DE4327052A1 - Vorrichtung zur Massemessung von Flüssigkeiten und Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Cori­ olis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen er­ fassenden Meßwertaufnehmer.

Massendurchflußmeßgeräte für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt (vgl. z. B. die DE-A- 26 29 833, 28 22 087, 28 33 037, 29 38 498, 30 07 361, 33 29 544, 34 43 234, 35 03 841, 35 05 166, 35 26 297, 37 07 777, 39 16 285, 40 16 907, 41 24 295, 41 43 361 und 42 00 060, die EP-A-0 083 144, 0 109 218, 0 119 638, 0 196 150, 0 210 308, 0 212 782, 0 235 274, 0 232 679, 0 243 468, 0 244 692, 0 271 605, 0 275 367 und 0 282 552, die US-C-4,491,009, 4,628,744, 4,666,421, 4,803,867 und 4,962,671, sowie FR-A-2 598 801) und finden in zunehmen­ dem Maße in der Praxis Verwendung.

Bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, sind die Meßwertaufnehmer stets derart ange­ ordnet, daß sie die Überlagerung der Anregungsschwingung und der durch die Coriolis-Kräfte verursachten Coriolis-Schwingung erfassen. Üblicherweise werden zwei Meßwertaufnehmer beidseitig von dem Schwingungserzeuger entlang der Coriolis-Leitung angeordnet. Bei dieser Meßmethode dient die Phasendif­ ferenz der Signale der Meßwertaufnehmer als ein Maß für den Massendurchfluß des strömenden Mediums durch die Coriolis-Leitung. Die zu messende Phasen­ differenz ist bei allen bekannten Massendurchflußmeßgeräten, die nach dem Co­ riolis-Prinzip arbeiten, sehr gering. Die üblichen Werte für die Phasendiffe­ renz bei Vollausschlag - also bei maximalen Massendurchfluß - liegen in der Größenordnung von einem Grad. Bei einer Genauigkeitsanforderung von 0,1% relativem Fehler in einem Meßbereich von 10 bis 100% des maximalen Massen­ durchflusses müssen somit Phasendifferenzen im Bereich von 10^-4 Grad erfaßbar sein. Die Ursache für die geringe Phasendifferenz zwischen den beiden Meßwertaufnehmern und die damit verbundene hohe Genauigkeitsanforderung ist die geringe Amplitude der Coriolis-Schwingung. Da das Amplitudenverhältnis der Amplituden der Anregungsschwingung und der Coriolis-Schwingung ein direktes Maß für die meßbare Phasenverschiebung zwischen den erwähnten Meß­ wertaufnehmern ist und man die Coriolis-Kräfte bei den bekannten Massen­ durchflußmeßgeräten nicht sinnvoll weiter erhöhen kann, mußte man bislang immer mit den hohen Genauigkeitsanforderungen an die Phasendifferenzmessung leben.

Weiter arbeiten bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten für strömende Medien die bekannten Schwingungserzeuger entweder nach dem elektro-dynamischen oder dem elektro-magnetischen Prinzip. Bei dem aus der Verwendung in Laut­ sprechern bekannten elektro-dynamischen Prinzip wird der Meßwertaufnehmer bei der Verwendung nur einer Coriolis-Leitung so ausgeführt, daß ein Permanent­ magnet in der Regel an der Coriolis-Leitung und eine Spule an einem Tragrahmen befestigt sind. Diese Anordnung wird gewählt, um eine im allgemeinen proble­ matische Verdrahtung an der Coriolis-Leitung zu vermeiden. Da der Magnet, und damit eine Zusatzmasse, an der Coriolis-Leitung angebracht ist, verschlechtert sich jedoch das Verhältnis der Masse des strömenden Mediums zu der Masse der Coriolis-Leitung und verringert somit, vor allem bei den kleineren Massen­ durchflußmeßgeräten, den Meßeffekt bei einer gegebenen Geometrie der Coriolis- Leitung. (Die verringerte Resonanzfrequenz führt zu einer geringeren Winkelge­ schwindigkeit und damit zu einer geringeren Coriolis-Kraft.) Dem elektro-dyna­ mischen Prinzip gegenüber steht das elektro-magnetische Prinzip, bei dem die Spule und der Magnet eine Einheit bilden. Zusätzlich zu dieser Einheit wird als Anker ein ferromagnetisches Element benötigt. Dieses ferromagnetische Element wird nun, wie der Magnet beim elektro-dynamischen Prinzip, an der Cori­ olis-Leitung angebracht und führt somit zu denselben Problemen.

Eine weitere Schwierigkeit, mit der man bei der Konstruktion von Massendurch­ flußmeßgeräten konfrontiert wird, ist die Störunterdrückung. Aufgrund der bereits angesprochenen sehr hohen Genauigkeitsanforderungen können bereits geringe Störeinflüsse das Meßergebnis erheblich beeinflussen. Einen wesent­ lichen Störfaktor stellt die Schwingungsankopplung zwischen dem inneren schwingungsfähigen System und der äußeren Umgebung dar.

Es sind Massendurchflußmeßgeräte bekannt, bei denen zur Unterdrückung der Schwingungsankopplung das Prinzip der Gleichtaktunterdrückung angewandt wird, wobei zwei gegeneinander schwingende Coriolis-Leitungen vorgesehen sind. Andere bekannte Ausführungsformen verwenden vor allem bei kleineren Massendurchfluß­ meßgeräte große Massen für das Gehäuse, d. h. es wird eine mechanische Tiefab­ stimmung zur Unterdrückung der Schwingungsankopplung durchgeführt. Beide ge­ schilderten bekannten Ausführungsformen für ein Massendurchflußmeßgerät sind mit verschiedenen Problemen verbunden. Bei dem zuerst genannten Prinzip ist die Konstruktion wegen der Notwendigkeit von zwei Coriolis-Leitungen statt einer Coriolis-Leitung sehr aufwendig, während das zweite Prinzip von der Ver­ wendung großer Zusatzmassen lebt, was natürlich das Massendurchflußmeßgerät schwerer und größer und nicht zuletzt auch teurer macht.

Die geschilderten Probleme führen bei bekannten Massendurchflußmeßgeräten für strömende Medien allgemein zu einer Einschränkung der Meßgenauigkeit.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, daß eingangs beschriebene Massendurchflußmeßgerät so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Meß­ genauigkeit wesentlich verbessert wird.

