DE60131293T2

DE60131293T2 - Gyroskopischer massendurchflussmesser

Info

Publication number: DE60131293T2
Application number: DE60131293T
Authority: DE
Inventors: Craig Brainerd Lyons VAN CLEVE; Roger Scott Boulder LOVING
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: HK1069431A1; AR031165A1; WO2002044660A2; BR0115699B1; EP1337812A2; US6520028B1; CN1244804C; EP1337812B1; KR100629027B1; CN1545613A; ATE377746T1; PL362611A1; MY134098A; AU3246002A; DK1337812T3; JP2004514896A; WO2002044660A3; CA2429750A1; MXPA03004576A; BR0115699A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Durchflußmesser und insbesondere einen Durchflußmesser, der auf einen Materialfluß in einem schwingenden Durchflußrohr eine Rotation überträgt und erzeugte Kreiselkräfte mißt, um Informationen hinsichtlich des Materialflusses zu bestimmen.
Problem
Massendurchflußmesser messen eher den Massendurchsatz als den Volumendurchsatz von Material. Sie sind wünschenswert, da für chemische Reaktionen, Rezepturen, eine Depotüberführung und viele andere Anwendungen häufig eine Massenmessung benötigt wird. Desweiteren wird die Genauigkeit von Massendurchflußmessern nicht durch eine Änderung der Materialdichte, Temperatur, oder Viskosität beeinträchtigt. Corioliseffekt-Massendurchflußmesser sind seit mindestens zwanzig Jahren auf dem Markt. Sie sind aufgrund ihrer Genauigkeit und ihrer Fähigkeit sehr beliebt, die Dichte sowie die Masse zu messen. Jedoch haben die hohen Kosten der Coriolis-Durchflußmesser ihre Akzeptanz auf dem Markt begrenzt.
In Coriolis-Massendurchflußmessern mit einem einzelnen geraden Rohr des Stands der Technik ist das Durchflußrohr an beiden Enden mit einem parallelen Ausgleichsstab verbunden. Das Durchflußrohr wird phasenverschoben in einer Antriebsebene bezüglich des Ausgleichsstabs auf einer Resonanzfrequenz in Schwingungen versetzt. Ein elektromagnetischer Treiber hält die erwünschte Amplitude der Schwingung aufrecht. Das Durchflußrohr und der Ausgleichsstab dienen als Gegengewichte füreinander, um eine dynamisch ausgewuchtete Struktur zu schaffen. Es sind Geschwindigkeitssensoren an zwei Stellen längs des Durchflußrohrs angeordnet, um die Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Durchflußrohr und dem Ausgleichsstab zu messen. Die Geschwindigkeitssensoren sind üblicherweise in gleichen Abständen stromaufwärts und stromabwärts vom Mittelpunkt des Durchflußrohrs angeordnet.
Das schwingende Durchflußrohr zwingt den. stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Hälften des Durchflußrohrs Rotationen auf. Zusammen mit der Schwingungsrichtung des Durchflußrohrs stoppen die Rotationen und wechseln ihre Richtung. Die festen Enden des Durchflußrohrs sind die Drehpunkte für die Rotation. und die longitudinale Mitte des Durchflußrohrs ist der Punkt der maximalen Amplitude. Das Material, das sich durch die rotierenden Segmente des Durchflußrohrs bewegt, erzeugt eine Corioliskraft, die das Durchflußrohr verformt und eine Phasenverzögerung zwischen den Signalen erzeugt, die durch die Geschwindigkeitssensoren ausgegeben werden. Die Phasenverzögerung zwischen den Geschwindigkeitssensorausgangssignalen ist proportional zum Massendurchsatz des Materials.
Die Coriolis-Massendurchflußmesser mit einem einzelnen geraden Durchflußrohr des Stands der Technik weisen ein kurzes gerades Durchflußrohr auf, das bei einer Biegung sehr steif ist. Die hohe Steifigkeit führt zu hohen Frequenzen für die höheren Durchflußrohrschwingungsformen. Die Antriebsschwingungsform ist üblicherweise die Schwingungsform mit der niedrigsten Frequenz, die erste Biegeschwingungsform. In dieser Schwingungsform schwingen sowohl das Durchflußrohr als auch der Ausgleichsstab phasenverschoben zueinander in der Antriebsebene. Die Form dieser Schwingungsform ist dieselbe wie die Form einer schwingenden Gitarrensaite. Die maximale Schwingungsamplitude befindet sich in der Mitte und die Knoten (festen Punkte) befinden sich an den Enden. Der Treiber hält das Durchflußrohr und den Ausgleichsstab am Schwingen und befindet sich in der Mitte des Durchflußrohrs und des Ausgleichsstabs.
Bei einer geraden Durchflußrohrgeometrie biegt die Corioliskraft das Durchflußrohr in der Form der zweiten Biegeschwin gungsform. Die zweite Biegeschwingungsform ist wie ein gestrecktes S geformt und weist drei Knoten auf. Zwei Knoten befinden sich an den Durchflußrohrenden und der dritte Knoten befindet sich in der Mitte. Wenn ein Durchflußrohr in der zweiten Biegeschwingungsform schwingt, scheinen die beiden Hälften des Durchflußrohrs (die sich auf jeder Seite des mittleren Treibers befinden) phasenverschoben zueinander zu schwingen. Die zweite Biegeschwingungsform weist eine Resonanzfrequenz auf, die fast das dreifache jener der ersten Biegeschwingungsform beträgt. Sie weist eine hohe Resonanzfrequenz auf, da das Durchflußrohr sehr steif ist und das Durchflußrohr sehr schwer in der Form der zweiten Biegeschwingungsform zu biegen ist.
