig. 6A, 6B und 6C zeigen im Querschnitt verschiedene Ausführungsformen für die Verbindung zwischen der Platte 156 und den Spannstangen, hier zur Veranschaulichung der Spannstange 154, entlang der Linie VI-VI von Fig. 5 für die Einspannvorrichtung 140 gemäß Fig. 5. In Fig. 6A ist der Durchmesser eines Abschnitts 180 der Spannstange 154 im Vergleich zum Durchmesser des Durchgangslochs 158 in der Platte 156 verringert. Die Enden der Spannstangen 150 und 152 wären auf ähnliche Weise ausgebildet. In Fig. 6B ist der Durchmesser des Durchgangslochs 158 ausreichend größer als der Durchmesser der Spannstange 154 mit nicht verringertem Durchmesser, um eine lose Passung auszubilden. Aus den verschiedenen, mit gestrichelten Linien dargestellten Ausrichtungen 186 und 188 der Platte 156 in Fig. 6B geht hervor, daß dadurch eine gewisse Bewegungs- oder Spielfreiheit zwischen der Spannstange 154 und der Platte 156 zustandekommt. Außerdem kann dadurch wiederum ein inniger Kontakt zwischen der Platte 156 und dem Ende des Rohrs 20 auch dann hergestellt werden, wenn das Ende des Rohrs 20 nicht senkrecht zu seiner Achse abgeschnitten ist. In Fig. 6C ist das Durchgangsloch 158 mit kegligen Senkungen versehen. Die kegligen Senkungen 182 und 184 erlauben erneut eine Winkelbewegung der Platte 156 gegenüber der spannstange 154. In einer weiteren Ausführungsform bilden die Enden der Zugstangen 150, 152 und 154 sowie die Platte 156 Kugelgelenke (nicht gezeigt). Durch ein solches Kugelgelenk können sich die Spannstangen und die Platte 156 relativ zueinander bewegen, um Abweichungen des Endes des Rohrs 20 von der Senkrechten auszugleichen. Ein zusätzlicher Vorteil der losen Passung in jeder dieser Ausführungsformen besteht darin, daß sich die erforderliche Kraft zum Öffnen der Spannbacken der spannklammer 142 verringert. Beim Öffnen der Spannklammer 142 biegen sich die Spannstangen, die normalerweise aus Stahl und etwas steif sind, vom Rohr nach außen weg. Durch die Winkeldrehung der Spannstangen wird die Stärke der Spannstangendurchbiegung verringert, die beim Öffnen der Spannklammer 142 erforderlich ist, was die Stärke der erforderlichen Öffnungskraft verringert. Zu beachten ist, daß bei Verwendung der Einspannvorrichtung 140 als Anschlagkappe der innige Kontakt mit dem Ende des Rohrs 20 dann hergestellt wird, wenn der Hammer 12 erstmals auf die Anspannvorrichtung auf schlägt. Sobald der Hammer 12 auf die Platte 156 auftrifft, kann die Platte 156 vom Ende des Rohrs 20 zurückprallen oder sogar nochmals an das Rohr 20 Anschlagen. Bis dies geschieht, haben sich jedoch die ersten P-Wellen schon bis zum anderen Ende des Rohrs 20 ausgebreitet und wurden bereits erfaßt.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild der Schaltung 16 gemäß Fig. 1. Schlägt der Hammer 12 auf die Kappe 18 (siehe Fig. 1) auf, erzeugt der am Hammer 12 befestigte Beschleunigungsmesser 14 einen elektrischen Impuls 200 auf der Leitung 15 gemäß Fig. 7. Gleichzeitig werden P-Wellen im Rohr 20 erzeugt. Die P-Wellen wandern zur Kappe 22 (siehe Fig. 1) und zum Beschleunigungsmesser 24. Beim Erfassen von P-Wellen erzeugt der Beschleunigungsmesser 24 einen elektrischen Impuls 300 auf der Leitung 26 gemäß Fig. 7. Die elektrischen Impulse 200 und 300 werden als Eingabe an Verstärkern 201 bzw. 301 angelegt. Die Verstärker 201 und 301 verstärken ihrerseits diese Impulse bis auf einen geeigneten Pegel und legen die resultierenden verstärkten Impulse als Eingabe an Verstärkern 202 bzw. 302 an. Die Verstärker 202 und 302 bilden Störschwellenschaltungen. Insbesondere vergleichen diese Verstärker die durch die Beschleunigungsmesser 14 bzw. 24 erzeugte Amplitude der verstärkten Impulse 200 und 300 mit vorbestimmten Schwellpegeln, die durch jeweilige Spannungsquellen 203 und 303 eingestellt werden. Jedesmal wenn die Amplitude eines dieser verstärkten Impulse den zugehörigen Schwellpegel übersteigt, erzeugt der entsprechende Verstärker einen Hochpegel. Diese Schwellpegel werden auf einen ausreichend hohen Pegel eingestellt, damit die Schaltung 16 nicht durch Störungen angesteuert wird.