Das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät, bei dem die zuvor hergeleitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nach einer ersten Lehre der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer derart angeordnet ist, daß die Coriolis-Kraft und/oder die Coriolis-Schwingung zumindest weitgehend ent­ koppelt von der Anregungs-Schwingung der Coriolis-Leitung erfaßbar ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der bekannten Massendurchfluß­ meßgerätes für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, besteht also darin, daß die zu messende Phasendifferenz von der bislang üblichen Größenordnung von 1° beliebig gesteigert werden kann, bis hin zur vollständigen Entkopplung zwischen der Anregungs-Schwingung und der Coriolis- Schwingung. Mit einer relativ starken Entkopplung kann man beispielsweise eine maximale Phasendifferenz von 80° erreichen. Gleichzeitig mit dieser Ent­ kopplung erniedrigt sich somit die Anforderung an die Genauigkeit der Messung der Phasendifferenz, im Vergleich zu dem eingangs geschilderten Beispiel um den Faktor 80. Bei gleichbleibender Genauigkeit der Phasendifferenzmessung führt dies dazu, daß sich die Genauigkeit der Massendurchflußmessung im ge­ nannten Beispiel ebenfalls um den Faktor 80 erhöht.

Die zuvor erläuterte Aufgabe ist nach einer zweiten Lehre der Erfindung da­ durch gelöst, daß der Schwingungserzeuger und/oder der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement ausgeführt ist. Der Vorteil der erfindungsge­ mäßen Weiterentwicklung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte für strömende Medien nach der zweiten Lehre der Erfindung besteht darin, daß ein bimorphes Piezoelement relativ hohe Kräfte erzeugen kann, dabei jedoch nur einen ge­ ringen Hub aufweist. Damit ist ein bimorphes Piezoelement zur Anregung der Coriolis-Leitung an Punkten prädestiniert, die sich selbst nicht oder kaum in Schwingung befinden. Somit wirkt die Masse des bimorphen Piezoelementes sich also nicht negativ auf die Resonanzfrequenz aus.

Weiter ist die zuvor erläuterte Aufgabe der Weiterbildung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, nach einer dritten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß die Cori­ olis-Leitung an der Position des Schwingungserzeugers mit einem ferromagnet­ ischen Material galvanisiert ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterent­ wicklung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte nach der dritten Lehre der Er­ findung besteht darin, daß die Masse des beim elektro-magnetischen Prinzips notwendigen Ankers stark reduziert ist. Die somit erhöhte Resonanzfrequenz führt also, wie bereits beschrieben, zu einer erhöhten Meßgenauigkeit.

Das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, daß nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro- magnetischen Prinzip arbeitet, bei dem die zuvor hergeleitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nach einer vierten Lehre der Erfindung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitende Schwing­ ungserzeuger zwei Erregerspulen aufweist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte nach der vierten Lehre der Erfindung besteht darin, daß das Magnetfeld zweier Erregerspulen wesentlich homogener ist als das einer aus dem Stand der Technik bekannten einzelnen Erregerspule. Durch diese größere Homogenität des Magnetfeldes wird gewährleistet, daß die Anregungsschwingung einen sauberen sinusförmigen Ver­ lauf aufweist. Auch dies führt wiederum zu einer erhöhten Meßgenauigkeit.

Die zuvor erläuterte Aufgabe ist nach einer fünften Lehre der Erfindung da­ durch gelöst, daß eine aktive Kompensationseinrichtung die Schwingung des Massenschwerpunkts der Coriolis-Leitung kompensiert. Der Vorteil der er­ findungsgemäßen Weiterentwicklung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte nach der fünften Lehre der Erfindung besteht darin, daß es problemlos möglich ist, ein Massendurchflußmeßgerät mit nur einer Leitung herzustellen und gleich­ zeitig das Gewicht und die Größe des Gehäuses des Massendurchflußmeßgerätes zu reduzieren.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das Massendurchfluß­ meßgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Darstellung der Überlagerung der Anregungs-Schwingung mit der Coriolis-Schwingung in der komplexen Ebene,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Meßwertaufneh­ mers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer U-förmigen Coriolis- Leitung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Meßwertaufneh­ mers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer U-förmigen Coriolis- Leitung,

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Anordnung zweier Meßwertaufneh­ mer in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Coriolis- Leitung,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Anordnung zweier Meßwertaufneh­ mer in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Coriolis- Leitung,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Meßwertaufnehmers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer im wesentlichen geraden Coriolis-Leitung,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Schwingerzeugers und eines Meßwertaufnehmers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung,

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zweier Schwingungserzeuger und zweier Meßwertaufnehmer in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung,

Fig. 9 eine Darstellung der Signalverhältnisse bei einem Massendurchfluß­ meßgerät nach Fig. 8 und

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel für einen Signalflußplan eines elektro­ nischen Regelkreises.

Fig. 1 symbolisiert die Überlagerung der Anregungs-Schwingung mit der Coriolis- Schwingung in der komplexen Ebene. Dabei symbolisiert der vom Ursprung ausge­ hende Pfeil die Anregungs-Schwingung mit entsprechend großer Amplitude, er soll im weiteren Anregungszahl genannt werden. Die senkrecht zu der Anregungs­ zahl an deren Spitze eingezeichneten Pfeile symbolisieren die vor- bzw. nach­ laufende Coriolis-Schwingung mit maximaler Amplitude, im weiteren werden diese als Coriolis-Zahl bezeichnet. Durch den Winkel von 90° zwischen der Anre­ gungszahl und der Coriolis-Zahl wird angedeutet, daß die Coriolis-Schwingung vorteilhafterweise gegenüber der Anregungs-Schwingung um 90° phasenverschoben ist. Die Länge der Pfeile bzw. der Betrag der Zahlen entspricht der Amplitude der jeweiligen Schwingung. In der Fig. 1 ist das Amplitudenverhältnis aus Dar­ stellungsgründen nicht ganz realitätsgetreu dargestellt. Die Amplitude der Coriolis-Schwingung ist stark vergrößert dargestellt. Die gestrichelten Linien in Fig. 1 symbolisieren den Winkelbereich für die Phasendifferenzmessung. Der erfindungsgemäßen Entkopplung der Coriolis-Schwingung von der Anregungs- Schwingung entspricht in der komplexen Ebene das in Fig. 1 dargestellte Näher­ rücken der Coriolis-Zahlen hin zum Ursprung der komplexen Ebene. Wie aus Fig. 1 anschaulich deutlich wird, vergrößert sich somit der Winkelbereich für die Phasendifferenzmessung mit geringer werdender Kopplung. Extrapoliert man die Verschiebung der Coriolis-Zahlen bis an den Ursprung der komplexen Ebene - dies entspricht einer vollständigen Entkopplung - so erhält man als Winkel­ bereich für die Phasendifferenzmessung beidseitig 90°.