Corioliskräfte werden auf das Durchflußrohr mit der Antriebsfrequenz (der Resonanzfrequenz der ersten Biegeschwingungsform) ausgeübt. Unter der Voraussetzung, daß das Durchflußrohr horizontal verläuft und in einer vertikalen Antriebsebene in der ersten Biegeschwingungsform in Schwingungen versetzt wird, findet die Coriolisverformung des Durchflußrohrs ebenfalls in der Antriebsebene statt und weist die Form der zweiten Biegeschwingungsform auf. Wenn Material ist von links nach rechts fließt und die Durchflußrohrmitte durch den Punkt der Auslenkung null geht, während sie sich nach unten bewegt, wirkt die Corioliskraft an der linken Hälfte des Durchflußrohrs in die Aufwärtsrichtung, während die Corioliskraft an der rechten Hälfte des Durchflußrohrs in die Abwärtsrichtung wirkt. Wenn das Durchflußrohr durch die Auslenkung null geht, während es sich nach oben bewegt, wird die Richtung der Corioliskraft umgekehrt. Die Corioliskraft wird (bezüglich der Zeit) in einer sinusförmigen Weise mit der Antriebsfrequenz auf das Durchflußrohr ausgeübt. Die Corioliskraft befindet sich auf ihrem Höchstwert, wenn sich die Durchflußrohrgeschwindigkeit auf ihrem Höchstwert befindet, und die Corioliskraft ist null, wenn die Durchflußrohrgeschwindigkeit null ist, wenn sie ihre Richtung ändert.
Die Corioliskraft lenkt das Durchflußrohr in der zweiten Biegeschwingungsformform jedoch mit der (Antriebs-)Frequenz der ersten Schwingungsform aus. Die Antriebsfrequenz liegt so weit unter der Resonanzfrequenz der zweiten Biegeschwingungsform, daß die maximale Auslenkung des Durchflußrohrs infolge der Corioliskraft sehr niedrig ist. Die Coriolisauslenkung ist in ihrer Amplitude mit der statischen Auslenkung vergleichbar, die sich durch eine statische Ausübung der Corioliskraft ergeben würde. Die Corioliskraft infolge des Materialflusses muß folglich das steife Durchflußrohr in einer sehr steifen Schwingungsform (der zweiten Biegung) auf einer Frequenz (der ersten Biegung) verformen, die weit von der zweiten Biegeresonanzfrequenz entfernt ist. Die Folge ist eine äußerst kleine Coriolisauslenkung des Durchflußrohrs und eine sehr kleine Phasendifferenz zwischen den Signalen, die durch die beiden Geschwindigkeitssensoren erzeugt werden. Eine typische Zeitverzögerung (Phasendifferenz dividiert durch die Frequenz) zwischen den beiden Signalen, die sich aus einem maximalen Durchsatz durch einen typischen Messer ergibt, beträgt zehn Mikrosekunden. Wenn der Messer bei zehn Prozent des maximalen Flusses keinen Fehler von mehr als 0,15% aufweisen soll, dann muß die Zeitverzögerungsmeßgenauigkeit besser als 1,5 Nanosekunden (1,5 × 10^–9 Sekunden) sein. Eine genaue Messung solch kleiner Zeitzuwächse erfordert eine äußerst hochentwickelte und kostspielige Elektronik.
Das US-Patent Nr. 5,557,973 offenbart einen Massendurchflußsensor, der in einer Leitung installiert ist, durch die ein Fluid fließt. Der Massendurchflußsensor weist Flansche zur Befestigung an der Leitung, ein einzelnes Meßrohr, ein äußeres Stützrohr und ein inneres Stützelement auf. Das Meßrohr ist an seinen Enden an den Flanschen befestigt und weist einen Schwingungsabschnitt mit der Form einer kreisförmigen Spirale mit konstanter Steigung auf. Das äußere Stützrohr weist äußere Stützrohrenden auf, die am Meßrohr oder den Flanschen befestigt sind. Das innere Stützelement weist innere Stützelementenden auf, die am Meßrohr angrenzend an die Flansche befestigt sind. Der Massendurchflußsensor weist ferner Verbindungselemente auf, die gleichmäßig längs des Schwingungsabschnitts des Meßrohrs verteilt sind, die den Schwingungsabschnitt des Meßrohrs und das innere Stützelement miteinander verbinden und nur jene Schwingungsformen des Schwingungsabschnitts des Meßrohrs zulassen, in denen die Mittellinie des Schwingungsabschnitts so weit wie möglich im wesentlichen auf einer zylindrischen Ruhepositionshüllfläche der Schwingungsformen bleibt. Der Massendurchflußsensor weist außerdem einen Mechanismus auf, um den Schwingungsabschnitt des Meßrohrs in Resonanzschwingungen anzuregen, die senkrecht zu seiner Mittellinie sind.
FR 1,139,048 offenbart einen konzeptionellen gyroskopischen Durchflußmesser, der ein starres Spiraldurchflußrohr aufweist, um auf einen aufgenommenen Materialfluß eine Rotation zu übertragen. Die Ausübung einer Kraft auf die Durchflußrohrachse mit dem Materialfluß erzeugt eine Kreiselkraft, deren Betrag mit dem Materialfluß in Beziehung steht. Das Patent ist frei von Einzelheiten und spekuliert lediglich, wie der Durchflußmesser betrieben werden könnte, um eine Materialflußinformation unter Verwendung der Kreiselkraft zu erzeugen.