Die Ausgabe vom Verstärker 202 wird als Eingabe an einem D-Flipflop 204 angelegt und bewirkt, daß dessen Ausgang "Q", an dem eine Leitung 205 angeschlossen ist, den Hochpegel annimmt. Die Leitung 205 ist mit dem Eingang "START" eines Zählers 400 verbunden. Nimmt die Ausgabeleitung 205 den Hochpegel an, so startet der Zähler 400 seine Zählung. Wenn der Hammer 12 also auf die Kappe 18 auf schlägt und P-Wellen in das Rohr 20 einleitet, beginnt der Zähler 400 zu zählen. Die Zeitbasis und damit die Auflösung des Zählers 400 wird durch einen Schwingquarz 401 bestimmt, der typischerweise eine Frequenz von 10 MHz hat.
Erfaßt der Beschleunigungsmesser 24 P-Wellen am Ende des Rohrs 20, so erzeugt dieser Beschleunigungsmesser, wie vorstehend beschrieben wurde, den Impuls 300, der seinerseits eine Ausgabe vom Verstärker 302 bewirkt, die als Eingabe an einem D-Flipflop 304 angelegt wird. Dadurch nimmt der Ausgang "Q" dieses Flipflops, der mit einer Leitung 305 verbunden ist, den Hochpegel an. Die Ausgabeleitung 305 ist mit einem Eingang "STOP des Zählers 400 verbunden. Sobald die Ausgabeleitung 305 den Hochpegel annimmt, stoppt der Zähler 400 die Zählung und übermittelt seine Zählung zu einer LED-Anzeige 410. Diese Zählung stellt die Laufzeit von P-Wellen durch die Kappen 18 und 22 sowie die Länge des Rohrs 20 dar. Nachdem der Zähler 400 seine Ausgabe zur LED-Anzeige 410 ausgegeben hat, wird die weitere Zählung dieses Zählers für eine kurze Zeitspanne gesperrt, die ausreichend lang ist, um ein Nachschwingen im Rohr 20 abklingen zu lassen.
Anschließend wird der Elastizitätsmodul E anhand der korrigierten Laufzeit gemäß Gleichung (1) bestimmt. In einer Ausführungsform kann die Gleichung (1) durch einen programmierbaren Rechner berechnet und der Elastizitätsmodul bestimmt werden. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Gleichung (1) in einem Prozessor, z. B. einem Mikroprozessor, berechnet werden. In Fig. 7 wird einem Mikroprozessor 425 die Zählung vom Zähler 400 über eine Leitung 415 sowie der Zahlenwert der Poissonschen Konstante v sowie die Länge L, die Dichte p des Rohrs und die Eichfaktoren über ein Eingabegerät, z. B. ein Tastatureingabegerät 430, zugeführt. Nach der Berechnung übermittelt der Mikroprozessor 425 das Ergebnis zu einem Anzeigegerät 435, um es darauf anzeigen zu lassen. Das Verfahren, mit dem Prozessoren, z. B. der Mikroprozessor 425, über schnittstellen mit Eingabegeräten wie einem Tastatureingabegerät gekoppelt und programmiert werden können, um die Berechnung von Gleichung (1) durchzuführen, ist weithin bekannt.