Eine derartig vollständige Entkopplung ist jedoch nicht unbedingt erwünscht. Wie bekannt, hängt nämlich die Coriolis-Kraft außer von dem Massendurchfluß auch von der Winkelgeschwindigkeit der Coriolis-Leistung ab. Bislang wurde der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß die Winkelgeschwindigkeit konstant sei. Praktisch alle bekannten Ausführungsformen von Massendurch­ flußmeßgeräten, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, arbeiten jedoch auf der Resonanzfrequenz der Anregungs-Schwingung. Die Resonanzfrequenz der An­ regungs-Schwingung hängt jedoch ab von der Steifigkeit der Coriolis-Leitung, der Länger der Coriolis-Leitung, der Masse der Coriolis-Leitung und der Masse der sich in der Coriolis-Leitung befindenden Flüssigkeit. Dies bedeutet, daß sich z. B. mit ändernder Dichte die Resonanzfrequenz und somit die Winkel­ geschwindigkeit ändert. Dieser Effekt und weitere Effekte, die die Meßgenauig­ keit beeinflussen, lassen sich bei der Auswertung leichter eliminieren, wenn zusätzlich zu einem Signal proportional zu der Coriolis-Schwingung ein Signal proportional zu der Anregungs-Schwingung vorliegt. Ein Signal proportional zu der Anregungs-Schwingung kann man natürlich auch erlangen, indem man zusätz­ liche Aufnehmer einsetzt. Die einfachere Methode besteht jedoch darin, die Entkopplung von Anregungs-Schwingung und Coriolis-Schwingung nicht voll­ ständig durchzuführen, sondern eine Teilkopplung zuzulassen.

Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Lehre stehen mehrere Alternativen der Ausführung der Meßwertaufnehmer zur Auswahl. Es ist zunächst möglich, auf bekannte Meßwertaufnehmer zurückzugreifen. Hierbei bieten sich zunächst die überwiegend eingesetzten elektro-magnetischen Geschwindigkeitssensoren an. Der Einsatz dieses Types von Meßwertaufnehmern bietet den Vorteil, daß somit eine weitgehend ausgereifte Technologie bei der Meßwertaufnahme zum Einsatz kommt. Jedoch findet der Einsatz von elektro-magnetischen Geschwin­ digkeitssensoren, wie später noch deutlicher werden wird, bei bestimmten An­ ordnungen der Meßwertaufnehmer in den im weiteren geschilderten Ausführungs­ beispielen seine Grenzen.

Eine erfindungsgemäße Alternative zum Einsatz der bekannten Geschwindig­ keitssensoren stellen die Kraftsensoren dar. Diese sind im wesentlichen dadurch charakterisiert, daß sie ein Signal proportional zu der auf sie wir­ kenden Kraft liefern, ohne dabei eine wesentliche Deformation zu erfahren.

Für den Meßvorgang bedeutet dies, daß eine Coriolis-Schwingung aufgrund der hohen Rückstellkräfte der Kraftsensoren nur sehr bedingt stattfindet. Dies ändert jedoch natürlich nichts daran, daß man ein sinusförmiges Meßsignal, wie es auch die bekannten Geschwindigkeitssensoren liefern, erhält, dieses jedoch in erster Näherung nicht proportional einer Bewegung ist, sondern le­ diglich eine Kraftänderung abbildet. Der Vorteil des Einsatzes von Kraftsen­ soren besteht darin, daß sie einstückig ausgeführt sind. Welchen Einfluß die­ se Eigenschaft der Kraftsensoren auf die Verwirklichung der erfindungsge­ mäßen Lehre hat, wird bei der weiteren Diskussion der Ausführungsbeispiele deutlich.

Eine erste Möglichkeit einen Kraftsensor zu realisieren, besteht darin, daß ein Piezoelement den Kraftsensor bildet. Ein Piezoelement macht sich den soge­ nannten piezoelektrischen Effekt zunutze. Mit dem piezoelektrischen Effekt bezeichnet man die Eigenschaft mancher Kristalle, auf einen Druck in Richtung der sogenannten piezoelektrischen Achse mit der Ausbildung einer elektrischen Polarisation zu reagieren. Quarz ist hier als das wichtigste Beispiel für eine piezoelektrische Substanz zu nennen. Bekannt ist der Einsatz von Einkristallen aus Quarz in vielen Geräten, wie z. B. in Uhren, in welchen sie als Resona­ toren eingesetzt werden. Neben anderen Piezo-Werkstoffen, die in den erfin­ dungsgemäßen Massendurchflußmeßgeräten zum Einsatz kommen können, sollen hier noch besonders die ferroelektrischen Piezo-Werkstoffe genannt werden. Diese haben sich im technischen Einsatz besonders bewährt. Ihre besondere Eigen­ schaft besteht darin, daß die piezoelektrische Achse, entlang derer sich eine Deformation in einer elektrischen Polarisation auswirkt, durch Polung be­ liebig eingeprägt werden kann. Der besondere Vorteil des Einsatzes von Piezo­ elementen als Kraftsensoren besteht darin, daß nur eine sehr geringfügige Längenänderung des Piezoelementes mit einem bereits deutlichen Signal einher­ geht. Dies hat bei den im weiteren geschilderten Ausführungsbeispielen zur Folge, daß die Coriolis-Schwingung auf ein Minimalmaß reduziert wird.

Eine weitere Alternative zur Herstellung eines Kraftsensors besteht darin, daß ein mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenes Dehnungsmeßelement den Kraftsensor bildet. Das Funktionsprinzip von Dehnungsmeßstreifen beruht auf der Wider­ standsänderung des Materials des Dehnungsmeßstreifens durch dessen Dehnung. Die Ursache für die Widerstandsänderung sind verschieden, je nachdem, ob man Metall- oder Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen einsetzt. Diese sind an sich bekannt und sollen hier nicht weiter erläutert werden. Der Einsatz eines mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenen Dehnungsmeßelementes bietet den besonderen Vorteil, daß sowohl der Dehnungsmeßstreifen als auch ein entsprechend ausge­ bildetes Dehnungsmeßelement mechanisch sehr robust sind.