Lösung
Die vorliegende Erfindung überwindet die Probleme der Coriolis-Massendurchflußmesser des Stands der Technik, indem vielmehr eine Kreiselkraft als eine Corioliskraft in der Materialflußmessung verwendet wird. Gemäß einer möglichen exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird ein gyroskopischer Durchflußmesser mit einem einzelnen geraden Rohr bereitgestellt, der wie der oben beschriebene Coriolis-Durchflußmesser aussieht, mit der Ausnahme, daß sein Durchflußrohr eine innere spiralförmige Ablenkplatte aufweist, die bewirkt, daß sich das Material schnell um die Längsachse des Durchflußrohrs dreht, wenn das durch das Rohr Material fließt. Das sich schnell drehende Material bewirkt, daß sich das Durchflußrohr wie ein Kreisel verhält. Der gyroskopische Messer unterscheidet sich außerdem darin von Coriolis-Durchflußmessern, daß er seine Geschwindigkeitssensoren vielmehr an der longitudinalen Mitte des Durchflußrohrs als stromaufwärts und stromabwärts von der Mitte aufweist, wie es Coriolis-Durchflußmessern tun.
Um zu verstehen, wie die Kreiselkraft des sich schnell drehenden Materials verwendet werden kann, um den Durchfluß zu messen, wird zuerst die Natur des Kreiselverhaltens und der Kraft an zwei Beispielen untersucht. Das erste Beispiel stellt die Bewegung (Präzession) dar, die von einem Drehmoment herrührt, das auf eine Kreiselachse ausgeübt wird, wenn die Achse uneingeschränkt ist. Das zweite Beispiel ermöglicht eine Berechnung des Drehmoments, das die Kreiselachse auf ihre Befestigung ausübt, wenn die Kreiselbewegung (Präzession) des ersten Beispiels durch Einschränkungen verhindert wird. Es ist dieses resultierende Drehmoment, das das Durchflußrohr der vorliegenden Erfindung verformt und eine Messung des Massendurchsatzes ermöglicht.
Kreisel sind Vorrichtungen mit einer Masse, die sich um eine Achse dreht (die als die Drehachse bezeichnet wird), was ihnen einen Drehimpuls gibt. Typische Kreisel weisen eine kreisförmige, scheibenförmige Masse auf, die an. einer dünnen Achse befestigt ist. Die Erhaltung des Drehimpulses der sich drehenden Scheibe gibt den Kreiseln ihre einzigartigen Eigenschaften. Beim Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es nur notwendig zu verstehen, wie sich Kreisel verhalten, nicht weshalb sie sich in der Art verhalten, in der sie es tun. Daher ist das folgende auf eine Beschreibung des Kreiselverhaltens beschränkt, das den gyroskopischen Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung betrifft.
Man betrachte einen typischen Spielzeugkreisel mit einer Schwungscheibe, die sich auf einer Achse dreht, die sich dreißig Grad außerhalb der Vertikalen befindet. Im ersten Befestigungszustand, der betrachtet werden soll, Beispiel 1, ist das obere Ende der Kreiselachse frei, sich in alle Richtungen zu bewegen, während der untere Teil der Achse an einem Punkt fi xiert ist, so daß er nicht translatieren kann, sondern sich in alle Richtungen frei drehen oder schwenken kann. Wenn sich die Schwungscheibe nicht drehen würde, würde der Kreisel infolge des Kippmoments seines Gewichts mal den horizontalen Versatz seines Schwerpunkts vom Tiefpunkt der Achse sofort umfallen. Jedoch gibt die Rotation der Schwungscheibe dem Kreisel einen Drehimpuls, der dem Kippmoment widersteht. Stattdessen bewirkt das Kippmoment, daß das obere Ende der Achse die vertikale Achse umkreist. Die Geschwindigkeit dieser kreisförmigen Bewegung, die als Präzession bezeichnet wird, erhöht sich, wenn sich das obere Ende der Kreiselachse langsam spiralförmig nach unten bewegt. Zusammenfassend erzeugt das Kippmoment eine Winkelbeschleunigung des oberen Endes der Achse in eine Umfangsrichtung um die vertikale Achse. Diese zunehmende Geschwindigkeit der Präzession ist das vertraute zunehmende Taumeln einer oberen Spielzeugachse, wenn sie sich nach unten dreht.
Im zweiten Befestigungszustand, Beispiel 2, befindet sich die Achse des rotierenden Kreisels anfänglich auf der Y-Achse eines Koordinatensystems (vertikal), und das untere Ende der Achse ist wieder in seiner Translation eingeschränkt, so daß es sich in alle Richtungen drehen kann, jedoch nicht translatieren kann. Der Bewegung des oberen Endes der Achse ist auf die X-Y-Ebene begrenzt, so daß es sich nicht in die Z-Richtung bewegen kann. Diese Einschränkung des oberen Endes der Achse kann man sich als einen Schlitz vorstellen, der mit der X-Achse ausgerichtet ist, in dem sich der obere Teil Achse frei bewegen kann. Die Anwendung einer Kraft auf das obere Ende der Achse in die X-Richtung (längs des Schlitzes) führt zu der Bewegung des oberen Achsenendes im Schlitz und der Rotation der Achse in der X-Y-Ebene um das untere Ende der Achse (nicht um ihre Rotationsachse). Diese Rotation der Achse in der X-Y-Ebene würde zu einer Präzession der Achse führen, außer daß der Schlitz sie verhindert. Stattdessen übt das obere Ende der Achse eine Kreiselkraft G_F auf die Seite des Schlitzes in die negative Z-Richtung aus. Die Kreiselkraft kann berechnet werden, da sie eine Funktion des Drehimpulses des Kreisels und der Winkelgeschwindigkeit ist, mit der die Achse in der X-Y-Ebene gedreht wird. Für die vorliegende Erfindung ist es wichtig zu beachten, daß die Winkelgeschwindigkeit der Achse in der X-Y-Ebene eine Kraft G_F auf die Achse unter einem rechten Winkel zur X-Y-Ebene und ebenfalls unter einem rechten Winkel zur Kreiselachse bewirkt.