Jedesmal wenn gemäß Fig. 7 ein Impuls vom Verstärker 202 als Eingabe am Flipflop 204 als Reaktion auf ein Aufschlagen des Hammers 12 auf das Rohr 20 angelegt wird, führt das Flipflop 204 einen geeigneten Pegel von seinem Ausgang "Q negiert" über eine Leitung 358, um einen Zeitgeber 350 zurückzusetzen. Als Reaktion darauf erzeugt der Zeitgeber 350 eine Ausgabe nach einer Verzögerung von z. B. 1,5 Sekunden. Diese Ausgabe wird über Leitungen 355 und 356 zum Löscheingang "CLR" der Flipflops 204 bzw. 304, um diese zurückzusetzen, sowie über eine Leitung 357 als Eingabe zu einem ODER-Gatter 351 geführt. Die Ausgabe des ODER-Gatters 351 wird als Eingabe an einem Initialisierungseingang "INIT" des Zählers 400 angelegt. Dadurch wird die Schaltung 16 zurückgesetzt und ist zur nächsten Messung bereit. Die Verzögerung wird ausreichend lang gewählt, damit jedes Nachschwingen im Rohr abgeklungen ist. Ferner sollte die Verzögerung ausreichend lang sein, damit der Zähler 400 nicht durch den Zeitgeber 350 zurückgesetzt wird, bevor die durch den Hammer 12 erzeugten P-Wellen durch den Beschleunigungsmesser 24 erfaßt werden. Diese letztgenannte Forderung ist in der Praxis unproblematisch, weil die P-Wellen eine in Mikrosekunden gemessene Laufzeit haben, während die Zeitspanne des Zeitgebers 350 z. B. 1,5 Sekunden beträgt.
Gemäß Fig. 7 kann der Zähler auch dadurch initialisiert werden, daß ein Schalter 360 manuell geschlossen wird, der zwischen einer geeigneten Spannungsquelle 361 und einem Eingang des ODER-Gatters 351 geschaltet ist.
Zur Bestimmung der Genauigkeit des Verfahrens und der Vorrichtung wurden fünf beglaubigte Prüfstäbe vom Staatlichen Normenausschuß (NBS) bezogen. Die Stäbe waren massiv und aus Aluminium, Titan, rostfreier Stahllegierung 321 (55321), unlegiertem Stahl und Inconel hergestellt. Die durch den NBS beglaubigten mechanischen Eigenschaften dieser fünf Stäbe sind in Tabelle 1, Zeilen 1 bis 4, angegeben. Tabelle 1 Eigenschaft Symbol Einheit Unlegierter Stahl Inconel Elastizitätsmodul Poissonsche Konstante Langsgeschwindigkeit Länge NBS-Laufzeit * Gigapascal = 109 Newton m&supmin;²
Anhand der nachstehenden Gleichung (4) und der Werte für v&sub1; und L in Tabelle 1 oben kann die NBS-Lauf zeit To für jeden Prüfstab bestimmt werden.
To = L/v&sub1; (4)
Die Ergebnisse für To sind in Zeile 6 von Tabelle 1 dargestellt. Anschließend wurden die fünf Prüfstäbe unter Verwendung der Schaltung von Fig. 7 und einem abgewandelten Prüf- aufbau geprüft. Der Beschleunigungsmesser 24 wurde direkt am Stabende angebracht, wobei ein kurzer Schraubstock mit Befestigungsbolzen für die Einspannvorrichtung 120 verwendet wurde. Der Aufschlag des Meßhammers 12 erfolgte direkt auf das andere stabende. Jeder Stab wurde mindestens 10 Schlägen unterzogen, und die Laufzeit T wurde über die Schaltung 16 gemessen. Die gemessenen Laufzeiten T lagen durchweg höher als die NBS-Laufzeit To. Für jede Prüfung wurde der Elastizitätsmodul anhand von Gleichung (1) ermittelt, und anschließend wurde ein Mittelwert Ein bestimmt. In Fig. 8 sind die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen den gemessenen Mittelwert ten für den Elastizitätsmodul Ein und dem NBS-Wert E gezeigt. Die gestrichelte Linie stellt die ideale 1:1-Beziehung zwischen den Meß- und NBS-Werten für den Elastizitätsmodul dar.
Für den anhand der gemessenen Lauf zeiten bestimmten Elastizitätsmodul waren diese Zeiten T durchweg kürzer als die NBS- Werte. Die Differenz ΔT&sub1; zwischen der gemessenen Laufzeit T und der NBS-Laufzeit To wurde für jede Prüfung bestimmt. Die Werte für ΔT&sub1; für jeden Prüfstab wurden gemittelt, um einen mittleren ΔT&sub1;-Wert zu erhalten. Dieser mittlere ΔT&sub1;-Wert ist vom Werkstoff abhängig und läßt sich als Eigen- oder Verschiebungswert vergegenwärtigen, der durch den Meßhammer 12, die Beschleunigungsmesser 14 und 24 sowie die Schaltung 16 eingeht. Zur Bestimmung der Auswirkung der Einspannvorrichtung 140 und der Einspannvorrichtung 120 auf die gemessene Laufzeit T wurden die Prüfungen für jeden prüfstab wiederholt. Zunächst wurde die Einspannvorrichtung 120 installiert, und die Prüfungen wurden durchgeführt. Anschließend wurden beide Einspannvorrichtungen 120 und 140 installiert und die Prüfungen durchgeführt. Die durch die Einspannvorrichtung 120 eingeführte Verzögerung wird mit ΔT&sub2;, die durch die Einspannvorrichtung 140 eingeführte mit ΔT&sub3; bezeichnet. Die Summe der Verzögerungen ΔT&sub1;, ΔT&sub2; und ΔT&sub3; stellt den gesamten Eigenoder Verschiebungswert dar und wird als Eichf aktor AT gemäß Gleichung (5) verwendet.