Um die Empfindlichkeit des mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenen Dehnungs­ meßelementes weiter zu erhöhen, ist es vorteilhaft, das Dehnungsmeßelement gebogen auszubilden. Durch diese gebogene Ausbildung des Dehnungsmeßelementes wird es durch die angreifenden Coriolis-Kräfte stärker deformiert. Es findet also im Vergleich zu einem als Kraftsensor eingesetzten Piezoelement eine Coriolis-Schwingung mit größerer Amplitude statt.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmeßgerätes dargestellt. Es handelt sich bei dem dargestellten Mas­ sendurchflußmeßgerät um ein solches mit einer U-förmig gekrümmten Coriolis- Leitung 1, mit einem die U-förmige Coriolis-Leitung 1 anregenden Schwingungs­ erzeuger 2 und mit einem die Coriolis-Kräfte erfassenden, als Piezoelement 3 ausgebildeten Meßwertaufnehmer. Der als Piezoelement 3 ausgebildete Meßwert­ aufnehmer ist erfindungsgemäß an seinen Enden mit beiden einander gegenüber­ liegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 verbunden. Die U-för­ mige Coriolis-Leitung 1 wird in üblicher Weise in Einspannpunkten 4, 5 eingespannt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die U-förmige Coriolis-Leitung 1 nicht in üblicher Weise senkrecht, sondern in der Ebene der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 angeregt. Diese Anregungs-Schwin­ gung hat in dem in Fig. 2 angedeuteten Schwingungszustand - die Leitung schwingt in Pfeilrichtung nach links - in Verbindung mit der gleichzeitig angedeuteten Durchflußrichtung des strömenden Mediums - von links nach rechts - zur Folge, daß der als Piezoelement 3 ausgebildete Meßwertaufnehmer durch die entstehenden Coriolis-Kräfte gestaucht wird und somit ein Meßsignal liefert. Es ist anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ohne weiteres ersichtlich, daß sich die Anregungsbewegung nicht in einer Deformation des als Piezoelement 3 ausgebildeten Meßwertaufnehmers ausdrückt. Die Coriolis- Kraft ist somit vollständig von der Anregungs-Schwingung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 entkoppelt.

Wie anfänglich bereits erwähnt, ist eine vollständige Entkopplung nicht in jedem Fall wünschenswert. Es besteht nun die Möglichkeit, die Kopplung zwischen der Coriolis-Kraft und der Anregungs-Schwingung in nahezu beliebigem Maße dadurch herzustellen, daß der Meßwertaufnehmer mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 einen Winkel abweichend von 90° bildet. Ein solches Ausführungsbeispiel ist nicht zeichne­ risch dargestellt. Der dieser Ausführungsform zugrundeliegende Gedanke be­ steht darin, daß sich die Länge der Diagonalen eines Rechteckes ändert, wenn man dieses Rechteck zu einem Parallelogramm deformiert.

In Fig. 3 ist ein dem ersten Ausführungsbeispiel bis auf die Ausführung des Kraftsensors identisch ausgeführtes zweites Ausführungsbeispiel mit einer U-förmigen Coriolis-Leitung 1 dargestellt. Die identischen Elemente tragen in Fig. 3 dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2. Lediglich der Kraftsensor ist in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel als ein mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenes Dehnungsmeßelement 6 ausgebildet. Der Dehnungs­ meßstreifen auf dem Dehnungsmeßelement 6 ist in der stark schematischen Zeich­ nung nicht explizit dargestellt. Er kann entweder auf der äußeren oder inne­ ren Seite des Bogens des Dehnungsmeßelementes 6 angeordnet sein, so daß eine maximale Dehnung bei der Deformation des Dehnungsmeßelementes 6 gewährleistet ist.

Alternativ zu der Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 in der Ebene derselben kann die Anregung auch so erfolgen, daß die Anregungs-Schwingung senkrecht zu der Ebene der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 stattfindet. Die Coriolis-Schwingung tordiert bei einer solchen Anordnung die U-förmige Coriolis-Leitung 1. Im Falle einer solchen, an sich aus dem Stand der Technik bekannten Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 bildet der Meßwertauf­ nehmer erfindungsgemäß mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 einen Winkel abweichend von 90°, damit dieser ein Meßsignal liefert. Warum dies so ist, kann man sich am besten an­ hand der Betrachtung der Diagonalen eines um 90° tordierten Rechteckes deutlich machen. Bei einer solchen Torsion verkürzt sich nämlich die ursprüngliche Dia­ gonale. Der Vorteil der Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 senkrecht zu ihrer Ebene besteht darin, daß somit die Leitungsenden der U-förmigen Cori­ olis-Leitung 1 in der Nähe der Einspannpunkte 4, 5 tordiert werden. Somit wird eine möglichst geringe Materialbelastung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 gewährleistet.

Um nun auch bei der zuletzt geschilderten Anregung der U-förmigen Coriolis- Leitung 1 senkrecht zu ihrer Ebene eine Kopplung der Erfassung der Coriolis- Kraft und/oder Coriolis-Schwingung mit der Erfassung der Anregungs-Schwingung zumindest teilweise zu erreichen, wird erfindungsgemäß der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement ausgeführt, wobei gleichzeitig an dem Piezoelement eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft angreift. Ein bimorphes Piezoele­ ment besteht aus zwei mechanisch miteinander gekoppelten, elektrisch vonein­ ander entkoppelten und übereinanderliegenden Piezoelementen. Wird dieses bi­ morphe Piezoelement gleichmäßig gestaucht, so verhält es sich exakt wie ein einfaches Piezoelement. Wird ein bimorphes Piezoelement jedoch gebogen, so entspricht dies einer Stauchung des auf der Innenseite der Biegung liegenden Piezoelements und einer Dehnung des auf der Außenseite der Biegung liegenden Piezoelements. Da beide Piezoelemente des bimorphen Piezoelements somit elek­ trische Signale mit umgekehrtem Vorzeichen liefern, kann eine Biegung des bimorphen Piezoelementes ohne weiteres nachgewiesen werden. Voraussetzung für das Gesagte ist natürlich, daß die piezoelektrische Achse des bimorphen Piezoelementes eine Komponente in Längsrichtung des bimorphen Piezoelementes besitzt und daß das bimorphe Piezoelement an seinen Längsenden kontaktiert ist. Eine solche Biegung wird jedoch gerade durch die Anregungs-Schwingung verursacht, wenn an dem bimorphen Piezoelement eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft angreift. Im Ergebnis ist also die teilweise erwünschte Kopplung der Erfassung der Anregungs-Schwingung mit der Erfassung der Corisolis- Kraft und/oder der Coriolis-Schwingung auch bei einer Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 senkrecht zu ihrer Ebene ermöglicht. Die zur Anregungs­ richtung parallele Kraft kann beispielsweise durch eine Feder realisiert werden. Dieses Ausführungsbeispiel macht gleichzeitig die Grenzen des Ein­ satzes der bekannten elektro-magnetischen Geschwindigkeitssensoren deutlich.