Das Material, das sich im Durchflußrohr der vorliegenden Erfindung dreht, bewirkt, daß es sich wie ein Kreiselpaar verhält. Ein Durchflußmesser-Kreisel erstreckt sich vom Rohreinlaß zum Rohrmittelpunkt, während sich der andere Durchflußmesser-Kreisel vom Rohrmittelpunkt zum Rohrauslaß erstreckt. Die Kreiseldrehachsen entsprechen der Durchflußrohrachse, und die Schwungscheiben entsprechen dem sich drehenden Material in jeder Hälfte des Durchflußrohrs. Die Kraft, die auf das Durchflußrohr durch den Treiber ausgeübt wird, entspricht der Kraft, die auf das obere Ende der Achse im Schlitz des Beispiels 2 ausgeübt wird. Die Rohrschwingung in der Antriebsebene bewirkt, daß sich die Durchflußrohrmittellinie oder Drehachse in der Antriebsebene abwechselnd in jede Richtung dreht, die der Schlitzrichtung entspricht. Die festen Enden des Durchflußrohrs sind die Drehpunkte der beiden Durchflußmesser-Kreiseldrehachsen. Der Durchflußrohrmittelpunkt kann als das freie (oder Schlitz-)Ende von beiden betrachtet werden. Der Schlitz, der das Kreiselachsenende im Beispiel 2 einschränkt, ist jedoch im Durchflußmesser nicht vorhanden. Auch sind die Enden (Rohrmitte) der Durchflußmesser-Kreisel nicht wie im Beispiel 1 frei. Stattdessen widersetzt sich die Durchflußrohrsteifigkeit einer Bewegung der Rohrmitte aus der Antriebsebene, verhindert sie jedoch nicht. Das Verhalten der Durchflußmesser-Kreisel fällt zwischen dem des Beispiels 1 und dem des Beispiels 2. Die Kreiselkraft bewirkt eine Auslenkung der Rohrmitte aus der Antriebsebene, die proportional zur Kreiselkraft G_F ist. Die Kreiselkraft G_F ist wiederum proportional zum Massendurchsatz. Folglich kann die Auslenkung des Durchflußrohrs aus der An triebsebene verwendet werden, um den Massendurchsatz des fließenden Materials zu bestimmen.
Die Richtung der Kreiselkraft G_F und die Auslenkung des Durchflußrohrs als Reaktion auf die Kraft G_F sind sowohl zur Antriebsrichtung als auch zur Durchflußrohrachse senkrecht. Die Auslenkung in die Kreiselrichtung kehrt ihr Vorzeichen mit der Richtungsumkehr der Antriebsschwingung um. Die maximale Rohrauslenkung in die Kreiselrichtung tritt auf, wenn die Rohrauslenkung in die Antriebsrichtung durch null geht und sich die Geschwindigkeit in die Antriebsrichtung auf ihrem Maximum befindet. Die Durchflußrohrauslenkung aus der Antriebsebene weist das Vorzeichen auf, das den Drehimpuls erhält. Wenn die Materialrotation im Durchflußrohr von einem Ende gesehen im Uhrzeigersinn erfolgt, dann erteilen die kombinierten Antriebs- und Kreiselschwingungen beiden Durchflußrohrhälften eine elliptische Bewegung im Uhrzeigersinn. Die Rotationsgeschwindigkeit der Masse im Durchflußrohr (die proportional zum Durchsatz ist) bestimmt den Betrag der Rohrauslenkung in die Kreiselrichtung. Der Durchsatz bestimmt, wie eng (niedriger Durchfluß) oder weit (hoher Durchfluß) die resultierende Ellipse ist. Wenn die Antriebs- und Kreiselkräfte gleich sind, nimmt das Durchflußrohr vom Ende gesehen einen kreisförmigen Weg ein.
Die Kreiselkraft G_F und die Durchflußrohrauslenkung in die Kreiselrichtung sind proportional zum Drehimpuls des rotierenden Materialflusses. Der Drehimpuls ist proportional zur Masse mal die Geschwindigkeit der Masse um die Drehachse. Da das Produkt der Masse und der Geschwindigkeit die Kreiselkraft und folglich die Kreiselauslenkung bestimmt, ist die Auslenkung vielmehr zum Massendurchsatz als zum Volumendurchsatz proportional. Wenn die Materialdichte niedrig ist, dann muß für einen gegebenen Massendurchsatz die Materialgeschwindigkeit hoch sein. Umgekehrt muß für ein Material mit hoher Dichte beim selben Massendurchsatz die Materialgeschwindigkeit niedrig sein. Das Produkt der Dichte und der Geschwindigkeit ist für einen gegebenen Massendurchsatz von der Dichte unabhängig. Folglich ist die Materialdichte für die genaue Messung des Massendurchsatzes irrelevant.
Die Kreiselkraft G_F unterscheidet sich von der Corioliskraft in drei wesentlichen Beziehungen. Erstens ist, wie erläutert worden ist, die Kreiselkraft senkrecht zur Antriebsebene, wohingegen die Corioliskraft in der Antriebsebene verläuft. Zweitens verläuft die Kreiselkraft über die gesamte Länge des Durchflußrohrs in dieselbe Richtung (dies wird später erläutert), wohingegen die Corioliskraft in der Mitte des Durchflußrohrs ihr Vorzeichen ändert. Die Einheitlichkeit des Vorzeichens der Kreiselkraft längs des Durchflußrohrs bedeutet, daß die Durchflußrohrverformung für den gyroskopischen Messer aus der ersten Biegeschwingungsform besteht, während die Verformung für den Coriolis-Messer aus der zweiten Biegeschwingungsform besteht. Das Durchflußrohr ist in der ersten Biegeschwingungsform sehr viel leichter zu biegen als in der zweiten, und folglich wird das Durchflußrohr für eine gegebene Kraft in einem gyroskopischen Durchflußmesser weiter ausgelenkt. Drittens wird die Kreiselauslenkung für ihre Schwingungsform (die erste Biegeschwingungsform) bei oder nahe der Resonanzfrequenz angetrieben, während die Coriolisauslenkung bei einer Frequenz angetrieben wird, die weit von ihrer Schwingungsformresonanzfrequenz (der zweiten Biegeschwingungsform) entfernt ist. Daher erhält die Kreiselauslenkung infolge der Tatsache, daß sie bei oder nahe ihrer Resonanzfrequenz angetrieben wird, eine große Verstärkung, während die Coriolisauslenkung eine sehr kleine erhält. Diese drei Unterschiede machen die Kreiselauslenkung größer als die Coriolisauslenkung und ermöglichen die Verwendung einer weniger kostspieligen Signalverarbeitung.