ΔT&sub1; + ΔT&sub2; + ΔT&sub3; = ΔT = TT - To (5)
worin sind:
To = NBS-Laufzeit in Mikrosekunden,
TT = Gesamte gemessene Laufzeit einschließlich Verzögerungen.
Die Zeilen 1 bis 4 in Tabelle 2 zeigen die für jeden Prüfstab gemessenen Verzögerungswerte. Wiederum sind die Verzögerungswerte Mittelwerte in Mikrosekunden. In den Zeilen 5 und 6 von Tabelle 2 sind außerdem die Werte für den mit E (NBS) bzw. EM bezeichneten Elastizitätsmodul in Gigapascal angegeben, die durch den NBS und mit der Erfindung unter Verwendung des Eichfaktors AT zur Korrektur der gemessenen Laufzeit bestimmt wurden. Wie ersichtlich ist, sind die Unterschiede zwischen den beiden Wertesätzen für den Elastizitätsmodul äußerst gering. Tabelle 2 Beschreibung Einheit Unlegierter Stahl Inconel (Mittel)
Eichfaktoren können für einen speziellen zu prüfenden Werkstoff entwickelt werden. Für industrielle Zwecke wird aber davon ausgegangen, daß sich genaue Ergebnisse ergeben, wenn ein Eichfaktor ΔT für einen Werkstoff in der Tabelle ausgewählt wird, der dem zu prüfenden Werkstoff am nächsten kommt. Der Eichfaktor ΔT wird von der gemessenen Laufzeit subtrahiert. Anschließend wird die korrigierte Laufzeit in Gleichung (1) zur Berechnung des Elastizitätsmoduls verwendet. Dieses Verfahren kann durch den programmierbaren Rechner oder dadurch erfolgen, daß dem Mikroprozessor 425 der Wert des Eichfaktors zugeführt wird. Verwendbar wäre auch eine Nachschlagetabelle zum Speichern verschiedener Eichfaktoren, die ausgewählt würden, sobald der jeweils zu prüf ende Werkstoff bekannt ist. Andere Verfahren zur automatischen Einbindung des Eichfaktors ΔT in die Bestimmung des Elastizitätsinoduls können ebenfalls verwendet werden, wobei die angegebenen nur zur Veranschaulichung dienen sollen.
Sobald der Wert des Elastizitätsmoduls für das Rohr bestimmt wurde, können die Rohre zur Verwendung in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Mehrrohr-Massendurchflußmeßgerät ausgewählt werden. Auf der Grundlage bekannter Verfahren der statistischen Prozeßkontrolle sind wir der Auffassung, daß eine Schwankung des Elastizitätsmoduls der Rohre, die in einem nach den Coriolis-Prinzip arbeitenden Meßgerät eingesetzt werden sollen, von ± 4 % eine annehinbare Obergrenze darstellt und daß dies dazu beiträgt, das zuvor beschriebene Problem der Nullpunktverschiebung zu mildern. Zunächst scheint diese Schwankung größer als jene zu sein, die für die zuvor beschriebene axiale Zugprüfung angegeben wurde.
Bei Anwendung der gleichen Verfahren der statistischen Prozeßkontrolle auf die ± 3-%ige Schwankung in der axialen Zugprüfung würde sich jedoch eine + 12-%ige Schwankung ergeben, um den gleichen Vertrauensgrad in der axialen Zugprüfung wie in der Prüfung mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu erreichen. Diese ± 12-%ige Schwankung übersteigt die ± 11-%ige Schwankung, die bekanntermaßen Probleme verursacht.