In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer S-förmigen Coriolis- Leitung 7 dargestellt. An der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 sind zwei Schwingungserzeuger 8, 9 angeordnet, welche die S-förmige Coriolis-Leitung 7 in die Anregungs-Schwingung versetzen. In dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung 7 sind zwei als Piezoelemente 10, 11 ausge­ bildete Meßwertaufnehmer derart angeordnet, daß sie an ihren Enden einer­ seits mit dem mittleren Schenkel und andererseits jeweils mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 verbunden sind. Im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel ist die S-förmige Coriolis-Leitung 7 in zwei Einspannpunkten 12, 13 derart eingespannt, daß die Einspannpunkte 12, 13 mit den Verbindungspunkten der Piezoelemente 10, 11 mit den äußeren Schenkeln der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 übereinstimmen. Die Anregung der S-förmigen Coriolis-Leitung des erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes erfolgt so, daß die Anregungs-Schwingung in der Ebene der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 stattfindet.

Der in der Fig. 4 angedeutete Schwingungszustand der S-förmigen Coriolis- Leitung 7 in Verbindung mit der angedeuteten Durchflußrichtung des strömenden Mediums durch die S-förmige Coriolis-Leitung 7 führt zu den an den Piezoele­ menten 10, 11 angreifenden, durch Pfeile symbolisierten Coriolis-Kräften. Der besondere Vorzug dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmeßgerätes besteht darin, daß mit ihr ein besonderer, negativer Effekt der Piezoelemente 10, 11 kompensiert werden kann. Sämtliche bekannten Piezoelemente liefern nämlich bei gleichen Beträgen stauchender Kräfte oder dehnender Kräfte unterschiedliche Spannungssignale. Dieser Effekt wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch symmetriert, daß jeweils ein Piezoelement 10, 11 gestaucht wird, während das andere Piezoelement 11, 10 gestreckt wird. Die Auswertung der Meßsignale der Piezoelemente 10, 11 er­ folgt vorzugsweise dergestalt, daß die Summe und/oder die Differenz der Meß­ signale gebildet werden.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmeßgerätes mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung 7 dargestellt. Auch hier erhalten sämtliche mit dem in Fig. 4 dargestellten Massendurchflußmeßgerät identischen Elemente dieselben Bezugszeichen. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Massendurchflußmeßgerät ist die S-förmige Coriolis-Leitung 7 in zwei Einspann­ punkten 14, 15 eingespannt, wobei die Einspannpunkte 14, 15 neben den Ver­ bindungspunkten der als Piezoelemente 10, 11 ausgebildeten Meßwertaufnehmern mit jeweils einem der äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 liegen. Insbesondere liegen die Verbindungspunkte der als Piezoelemente 10, 11 ausgebildeten Meßwertaufnehmer mit jeweils einem äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 zwischen den Einspannpunkten 14, 15 und dem jeweiligen, dem äußeren Schenkel zugeordneten Bogen der S-förmigen Coriolis-Leitung 7. Durch diese Anordnung der Einspannpunkte 14, 15 wird wiederum gewährleistet, daß die Erfassung der Coriolis-Kraft und/oder der Coriolis-Schwingung mit der Erfassung der Anregungs-Schwingung zumindest teilweise gekoppelt ist. Dies wird auch aus dem in Fig. 5 angedeuteten Schwingungszustand ersichtlich.

Im weiteren gelten alle in Bezug auf die U-förmigen Coriolis-Leitungen ge­ machten Ausführungen analog - insbesondere die für eine Anregung senkrecht zur Ebene der Coriolis-Leitung -, da es sich bei einer S-förmigen Coriolis- Leitung prinzipiell um zwei hintereinander geschaltete U-förmige Coriolis- Leitungen handelt. Abschließend soll nur kurz erwähnt werden, daß natürlich auch in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen mit einer S-för­ migen Coriolis-Leitung 7 die Leitungsein- bzw. -ausläufe so angeordnet werden können, daß sie koaxial sind.

In Fig. 6 ist weiter ein erfindungsgemäßes Massendurchflußmeßgerät mit einer geraden Coriolis-Leitung 16 dargestellt. Die gerade Coriolis-Leitung 16 wird von einem Schwingungserzeuger 17 zur Anregungs-Schwingung angeregt. Weiter ist ein als bimorphes Piezoelement 18 ausgebildeter Meßwertaufnehmer im Anre­ gungspunkt steif mit der geraden Coriolis-Leitung 16 verbunden. Das bimorphe Piezoelement 18 ist in einem Axiallager 19 in Anregungsrichtung verschiebbar gelagert. Gleichzeitig sorgt das Axiallager 19 für eine möglichst spielfreie Lagerung des bimorphes Piezoelementes 18 senkrecht zur Anregungsrichtung. Durch die steife Verbindung des bimorphen Piezoelementes 18 mit der geraden Coriolis-Leitung 16 äußert sich der Massendurchfluß des strömenden Mediums durch das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät darin, daß ein Kippmoment an dem bimorphen Piezoelement 18 angreift. In dem in Fig. 6 angedeuteten Schwingungszustand, verbunden mit der angedeuteten Durchflußrichtung des strö­ menden Mediums, entsteht beispielsweise ein Kippmoment auf das bimorphe Piezo­ element 18 im Uhrzeigersinn. Ein solches Kippmoment äußerst sich in einer Biegung des bimorphen Piezoelementes 18, welche in beschriebener Art und Weise zu einem Meßsignal führt. Im Ergebnis ist wiederum gewährleistet, daß die Cori­ olis-Kraft vollständig entkoppelt von der Anregungs-Schwingung der geraden Coriolis-Leitung 16 erfaßbar ist.

Um nun wiederum eine teilweise erwünschte Teilkopplung zwischen der Erfas­ sung der Coriolis-Kraft und/oder Coriolis-Schwingung mit der Erfassung der Anregungs-Schwingung zu gewährleisten, greift an das bimorphe Piezoelement 18 eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft an. Dies wird im in Fig. 6 darge­ stellten Ausführungsbeispiel dadurch gewährleistet, daß eine an einem Wider­ lager 20 befestigte Feder 21 für eine Stauchung bzw. Streckung des ge­ samten bimorphen Piezoelementes 18 sorgt.

Die im vorangegangenen geschilderten konkreten Ausführungsbeispiel belegen die nur begrenzte Einsatzmöglichkeit für die bekannten Geschwindigkeitssen­ soren. Ein häufiger Hinderungsgrund für den Einsatz dieser Geschwindigkeits­ sensoren besteht darin, daß gleichzeitig zu der zu messenden Längsbewegung häufig auch eine Querbewegung auftritt. Die daraus entstehenden Anforderungen sind bei den bekannten Geschwindigkeitssensoren nur sehr aufwendig zu lösen.