Der Betrag der Kreiselkraft ist proportional zum Massendurchsatz, der Anzahl der Umdrehungen, die durch die spiralförmige Ablenkplatte gemacht werden, und der Schwingungsamplitude in der Antriebsebene. Der maximale Durchsatz für den Durchflußmesser kann so eingestellt werden, daß die Kreiselkraft beim maximalen Durchsatz annähernd gleich der Kraft ist, die der Treiber auf das Durchflußrohr ausübt. Folglich wird das Durchflußrohr durch den Antrieb und die Kreiselkraft beim maximalen Durchsatz in einem Kreis angetrieben. Bei kleineren Durchsätzen ist die Kreiselkraft kleiner und der Kreis wird abgeflacht. Um den Durchsatz zu bestimmen, tastet ein Geschwindigkeitssensor die Geschwindigkeit in die Kreiselrichtung ab, und ein anderer tastet die Geschwindigkeit in die Antriebsrichtung ab. Das Verhältnis der Spitzengeschwindigkeiten (höchste Kreisel-/höchste Antriebsgeschwindigkeit) wäre der Bruchteil des maximalen Durchsatzes, der fließt. Dieses Geschwindigkeitsverhältnisverfahren wird leicht ausgeführt und vermeidet sowohl die Schwierigkeit als auch die Kosten einer Meßzeit in Nanosekunden.
Gemäß anderer möglicher exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung wird keine Spirale innerhalb des Durchflußrohrs verwendet. Stattdessen ist das Durchflußrohr in der Form einer Spirale um einen steifen Stab gewickelt, so daß die Spirale und der Stab eine gemeinsame Längsachse aufweisen. Diese überträgt eine Rotation um die Längsachse auf den Materialfluß. Es werden sowohl das Durchflußrohr als auch der Stab durch einen Treiber in einer Antriebsebene in Schwingungen versetzt, um Kreiselauslenkungen in einer senkrechten Ebene zu erzeugen. Alternativ wird ein Durchflußrohrpaar miteinander verdrillt, um ein Paar spiralförmiger Elemente mit einer gemeinsamen spiralförmigen (Längs-)Achse zu bilden. Dies überträgt auf den Materialfluß in beiden Durchflußrohren eine Rotation um die gemeinsame Achse. Das verdrillte Paar wird dann durch einen Treiber in Schwingungen versetzt, und der Materialfluß erzeugt Kreiselkräfte, wie oben beschrieben. Alternativ wird ein einzelnes Durchflußrohr gewickelt, um eine Spirale zu bilden, um eine Rotation des Materialflusses um die spiralförmige Achse des Durchflußrohrs zu erzeugen. Das Durchflußrohr wird dann mit einem Treiber in Schwingungen versetzt, um Kreiselauslenkungen infolge der Rotation des Materialflusses zu erzeugen.
Gemäß noch einer anderen möglichen exemplarischen Ausführungsform sind Geschwindigkeitssensoren stromaufwärts und stromabwärts der Durchflußrohrmitte angeordnet, um die Coriolis-Auslenkungen des Durchflußrohrs zu detektieren. Das Ausgangssignal aus diesen Sensoren wird zusammen mit den Signalen der Kreiselsensoren verwendet, um einen Durchflußmesser bereitzustellen, der sowohl Kreiselsignale als auch Coriolis-Signale zur Bestimmung einer Materialflußausgangesinformation erzeugt.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Durchflußmesser mit einem Materialeinlaß, einem Materialauslaß und einer Durchflußrohrvorrichtung, die zwischen dem Einlaß und dem Auslaß geschaltet ist, wobei der Durchflußmesser eingerichtet ist, am Einlaß einen Materialfluß aufzunehmen und den Materialfluß durch die Durchflußrohrvorrichtung zum Auslaß zu schicken; wobei der Durchflußmesser ferner aufweist:
einen Treiber, der die Durchflußrohrvorrichtung periodisch verformt, indem er die Durchflußrohrvorrichtung mit einer Antriebsfrequenz in einer Antriebsebene in Schwingungen versetzt, die eine Längsachse der Durchflußrohrvorrichtung aufweist;
eine Vorrichtung, die auf den Materialfluß in der Durchflußrohrvorrichtung eine Rotation um die Längsachse der schwingenden Durchflußrohrvorrichtung überträgt;
wobei die Vorrichtung zur Übertragung die Durchflußrohrvorrichtung aufweist;
dadurch gekennzeichnet, daß:
die Durchflußrohrvorrichtung auf die periodische Verformung der Durchflußrohrvorrichtung durch den Treiber und auf die Rotation des Materialflusses anspricht, um eine periodische Verformung eines Kreiselmodus der Durchflußrohrvorrichtung in einer Kreiselebene zu induzieren;
die Kreiselmodusverformung eine Amplitude aufweist, die mit der Größe des Materialflusses in Beziehung steht;
eine Aufnehmervorrichtung, die auf die periodische Kreiselmodusverformung anspricht, um Kreiselsignale zu erzeugen, die für die Größe des Materialflusses kennzeichnend sind;
die Aufnehmervorrichtung einen ersten Aufnehmer aufweist, der Signale erzeugt, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung repräsentieren;
die Aufnehmervorrichtung ferner einen zweiten Aufnehmer aufweist, der Signale erzeugt, die die Amplitude der periodischen Durchflußrohrverformung in der Antriebsebene repräsentieren;
eine Vorrichtung eine Meßelektronik aufweist, die auf den Empfang der Signale anspricht, die durch den ersten und zweiten Aufnehmer erzeugt werden, um das Verhältnis der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung des Durchflußrohrs in der Kreiselebene zur Amplitude der periodischen Durchflußrohrverformung in der Antriebsebene zu bestimmen; und
eine Vorrichtung die Meßelektronik aufweist, die auf die Bestimmung des Verhältnisses anspricht, um die Ausgabeinformationen zu erzeugen, die den Materialfluß betreffen.