Ein zusätzlicher, von der Länge L des Rohrs abhängiger Korrekturfaktor muß ebenfalls berücksichtigt werden, wenn die Rohrlänge wesentlich größer als die Länge der Prüfstäbe ist, die zur Entwicklung des Eichfaktors verwendet werden. Die NBS-Prüfstäbe hatten hierbei jeweils eine Länge von etwa einem Meter. Dieser Korrekturfaktor berücksichtigt die Streuung der Beanspruchungswelle bei ihrer Wanderung entlang der Rohrlänge. Während der Fortpflanzung der Beanspruchungswelle im Rohr breitet sich diese aus und wird zerstreut. Je länger das Rohr ist, desto größer ist die Wellenstreuung. Fig. 9 veranschaulicht die Auswirkung der Streuung auf eine Beanspruchungswellenfront bei ihrer Ausbreitung im Rohr bei zunehmender Lauf zeitlänge t&sub1;, t&sub2; und t&sub3;. Der Pfeil bei jeder Wellenform (a), (b) und (c) in der Zeichnung deutet die Wellenausbreitungsrichtung an. Deutlich wird, daß mit längerer Laufzeit die Wellenfront zunehmend weniger steil wird. Da die Schaltung 16 einen festen, von Null abweichenden Schwellpegel zum Erfassen der Wellenfront verwendet, braucht die Wellenfront bei abflachender Steilheit länger, um diesen Schwellpegel zu erreichen, wodurch sich eine zusätzliche Zeitverzögerung ergibt. Diese durch Streuung verursachte Zeitverzögerung wird mit T&sub4; bezeichnet. Es dürfte deutlich sein, daß sich bei Annäherung der Länge des zu prüfenden Rohres an die Länge des Prüfstabs, der zur Entwicklung des Eichfaktors ΔT verwendet wurde, die durch Streuung hervorgerufene Zeitverzögerung T&sub4; in Richtung Null verringert. Der Grund dafür ist, daß die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung bereits inhärent im Eichfaktor enthalten ist, da ein Prüfstab mit einer Länge von Null unmöglich ist. Ist das zu prüfende Rohr kürzer als der zur Entwicklung des Eichfaktors verwendete Prüfstab, so hat die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung einen negativen Wert.
Die Auswirkung der Streuung der Beanspruchungswelle auf den Elastizitätsmodul besteht darin, daß sie seinen Wert bei längeren Rohren verringert. Dies geht aus den Tabellen 3 und 5 hervor. Die Daten in Tabelle 3 wurden durch Messen der Gesamtlaufzeit TT unter Verwendung der erf indungsgemäßen Vorrichtung für ein Stahlrohr aus rostfreiem Stahl 316L mit etwa 5,5 in Länge ermittelt (Rohr Nr. 11). Anschließend wurde das Rohr um einen 1 in langen Abschnitt gekürzt, und die Gesamtlaufzeit wurde erneut für das gekürzte Rohr gemessen (Rohr Nr. 10). Dieses Verfahren des schneidens und Messens von Laufzeiten wurde solange wiederholt, bis jeweils 5 Rohre mit etwa einem Meter Länge aus dein ursprünglichen Rohr geschnitten waren. Die Rohrlängen L sind in Spalte 2 der Tabelle 3 angegeben. Danach wurden die Gesamtlaufzeiten für diese fünf 1-m-Rohre gemessen (Rohr Nr. 1 bis 5). anschließend wurde die Gesamtlaufzeit (Spalte 3 von Tabelle 3) für jedes der Rohre unter Verwendung des Eichfaktors ΔT (Spalte 4 von Tabelle 3) gemäß der vorstehenden Beschreibung korrigiert, und es wurden Werte für den Elastizitätsmodul E bestimmt, die in Spalte 5 von Tabelle 3 angegeben sind. Für die fünf 1-m-Rohre betrug der Mittelwert des Elastizitätsmoduls 184,8 GPa bei einer Standardabweichung von 0,8 % vom Mittelwert. Mit zunehmender Rohrlänge fällt der Wert des Elastizitätsinoduls für das längste Rohr auf 151,3 GPa, was einem 18-%igen Rückgang entspricht. Tabelle 3 Rohr Nr.