Weiterhin soll der Vollständigkeit halber erwähnt werden, daß sämtliche Aus­ führungen, die nur für einfache Anordnungen von Coriolis-Leitungen ge­ geben wurden, selbstverständlich auch auf doppelte oder mehrfache, nebenein­ anderliegende Coriolis-Leitungen übertragbar sind.

In Fig. 7 ist nunmehr ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmeßgerätes nach der zweiten Lehre der Erfindung dargestellt. Die be­ reits eingeführten Elemente, der in diesem Ausführungsbeispiel wieder S-för­ migen Coriolis-Leitung 7, erhalten wiederum die bekannten Bezugszeichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl der Schwingungserzeuger als ein erstes bimorphes Piezoelement 22 als auch der Meßwertaufnehmer als ein zweites bimor­ phes Piezoelement 23 ausgeführt. Das erste bzw. das zweite Piezoelement 22, 23 ist einerseits wirksam mit einem Einspannpunkt 25 bzw. einem Einspannpunkt 26 wirksam verbunden, andererseits über einen kurzen Hebel 26 mit der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 wirksam verbunden. Durch den kurzen Hebel 26 wird die sehr geringe Auslenkung des bimorphen Piezoelementes 22 mechanisch verstärkt, so daß auf diese Weise ausreichend große Amplituden der Anregungs-Schwingung re­ alisierbar sind. Das zweite bimorphe Piezoelement 23 dient hierbei einerseits als Meßwertaufnehmer für die Anregungs-Schwingung, andererseits als Meßwertauf­ nehmer für die Coriolis-Schwingung, die eine Verbiegung des zweiten bimorphen Piezoelementes 23 bewirkt.

In Fig. 8 ist nunmehr eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes gemäß der zweiten Lehre der Erfindung dargestellt, wobei wieder die bekannten Bezugszeichen verwendet werden. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Massendurchfluß­ meßgerät ist jedoch ein drittes bimorphes Piezoelement 27 als Meßwertaufnehmer und ein viertes bimorphes Piezoelement 28 als Schwingungserzeuger vorgesehen.

Diese sind wiederum einerseits mit Einspannpunkten 29, 30 wirksam verbunden, andererseits mit dem kurzen Hebel 26 wirksam verbunden. Durch diese Symmetrie­ rung der bimorphen Piezoelemente 22, 27 auf die gegenüberliegende Seite kann man, bei geeigneter Auswertung der Signale durch Differenzbildung, die Ent­ kopplung der Signale aus der Anregungs-Schwingung von den Signalen aus der Cori­ olis-Schwingung verbessern.

Bei den als Meßwertaufnehmer dienenden bimorphen Piezoelementen 23, 27 kann es zu S-förmigen Biegelinien während des Betriebs des Massendurchflußmeß­ gerätes kommen. Um eine hierdurch bedingte Signalkompensation, durch ab­ schnittsweises Dienen und Stauchen, zu vermeiden, sind die Kontaktflächen der als Meßwertaufnehmer dienenden bimorphen Piezoelemente 23, 27 in einem nicht auf Biegung beanspruchten Teil unterbrochen. Die getrennten Bereiche können somit separat ausgewertet werden.

Fig. 9 zeigt die Signalverhältnisse der bimorphen Piezoelemente 22, 23, 27, 28 bei einem erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerät, wie es in Fig. 8 darge­ stellt ist. Die Spannung an den bimorphen Piezoelementen 22, 23, 27, 28 ergibt sich aus der Länge der schrägen Linien, von ihrem Schnittpunkt mit der X-Achse ausgesehen. Die X-Komponente der Spannungen symbolisiert den Anteil der Anre­ gungs-Schwingung an der Gesamtspannung. Die Y-Komponente der Spannungen symbo­ lisiert hingegen den Anteil der Coriolis-Schwingung an der Gesamtspannung. Man erkennt aus Fig. 9, daß man durch die Symmetrierung und eine geeignete Differenz­ bildung die Spannungskomponente der Coriolis-Schwingung separieren kann und daß man einen beliebigen Offset gleichzeitig eliminieren kann.

Alternativ zu der Ausführung eines Massendurchflußmeßgerätes nach der zweiten Lehre der Erfindung wird gemäß einer dritten Lehre der Erfindung ein Massen­ durchflußmeßgerät nach dem Coriolis-Prinzip, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, dadurch weitergebildet, daß die Coriolis-Leitung an der Position des Schwingungserzeugers mit einem ferro­ magnetischen Material galvanisiert ist. Eine solche Ausführungsform eines er­ findungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes ist nicht in den Figuren dargestellt. Es ist sowohl aus fertigungstechnischen Gründen wie auch aus Gründen, die später noch deutlicher werden, vorteilhaft, die Galvanisierung ringförmig an der Coriolis-Leitung abzuscheiden. Da außerdem die ferromagnetischen Eigen­ schaften des abzuscheidenden Materials für den Wirkungsgrad des Schwingungs­ erzeugers maßgebend sind, ist es besonders vorteilhaft, zur Galvanisierung ein Material mit einer besonders hohen Sättigungsmagnetisierung und Remanenz­ magnetisierung - vorzugsweise Nickel-Eisen - zu verwenden.

Gemäß einer vierten Lehre der Erfindung kann der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitende Schwingungserzeuger des Massendurchflußmeßgerätes weiter dadurch verbessert werden, daß er mindestens zwei Erregerspulen aufweist. Dies bringt im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten, nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitenden Schwingungserzeugern mit einer Erregerspule den Vorteil mit sich, daß das Magnetfeld über die Coriolis- Leitung weitgehend homogenisiert wird und somit die bislang stark nicht­ linearen Kennlinien eines elektro-magnetischen Schwingungserregers lineariert werden.

Bei einer Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1, wie sie in Fig. 2 dar­ gestellt ist, ist es vorteilhaft, beide Erregerspulen um die U-förmige Coriolis-Leitung 1 herum anzuordnen, so daß die Coriolis-Leitung 1 durch die Mitte der jeweiligen Erregerspulen verläuft. Bei einer solchen Anordnung wird also die Coriolis-Leitung 1 - mit ihrer ringförmigen Galvanistierung - nach Art eines Kolbens innerhalb der Spulen vor- und zurück bewegt. Wählt man hinge­ gen eine Anregung der Coriolis-Leitung senkrecht zu der Ebene der Coriolis- Leitung, so ist es vorteilhaft, beide Erregerspulen auf gegenüberliegenden Seiten der Coriolis-Leitung anzuordnen. Hierbei ist es natürlich auch sinn­ voll, die galvanisierten Abschnitte und die Achsen der Erregerspulen so zu wählen, daß diese auf einer gemeinsamen Linie liegen. Nur so wird die Homo­ genität des Magnetfeldes optimal genutzt.