Vorzugsweise weisen die Ausgabeinformationen den Massendurchsatz des Materialflusses auf.
Vorzugsweise weist der Durchflußmesser ferner den ersten Aufnehmer auf, der Signale erzeugt, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung des Durchflußrohrs in der Kreiselebene repräsentieren; wobei die Meßelektronik aufweist:
eine Vorrichtung, die die Amplitude der periodischen Durchflußrohrverformung in der Antriebsebene steuert; und
eine Vorrichtung, die auf die Erzeugung von Signalen anspricht, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung des Durchflußrohrs in der Kreiselebene repräsentieren, um den Massendurchsatz des Materialflusses zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die Antriebsfrequenz gleich der Resonanzfrequenz der Kreiselmodusverformung, um die periodische Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu maximieren.
Die Antriebsfrequenz braucht nicht gleich der Resonanzfrequenz der Kreiselmodusverformung zu sein, um die Beziehung zwischen der Materialflußdichte und der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu ändern.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann aufweisen:
ein einzelnes gerades Durchflußrohr:
eine Spirale innerhalb des Durchflußrohrs, wobei die Spirale die Rotation um die Längsachse des Durchflußrohrs auf den Materialfluß überträgt, um die periodische Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu erzeugen.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann aufweisen:
ein einzelnes Durchflußrohr mit einer Spiralform, das die Rotation um die Längsachse des Durchflußrohrs auf den Materialfluß überträgt.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann aufweisen:
mehrere Durchflußrohre, die um eine gemeinsame Längsachse miteinander verdrillt sind, so daß sie eine längliche Form aufweisen, die die Rotation um die gemeinsame Längsachse auf den Materialfluß überträgt.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann aufweisen:
einen Stab und ein Durchflußrohr, das auf den Stab gewickelt ist, um eine Spule zu bilden, die die Rotation um die gemeinsame Längsachse des Durchflußrohrs und des Stabs auf den Materialfluß überträgt.
Der längliche Stab kann im wesentlichen gerade sein.
Der Stab und das Durchflußrohr können um die gemeinsame Längsachse miteinander verdrillt sein.
Vorzugsweise erzeugt der Materialfluß Corioliskräfte in der Antriebsebene an der schwingenden Durchflußrohrvorrichtung, wobei die Corioliskräfte Coriolis-Auslenkungen der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene erzeugen;
dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmesser ferner aufweist:
eine Aufnehmervorrichtung an der Durchflußrohrvorrichtung, die Coriolis-Auslenkungen detektiert und Coriolis-Signale erzeugt, die Informationen enthalten, die den Materialfluß betreffen;
wobei die Meßelektronik auf die Erzeugung der Coriolis-Signale und der Kreiselsignale anspricht, um Ausgabeinformationen zu erzeugen, die den Materialfluß betreffen.
Vorzugsweise weist der Durchflußmesser ferner auf:
einen Ausgleichsstab parallel zur Durchflußrohrvorrichtung;
eine Verbindungsringvorrichtung, die Enden des Ausgleichsstabs mit der Durchflußrohrvorrichtung verbindet;
wobei der Treiber periodisch die Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab gegenphasig in der Antriebsebene mit der Resonanzfrequenz der materialgefüllten Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs verformt;
wobei die periodische Kreiselmodusverformung die materialgefüllte Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab in der Kreiselebene mit der Resonanzfrequenz der periodischen Kreiselmodusverformung in Schwingungen versetzt.
Die Kreiselebene ist senkrecht zur Antriebsebene und zur Längsachse des Durchflußrohrs.
Der Durchflußmesser kann ferner aufweisen:
ein Gehäuse, das den Ausgleichsstab und die Durchflußrohrvorrichtung einschließt;
Gehäuseenden, die mit Enden des Gehäuses verbunden sind;
wobei Enden der Durchflußrohrvorrichtung durch die Gehäuseenden des Gehäuses vorstehen und mit Flanschen verbunden sind;
wobei ein erster der Flansche den Materialfluß aus einer Materialquelle aufnimmt und den Materialfluß durch den Durchflußmesser schickt;
wobei ein zweiter der Flansche an einem Ausgangsende der Durchflußrohrvorrichtung den Materialfluß aus der Durchflußrohrvorrichtung aufnimmt und den Materialfluß zu einem Bestimmungsort schickt.
Die Verbindungsringvorrichtung kann aufweisen:
erste und zweite Verbindungsringe, die jedes Ende des Ausgleichsstabs mit der Durchflußrohrvorrichtung verbinden; und
laterale axiale Vorsprünge an den Verbindungsringen in der Antriebsebene, die an lateralen Seitenwänden der Durchflußrohr vorrichtung befestigt sind, um die Resonanzfrequenztrennung der Durchflußrohrvorrichtungsverformung und der Ausgleichsstabverformung in der Antriebsebene und der periodischen Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs in der Kreiselebene zu ändern.
Vorzugsweise weist ein Ausgleichsstab ferner Öffnungen in den Wänden des Ausgleichsstabs auf, die die Trennung der Resonanzfrequenzen der periodischen Verformung in der Antriebsebene und der periodischen Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs in der Kreiselebene ändern.