Die Daten in Tabelle 3 zeigen, daß der Elastizitätsmodul für die fünf 1-m-Rohre im wesentlichen konstant ist. Bei angenommener Konstanz der Poissonschen Konstante und der Rohrdichte läßt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit v&sub1; wie folgt berechnen:
Tabelle 4 zeigt in Spalte 2 die Ausbreitungsgeschwindigkeit v&sub1; für die fünf 1-m-Rohre (Rohr Nr. 1 bis 5). Für diese fünf Rohre beträgt die mittlere v1 0,5590 cm/µs bei einer Standardabweichung von 0,0024 cm/µs. Dieser Mittelwert wurde danach für die anderen Rohre (Rohr Nr. 6 bis 11) als konstant angenommen und zum Ermitteln einer korrigierten Laufzeit Tc ohne Streuung wie folgt verwendet:
Tc = L/v&sub1; (7)
Diese Daten sind in Tabelle 4 in Spalte 3 angegeben. Die durch Streuung verursacht Zeitverzögerung beträgt definitionsgemäß:
T4 = (TT - ΔT) - Tc (8)
Spalte 4 von Tabelle 4 zeigt, daß die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung T&sub4; für die fünf 1-m-Rohre (Rohr Nr. 1 bis 5) etwa Null ist und sich für die längeren Rohre gleichmäßig erhöht. Diese Abhängigkeit der durch Streuung verursachten Zeitverzögerung T4 von der Länge L geht aus einer Kurve 500 in Fig. 10 hervor und zeigt ein lineares Verhalten über den geprüften Bereich. Eine Regressionsanalyse der Längen- und der durch Streuung verursachten Zeitverzögerungsdaten ergibt:
T4 = α&sub1; L + α&sub0; (9)
wobei die Koeffizienten α&sub1; und α&sub0; betragen:
α&sub1; = 0,2225 µs/cm
α&sub0; = - 20,6 µs
Der Bestimmungskoeffizient für diese Formel lautet 0,9997. Gleichung (9) für ein Rohr aus rostfreiem Stahl 316L ist in Fig. 10 durch die Kurve 500 graphisch dargestellt. Tabelle 4 Rohr Nr.
Durch Einsetzen von Gleichung (9) in Gleichung (8) und Auflösen für Tc ergibt sich:
Tc = TT - ΔT - (α&sub1; L + α&sub0;) (10)
Spalte 5 enthält die mit Tc' bezeichneten Daten, die sich bei der Berechnung von Tc unter Verwendung von Gleichung (10) und der Werte für die Rohrlänge TT sowie ΔT für jedes der Rohre gemäß Tabelle 3 ergeben. Deutlich wird eine enge Übereinstim mung zwischen den Werten von Tc und Tc'. Spalte 6 von Tabelle 4 zeigt den für alle Ausbreitungsverzögerungen einschließlich Streuung korrigierten Elastizitätsmodul, der mit EC bezeichnet ist. Wie deutlich wird, ist die Schwankung der Werte für Ec sehr gering, obwohl die Rohrlänge von etwa 1 m bis etwa 5,5 in zunimmt. Für Rohrlängen über 1 m kann das zuvor beschriebene Verfahren zum Ermitteln einer korrigierten Laufzeit abgewandelt werden, indem die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung T&sub4; anhand von Gleichung (9) bestimmt und anschließend sowohl die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung T&sub4; als auch der Eichfaktor ΔT von der gemessenen Laufzeit subtrahiert werden, um die korrigierte Laufzeit zu bestimmen, die danach in Gleichung (1) zur Berechnung des Elastizitätsmoduls verwendet wird. Wiederum läßt sich dieses Verfahren durch Einsatz eines programmierbaren Rechners oder Mikroprozessors realisieren. Die Koeffizienten α&sub1; und α&sub0; können in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden.
Ursprünglich wurde davon ausgegangen, daß sich die Koeffizienten α&sub1; und α&sub0; bei Verwendung eines anderen Rohrwerkstoffs nicht wesentlich ändern würden. Erstaunlicherweise stellten wir jedoch fest, daß dies nicht der Fall ist. Ein aus der Legierung HASTELLOY Alloy C-276 hergestelltes Rohr (HASTELLOY ist ein Warenzeichen der Firma Cabot Co. in Kokomo, Indiana, und HASTELLOY Alloy C-276 ist eine Bezeichnung der Firma Cabot Co.) wurde mit einem Verfahren geprüft, das dem für das Rohr aus rostfreiem stahl 316 beschriebenen Verfahren ähnelte. Diese Daten sind in den Tabellen 5 und 6 zusammengefaßt. Tabelle 5 Rohr Nr. Tabelle 6 Rohr Nr.