Die erwünschte Homogenität des Magnetfeldes wird dadurch gewährleistet, daß die Erregerspulen jeweils gleichsinnig bestromt sind. Der galvanisierte Anker zwischen beiden Erregerspulen wird hierbei nach der Lenz′schen Regel so mag­ netisiert, daß seine magnetischen Pole denen des magnetisierenden Feldes ent­ gegengerichtet sind. Die aus dieser Gegenpolung resultierende Kraft sorgt für den Antrieb der Coriolis-Leitung.

Zur Anregung zweier Coriolis-Leitungen mit einem Schwingungserzeuger, der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, werden vorteilhafter Weise drei Erregerspulen eingesetzt. Diese befinden sich mit ihrer Achse sämtlich auf einer gemeinsamen Linie, z. B. eine Erregerspule unter der ersten Cori­ olis-Leitung, eine Erregerspule zwischen der ersten und der zweiten Cori­ olis-Leitung und eine Erregerspule über der zweiten Coriolis-Leitung. Da, bei einem Massendurchflußmeßgerät mit zwei Coriolis-Leitungen, diese üblicher­ weise im Gegentakt schwingen, muß dafür gesorgt werden, daß die Coriolis- Leitungen in entgegengesetzter Richtung anschwingen. Dies erreicht man dadurch, daß die Coriolis-Leitungen einen anderen Abstand zur mittleren Erregerspule im Vergleich zu dem Abstand zu den äußeren Erregerspulen besitzen.

Nach einer fünften Lehre der Erfindung ist ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien dadurch vorteilhaft weitergebildet, daß mindestens eine aktive Kompensationseinrichtung die Schwingung des Massenschwerpunkts der Coriolis-Leitung kompensiert. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß der Massenschwerpunkt des gesamten Massendurchflußmeßgerätes in Ruhe bleibt und somit die Ankopplung der Anregungs-Schwingung an die äußere Umgebung, z. B. an die Anschlußleitungen für das strömende Medium, verhindert. Eine solche ver­ minderte Ankopplung führt bekanntermaßen zu einer Erhöhung der Meßgenauig­ keit des erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes.

Um eine vollständige Kompensation der Schwingungen des Massenschwerpunktes zu erreichen, ist es notwendig, daß die aktive Kompensationseinrichtung in Amplitude und Frequenz mit der Schwingung der Coriolis-Leitung synchroni­ sierbar ist. Hierdurch wird gewährleistet, daß eine Veränderung in der Reso­ nanzfrequenz bzw. in der Amplitude der Anregungs-Schwingung, durch eine Ver­ änderung der Dichte des Meßmediums oder durch eine Veränderung der Aufnehmer­ temperatur, kompensierbar ist.

Als Signal zur Synchronisation der aktiven Kompensationseinrichtung kann zu­ nächst das Signal des Meßwertaufnehmers dienen. Dies ist in der Hinsicht vor­ teilhaft, als daß keine weiteren Sensoren an der Coriolis-Leitung angeordnet werden müssen. Alternativ oder auch zusätzlich können Beschleunigungssensoren vorgesehen sein, wobei das Signal der Beschleunigungssensoren zur Synchro­ nisation der aktiven Kompensionseinrichtung dient. Diese Beschleunigungssen­ soren können unmittelbar an der Coriolis-Leitung und/oder an dem Gehäuse des Massendurchflußmeßgerätes angeordnet sein. Ein Beschleunigungssensor am Ge­ häuse des Massendurchflußmeßgerätes bietet den Vorteil, daß der Kompensations­ effekt rückgekoppelt wird.

Zur Steuerung der Synchronisation der aktiven Kompensationseinrichtung ist erfindungsgemäß ein elektronischer Regelkreis vorgesehen. Ein Ausführungs­ beispiel eines solchen elektronischen Regelkreises ist in Fig. 10 anhand eines Signalflußplanes dargestellt. Es handelt sich bei dem erfindungsge­ mäßen vorgeschlagenen elektronischen Regelkreises um einen modellgestützten, aktiven Regelkreises. Dieser Regelkreis besteht aus einem Regler 31, welcher ein Ausgangssignal u liefert. Dieses Ausgangssignal u dient zunächst als Ein­ gangssignal für den Regelungsprozeß 32. Das Signal u wird in dem Regelungs­ prozeß 32 über eine Leistungselektronik 33 und einen Wandler 34 in eine Stellgröße F transformiert. Die Stellgröße F bildet die Eingangsgröße der aktiven Kompensationseinrichtung und wirkt somit auf das gesamte mecha­ nische System 35 des Massendurchflußmeßgerätes. Die Reaktion des mechanischen Systems 35 wird nunmehr von einem Beschleunigungssensor 36 registriert. Das Sensorsignal y des Beschleunigungssensors 36 dient unter anderem wieder als Eingangsgröße des Reglers 31. Weiter dient das Sensorsignal y ebenso wie das Ausgangssignal u als Eingangssignal einer Regelungsidentifikation 37. Die Regelungsidentifikation 37 erzeugt zunächst über einen ersten und einen zweiten Formfilter 38, 39 aus dem Sensorsignal y und dem Ausgangssignal u transformierte Größen u und y. Diese transformierten Größen u und y dienen wiederum als Eingangssignale eines sogenannten Prozeßmodells 40, 41. Die Aus­ gangsfunktion e des Prozeßmodells 40, 41 bildet die Grundlage einer LS- Parameterschätzung 42, die on-line durchgeführt wird. Die LS-Parameterschätzung liefert als Ergebnis möglicherweise veränderte Parameter des Reglers 31 und vervollständigt somit den Signalflußplan für eine modellgestützte, aktive Regelung.

Da die Schwingungen innerhalb eines Massendurchflußmeßgerätes nach dem Coriolis-Prinzip nicht unbedingt nur in einer Richtung stattfinden, kann das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät dahingehend weiter gebildet werden, daß zur Kompensation von Schwingungen in voneinander unabhängige Richtungen mindestens zwei aktive Kompensationseinrichtungen vorgesehen sind. Eine vollständige Kompensation wird man in jedem Fall erlangen, wenn drei aktive Kompensationseinrichtungen vorgesehen sind, deren Kompensations­ richtungen voneinander unabhängig sind.