Ein anderer Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Durchflußmessers, das die Schritte aufweist:
periodisches Verformen der Durchflußrohrvorrichtung, indem die Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene in Schwingungen versetzt wird;
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
Übertragen der Rotation um die Längsachse der Durchflußrohrvorrichtung auf den Materialfluß als Reaktion auf den Materialfluß, wobei die Rotation die periodische Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Kreiselebene bewirkt;
Erzeugen von Signalen, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene repräsentieren;
Bestimmen der Amplitude der periodischen Durchflußrohrvorrichtungsverformung in der Antriebsebene;
Bestimmen des Verhältnisses der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Kreiselebene zur Amplitude der periodischen Verformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene; und
Betreiben der Meßelektronik als Reaktion auf die Bestimmung des Verhältnisses und der Erzeugung der Signale, um Ausgabeinformationen zu erzeugen, die den Materialfluß betreffen.
Vorzugsweise erfolgt das Steuern der Amplitude der periodischen Verformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene.
Der Durchflußmesser kann so betrieben werden, daß die Resonanzfrequenz der periodischen Durchflußrohrvorrichtungsverformung in der Antriebsebene gleich der Resonanzfrequenz der Kreiselmodusverformung ist, um die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu maximieren.
Der Durchflußmesser kann so betrieben werden, daß die Resonanzfrequenz der periodischen Durchflußrohrvorrichtungsverformung in der Antriebsebene nicht gleich der Resonanzfrequenz der Kreiselmodusverformung ist, um die Beziehung zwischen der Dichte des Materialflusses und der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu ändern.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann ein einzelnes gerades Durchflußrohr aufweisen:
wobei das Verfahren den Schritt zum Einsetzen einer Spirale in das Durchflußrohr aufweist, um die Rotation um die Längsachse des Durchflußrohrs auf den Materialfluß zu übertragen.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann ein einzelnes Durchflußrohr aufweisen, wobei das Verfahren ferner den Schritt zum Betreiben des Durchflußmessers aufweisen kann, wobei das Durchflußrohr so ausgebildet ist, daß es eine Schraubenfederform definiert, die die Rotation um die Längsachse des Durchflußrohrs auf den Materialfluß überträgt.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann mehrere Durchflußrohre aufweisen, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
Verdrillen der mehreren Durchflußrohre miteinander um eine gemeinsame Längsachse, um eine längliche Form zu definieren, die die Rotation auf den Materialfluß überträgt.
Die Durchflußrohrvorrichtung kann ein einzelnes Durchflußrohr aufweisen, wobei das Verfahren ferner den Schritt zum Wickeln des Durchflußrohrs auf einen länglichen Stab aufweist, um eine Spule zu bilden, die die Rotation um eine Längsachse, die dem Durchflußrohr und dem Stab gemeinsam ist, auf den Materialfluß überträgt.
Der Materialfluß erzeugt Corioliskräfte in der Antriebsebene an der schwingenden Durchflußrohrvorrichtung, wobei die Corioliskräfte periodische Coriolis-Auslenkungen der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene erzeugen; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte aufweisen kann:
Betreiben von Aufnehmern an der Durchflußrohrvorrichtung, die die Coriolis-Auslenkungen detektieren und Ausgangssignale erzeugen, die den Materialfluß betreffen;
Betreiben der Meßelektronik als Reaktion auf die Erzeugung der Coriolis-Signale und der Kreiselsignale, die Ausgabeinformationen erzeugt, die den Materialfluß betreffen.
Der Durchflußmesser kann aufweisen: einen Ausgleichsstab, der parallel zur Durchflußrohrvorrichtung ist;
eine Verbindungsringvorrichtung, die Enden des Ausgleichsstabs mit der Durchflußrohrvorrichtung verbindet;
wobei das Verfahren ferner aufweisen kann:
Betreiben des Treibers, um die Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab gegenphasig in der Antriebsebene mit der Resonanzfrequenz der materialgefüllten Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs in Schwingungen zu versetzen;
Betreiben des Durchflußmessers, so daß die Kreiselkräfte die materialgefüllte Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab in der Kreiselebene mit der Resonanzfrequenz der materialgefüllten Durchflußrohreinrichtung und des Ausgleichsstabs in der Kreiselschwingungsform in Schwingungen versetzen.
Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und anderen Vorteile der Merkmale der Erfindung können durch das Lesen ihrer folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen vorgenommen wird. Es zeigen:
1 ein Diagramm eines Kreisels, der eine präzedierende Drehachse aufweist;
2 ein Diagramm eines Kreisels, bei dem die Präzession verhindert wird;
3 eine spiralförmige Ablenkplatte;
4 eine spiralförmige Ablenkplatte in einem Durchflußrohr;
5 ein verdrilltes Paar Durchflußrohre;
6 ein Durchflußrohr und einen massiven Stab, die miteinander verdrillt sind;
7 ein Durchflußrohr, das um einen geraden Stab verdrillt ist;
8 ein Durchflußrohr mit einer Spulenform;
9, 10 und 11 ein schwingendes freitragendes Durchflußrohr mit einem rotierenden Materialfluß;
10 und 11 Endansichten des Durchflußrohrs der 9, die die Bewegung des Durchflußrohrs mit Durchfluß und ohne Durchfluß zeigen;
12 ein konzeptionelles schwingendes Durchflußrohr;
13 ein Paar schwingender freitragende Rohre;
14 ein schwingendes Durchflußrohr, das an beiden Enden fixiert ist, mit einem rotierenden Materialfluß;
15 eine mögliche bevorzugte exemplarische Ausführungsform eines Querschnitts eines gyroskopischen Durchflußmessers;
16 eine mögliche bevorzugte exemplarische Ausführungsform eines Querschnitts eines kombinierten gyroskopischen/Coriolis-Durchflußmessers;
17 Details eines Verbindungsrings;
18 Details eines Ausgleichsstabs;
19 eine erste mögliche Ausführungsform der Meßelektronik 1520;
20 eine zweite mögliche Ausführungsform der Meßelektronik 1520;
21 eine erste mögliche Ausführungsform der Meßelektronik 1620.