Erneut wurde das Schneid- und Meßverfahren für das Rohr aus rostfreiem Stahl 316L auch auf das Rohr aus der Hastelloy-Legierung C-276 angewendet. Hierbei wurden jedoch vier Rohre mit etwa 1 m Länge aus dem ursprünglichen Rohr geschnitten. Der Mittelwert für v&sub1; wurde anhand der Werte für die Rohre Nr. 2 bis 4 bestimmt. Anschließend wurde dieser Mittelwert mit Rohr Nr. 1 sowie den Rohren Nr. 5 bis 9 verwendet, um die korrigierte Laufzeit Tc zu bestimmen, die in Spalte 3 der Tabelle 6 angegeben ist. Die Werte für die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung wurden gemäß der vorstehenden Beschreibung berechnet und sind in Spalte 4 der Tabelle 6 dargestellt. Spalte 5 enthält die mit Tc' bezeichneten Daten, die sich bei der Berechnung von Tc anhand von Gleichung (10) und der Werte für die Rohrlänge TT sowie AT für jedes der Rohre gemäß Tabelle 5 ergeben. Deutlich wird eine enge Übereinstimmung zwischen den Werten von Tc und Tc.'. Spalte 6 von Tabelle 6 zeigt den für alle Ausbreitungsverzögerungen einschließlich Streuung korrigierten Elastizitätsmodul, der mit Ec bezeichnet ist. Wie deutlich wird, ist die Schwankung der Werte für Ec sehr gering, obwohl die Rohrlänge von etwa 1 in bis etwa 5,5 in zunimmt.
Anhand von Regressionsanalyseverfahren für die Länge L in Tabelle 5 und die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung T&sub4; in Tabelle 6 wurden für die Koeffizienten α&sub1; und α&sub0; in Gleichung (9) folgende Werte ermittelt:
α&sub1;= 0,1221 µs/cm
α&sub2; = - 13,9 µs
Der Bestimmungskoeffizient für diese Formel lautete 0,9973. Die für das Rohr Nr. 1 aufgeführten Werte wurden nicht zur Bestimmung der Koeffizienten verwendet. Erneut ist diese Beziehung in Fig. 10 durch eine Kurve 510 graphisch veranschaulicht. Ein Vergleich des Anstiegs der Kurven 500 und 510 zeigt die Auswirkung des Rohrwerkstoffs auf die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung T&sub4;.
Um die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung zu berücksichtigen, wird das zuvor beschriebene Verfahren zum Ermitteln einer korrigierten Laufzeit abgewandelt. Die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung T&sub4; wird anhand von Gleichung (9) bestimmt. Danach werden die durch Streuung verursachte Zeitverzögerung T&sub4; und der Eichfaktor AT von der gemessenen Laufzeit subtrahiert, um die korrigierte Laufzeit zu bestimmen, die anschließend in Gleichung (1) zur Berechnung des Elastizitätsmoduls verwendet wird. Dabei handelt es sich um das bevorzugte Verfahren. Dieses Verfahren kann durch Einsatz eines programmierbaren Rechners oder Mikroprozessors realisiert werden. Wiederum könnten diese Koeffizientenwerte in einer Nachschlagetabelle gespeichert und ausgewählt werden, wenn der diesem speziellen Satz von Koeffizienten entsprechende Werkstoff zu prüfen wäre. Eine Koeffiziententabelle für andere Rohrwerkstoffe läßt sich anhand des vorstehend beschriebenen Verfahrens bestimmen.