Ein weiteres wesentliches Element der aktiven Kompensationseinrichtung ist neben dem elektronischen Regler das Stellglied. Mit Hilfe dieses Stellglieds wird die Masse, die zur Kompensation der Schwingungen des Massenschwerpunktes notwendig ist, beschleunigt und abgebremst. Neben den bekannten Stellgliedern, die nach dem elektro-dynamischen oder elektro-magnetischen Prinzip arbeiten, ist das erfindungsgemäße Stellglied der aktiven Kompensationseinrichtung als Piezoelement ausgebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, da Piezoelemente eine sehr geringe Eigenträgheit aufweisen und somit die Ansteuerung durch den elektronischen Regler besonders einfach ist.

Claims (44)

1. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anre­ genden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertauf­ nehmer, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer derart angeordnet ist, daß die Coriolis-Kraft und/oder die Coriolis-Schwingung zumindest weit­ gehend entkoppelt von der Anregungs-Schwingung der Coriolis-Leitung erfaßbar ist.

2. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als Geschwindigkeitssensor ausgebildet ist.

3. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als Kraftsensor ausgebildet ist.

4. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Piezoelement den Kraftsensor bildet.

5. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenes Dehnungsmeßelement den Kraftsensor bildet.

6. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsmeßelement gebogen ausgebildet ist.

7. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Coriolis-Leitung (1) U-förmig ausgebildet ist und der Meßwertaufnehmer an den Enden mit beiden einander gegenüberliegenden Schen­ keln der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) verbunden ist.

8. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) so erfolgt, daß die Anregungs- Schwingung in der Ebene der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) stattfindet.

9. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) einen Winkel abweichend von 90° bildet.

10. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) so erfolgt, daß die Anre­ gungs-Schwingung senkrecht zu der Ebene der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) stattfindet.

11. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) einen Winkel abweichend von 90° bildet.

12. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement ausgeführt ist und an dem bimorphen Piezoelement eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft angreift.

13. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Coriolis-Leitung (7) S-förmig ausgebildet ist und mindestens ein Meßwertaufnehmer an seinen Enden mit dem mittleren Schenkel und mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) verbunden ist.

14. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) so erfolgt, daß die Anre­ gungs-Schwingung in der Ebene der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) stattfindet.

15. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßwertaufnehmer vorgesehen sind und die Summe und/oder die Differenz der Meßsignale der Meßwertaufnehmer auswertbar sind.

16. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die S-förmige Coriolis-Leitung (7) in zwei Einspannpunkten (14, 15) einge­ spannt ist und die Einspannpunkte (14, 15) neben dem Verbindungspunkt des Meßwertaufnehmers mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Cori­ olis-Leitung (7) liegen.

17. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des Meßwertaufnehmers mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) zwischen dem Einspannpunkt und dem dem äußeren Schenkel zugeordneten Bogen der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) vorgesehen ist.

18. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Coriolis-Leitung (16) zumindest im wesentlichen gerade ausgebildet ist und der als Piezoelement ausgebildete Meßwertaufnehmer im Anregungspunkt mit der geraden Coriolis-Leitung (16) steif verbunden ist.

19. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement (18) ausgebildet ist.

20. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das bimorphe Piezoelement (18) in Anregungsrichtung verschiebbar und senkrecht zur Anregungsrichtung fest gelagert ist.

21. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß an das bimorphe Piezoelement (18) eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft angreift.

22. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis- Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit min­ destens einer das strömende Medium führenden geraden oder gekrümmten Cori­ olis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwing­ ungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis- Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger und/oder der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement (22, 23, 27, 28) ausgeführt ist.

23. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das bimorphe Piezoelement (22, 23, 27, 28) über einen kurzen Hebel (26) mit der Coriolis-Leitung (7) wirksam verbunden ist.

24. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bimorphe Piezoelemente (22, 23) über den gemeinsamen kurzen Hebel (26) mit der Coriolis-Leitung (7) verbunden sind.

25. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das erste bimorphe Piezoelement (22) als Schwingungserzeuger wirkt und das zweite bimorphe Piezoelement (23) als Meßwertaufnehmer dient.

26. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes, als Meßwertaufnehmer dienendes bimorphes Piezoelement (27) über den gemeinsamen kurzen Hebel (26) mit der Coriolis-Leitung (7) verbunden ist.

27. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen der als Meßwertaufnehmer dienenden bimorphen Piezo­ elemente (23, 28) in einem nicht auf Biegung beanspruchten Teil unterbrochen sind.

28. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis- Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit min­ destens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Cori­ olis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwing­ ungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Cori­ olis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Coriolis-Leitung an der Position des Schwing­ ungserzeugers mit einem ferromagnetischen Material galvanisiert ist.

29. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanisierung ringförmig an der Coriolis-Leitung abgeschieden ist.

30. Massendurchflußmeßgeräte nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß zur Galvanisierung ein Material mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung und einer hohen Remanenzmagnetisierung - vorzugsweise Nickel-Eisen - ver­ wendet ist.

31. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, daß nach dem Coriolis- Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 28 bis 30, mit min­ destens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertauf­ nehmer, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitende Schwingungserzeuger mindestens zwei Erregerspulen aufweist.

32. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß beide Erregerspulen um die Coriolis-Leitung herum angeordnet sind.

33. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß beide Erregerspulen auf gegenüberliegenden Seiten der Coriolis-Leitung angeordnet sind.

34. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Achsen der Erregerspulen und die galvanisierten Ab­ schnitte der Coriolis-Leitung auf einer Linie liegen.

35. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erregerspulen jeweils gleichsinnig bestromt sind.

36. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitende Schwingungserzeuger zur Anregung zweier Coriolis-Leitungen drei Erregerspulen aufweist.

37. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß beide Coriolis-Leitungen einen anderen Abstand zur mittleren Erregerspule im Vergleich zu dem Abstand zu den äußeren Erregerspulen besitzen.

38. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis- Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 37, mit min­ destens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertauf­ nehmer, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine aktive Kompensations­ einrichtung die Schwingung des Massenschwerpunkts der Coriolis-Leitung kompensiert.

39. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Kompensationseinrichtung in Amplitude und Frequenz mit der Schwin­ gung der Coriolis-Leitung synchronisierbar ist.

40. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Meßwertaufnehmers zur Synchronisation der aktiven Kompen­ sationseinrichtung dient.

41. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist und das Signal des Beschleunigungssensors zur Synchronisation der aktiven Kompensationseinrich­ tung dient.

42. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 39 bis 41, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Synchronisation der aktiven Kompensationseinrichtung ein elektronischer Regelkreis vorgesehen ist.

43. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 38 bis 42, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Kompensation von Schwingungen in voneinander unab­ hängige Richtung mindestens zwei aktive Kompensationseinrichtungen vor­ gesehen sind.

44. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 38 bis 43, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Stellglied der aktiven Kompensationseinrichtung als Piezoelement ausgebildet ist.