Obwohl die Vorrichtung und das Verfahren geinäß der Beschreibung zum Messen von P-Wellen dienen, können sie auch zum Messen von S-Wellen verwendet werden. Da sich S-Wellen im Rohr in senkrechter Richtung zur Rohrlängsachse bewegen, würde der Beschleunigungsmesser 24 in der Nähe des Rohrendes an der Rohrwand angebracht werden, d. h., an einer Stelle, die im wesentlichen senkrecht zur Rohrlängsachse steht. Nach wie vor erfolgt der Aufschlag auf das Rohr am gegenüberliegenden Ende oder auf die Rohrwand am gegenüberliegenden Ende. Werden Laufzeiten der S-Wellen gemessen, so kann die Poissonsche Konstante ν anhand von Standardformeln bestimmt werden. Außerdem ist die Messung von S-Wellen eine zweite Möglichkeit zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls. Die Schaltung 16 würde abgewandelt, um die Erfassung der sich als erste Gruppe von Beanspruchungswellen im Rohr ausbreitenden P-Wellen zu unterdrücken, z. B. durch Verwendung einer Zeitverzögerung und nachfolgende Erfassung der S-Wellen, die sich als nächste Wellengruppe ausbreiten. In Rohren haben S-Wellen typischerweise eine wesentlich größere Amplitude als P-Wellen. Dementsprechend kann in der abgewandelten Schaltung auch ein Schwelldiskriminator verwendet werden, der für die S-Wellen mit größerer Amplitude eingestellt ist, um die S-Wellen zu erfassen und deren Laufzeit zu messen; dies kann anstelle des zuvor erwähnten schwelldiskriminators oder in Kombination mit diesem geschehen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgeräts mit mindestens zwei Durchflußrohren und einer verringerten Nullpunktverschiebung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Prüfen einer jeweiligen von mehreren im wesentlichen aus dem gleichen Werkstoff hergestellten rohrförmigen Proben (20), um einen Wert für den Elastizitätsmodul (E) mit einer vordefinierten Genauigkeit zu bestimmen, der zu der jeweiligen Probe zugehörig ist, wobei der Schritt des Prüfens die Schritte aufweist:

Anregen von P-Wellen (30) an einem ersten Ende (18) der jeweiligen Probe (20);

Messen eines Werts für die Laufzeit (TT) der P-Wellen (30), um sich von dem ersten Ende (18) durch die jeweilige Probe (20) bis zu einem zweiten Ende (22) von ihr auszubreiten;

Messen von Werten für die Länge (L) und Dichte (p) der jeweiligen Probe (20), wobei das Verfahren ferner aufweist:

Bestimmen eines Werts für einen vordefinierten Eichfaktor (AT) zum Kompensieren einer Laufzeitverzögerung, die in die gemessene Laufzeit (TT) durch eine im Schritt des Messens verwendete Prüfeinspannvorrichtung (120, 140) eingeht, und eines Werts für einen durch Streuung verursachten Zeitverzögerüngsfaktor (T4) zum Kompensieren einer durch Streuung der P-Wellen verursachten Laufzeitverzögerung, wenn sich die P-Welle (30) in der jeweiligen Probe (20) ausbreitet, wobei sich der durch Streuung verursachte Zeitverzögerungsfaktor als Reaktion auf die Länge (L) der jeweiligen Probe (20) ändert;

Subtrahieren beider Werte für den durch Streuung verursachten Zeitverzögerungsfaktor (T4) und den vordefinierten Eichfaktor (ΔT) von dem gemessenen Laufzeitwert um einen korrigierten Laufzeitwert (Tc) für die jeweilige Probe zu bilden; und

Erzeugen des zugehörigen Werts für den Elastizitätsmodul (E) anhand des Längenwerts (L), des Dichtewerts (p) und des korrigierten Laufzeitwerts (Tc) für die jeweilige Probe (20); sowie

Auswählen spezifischer rohrförmiger Proben (20) zum Einbau als entsprechende Durchflußrohre in dein nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmeßgerät, wobei alle spezifischen rohrförmigen Proben zugehörige Werte für den Elastizitätsmodul (E) haben, die innerhalb eines vordefinierten Bereichs liegen, um eine inhärent in dem Meßgerät vorliegende Nullpunktverschiebung vorteilhaft zu verringern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens des Elastizitätsmoduls (E) den Schritt des Bestimmens des zugehörigen Werts für den Elastizitätsmodul für die jeweilige Probe gemäß der folgenden Gleichung aufweist:

E = [(1 + ν) (1 - 2ν)/(1 - ν)j p (L/Tc)²

worin sind:

ν die Poisson'sche Konstante des Werkstoffs, aus dem die jeweilige Probe hergestellt ist,

L der gemessene Längenwert der jeweiligen Probe,

p der gemessene Dichtewert der jeweiligen Probe und Tc der korrigierte Laufzeitwert für die jeweilige Probe.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens des vordefinierten Werts für den Eichfaktor (ΔT) und des Werts für den durch Streuung verursachten Zeitverzögerungsfaktor (T&sub4;) den Schritt des Bestimmens eines Werts für den Zeitverzögerungsfaktor (T&sub4;) für die jeweilige Probe gemäß der folgenden Gleichung aufweist:

T&sub4; = α&sub1; L + α&sub0;

worin α&sub1; und α&sub0; vorbestimmte Koeffizienten sind.