Detaillierte Beschreibung
1 und 2
Um die Einrichtungen besser zu verstehen, durch die die vorliegende Erfindung den Durchfluß mißt, ist es notwendig, die Kreiselkraft zu verstehen, und wie sie auf ein schwingendes Durchflußrohr ausgeübt wird. 1 zeigt einen Kreisel 100 mit einer Schwungscheibe 101 und einer Achse 102 der Länge L. Die Schwungscheibe und die Achse rotieren mit einer Rotationswinkelgeschwindigkeit ω um eine Drehachse 103, die mit der Mittellinie der Achse 102 zusammenfällt. Die Achse 102 weist eine Länge L auf, die unter einem Winkel zur Y-Achse 105 (vertikale Richtung) des Koordinatensystems 104 orientiert ist. Die Schwungscheibe 101 weist einen Trägheitsradius r auf, der der Radius ist, an dem die Masse des Kreisels konzentriert werden könnte, um dasselbe Trägheitsmoment wie die ausgedehnte Masse der Schwungscheibe 101 und der Achse 102 zu ergeben. Das untere Ende des Kreisels ist am Punkt P fixiert, so daß es frei ist, sich in alle Richtungen zu drehen, jedoch kann es nicht in irgendeine Richtung translatieren. Auf den Kreisel der 1 wirkt die Schwerkraft (nicht gezeigte Kraft), die ein Drehmoment ausübt, um den Kreisel umzukippen. Das Kippmoment bewirkt, daß die Kreiselachse die Y-Achse umkreist, wie durch den Weg 108 gezeigt. Dieses Umkreisen der Y-Achse ist als Präzession bekannt.
Der Kreisel 200 der 2 wird mit einer vertikalen Achse gezeigt. Das obere Ende der Achse 102 steht durch einen Schlitz 209 in einem Block 210 vor. Der Block ist im Raum fixiert, so daß er sich nicht bewegen kann. Der Schlitz erstreckt sich in die X-Richtung und beschränkt das obere Ende der Achse 102 auf eine Bewegung nur in die X-Richtung. Das untere Ende der Achse ist fixiert, wie es die Achse in 1 ist, so daß es sich drehen, jedoch nicht translatieren kann.
Auf das obere Ende der Achse 102 in 2 wird eine (nicht gezeigte) Kraft in die X-Richtung ausgeübt, die ihm eine Geschwindigkeit V gibt. Da der untere Teil der Achse bei P fixiert ist, ist das Ergebnis eine Winkelgeschwindigkeit V/L der Achse in der X-Y-Ebene. Die Winkelgeschwindigkeit der Kreiselachse würde bewirken, daß die Achse präzediert, wie in 1, außer daß der Schlitz 209 eine Präzession verhindert. Stattdessen übt die Achse 102 eine Kreiselkraft G_F auf die Seite des Schlitzes in die negative Z-Richtung aus. Es wird erneut bemerkt werden, daß die Kreiselkraft G_F senkrecht zur Drehachse 103 und der Geschwindigkeitsrichtung des oberen Teils der Achse 102 ist.
Die Gleichung für das Drehmoment G_L ist in jedem guten Fachbuch über die Dynamik von Maschinen zu finden, einschließlich Kent's Mechanical Engineer's Handbook, zwölfte Ausgabe, Seite 7–18. Das Drehmoment ist durch die Gleichung 1 gegeben. Gleichung 1
Wobei:

GL: = Drehmoment an der Achse
m: = Masse der Schwungscheibe
r: = Trägheitsradius
N: = U/min der Schwungscheibe
V: = Geschwindigkeit des oberen Teils der Achse
L: = Länge der Achse

Die obigen Beispiele des Kreiselverhaltens und die Kreiselkraftgleichungen werden angegeben, um ein besseres Verständnis der Kreiselkraft zu ermöglichen, die auf ein schwingendes Durchflußrohr ausgeübt wird, das rotierendes Material enthält. Jedoch gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den Kreiseln und dem Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung, und diese werden erläutert, wenn sie sich ergeben.
3
Damit der Materialfluß in einem Durchflußrohr Kreiseleigenschaften zeigt, muß ihm eine schnelle Drehung gegeben werden. 3 zeigt eine mögliche bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung 300, die in das Durchflußrohr eingesetzt wird, um das Material zu drehen, wenn es fließt. Die Vorrichtung 300 ist ein Metallband 301, das verdrillt und in das Innere eines Durchflußrohrs eingesetzt und hartgelötet wird. Das Band 301 stellt sicher, daß der Materialfluß einer bekannten Anzahl von Rotationen um die Längsachse 310 ausgesetzt ist, wenn er das Durchflußrohr durchquert. Wenn der Materialdurchsatz zunimmt, nehmen die Materialfließgeschwindigkeit und die Materialrotationsgeschwindigkeit zu und erzeugen erhöhte Kreiseleigenschaften.
4
4 zeigt das Band 301 der 3, nachdem es im Durchflußrohr 401 hartgelötet ist. Diese Geometrie könnte auch erzielt werden, indem ein geeignetes Material direkt in die erwünschte Form stranggepreßt wird, um ein kombiniertes Durchflußrohr und Spirale zu bilden. Das Strangpreßverfahren ist für einen gyroskopischen Kunststoffmesser ideal. Ein Treiber D versetzt das Durchflußrohr 401 in der Antriebsebene in Schwingungen, während das spiralförmige Band 405 sicherstellt, daß der Materialfluß einer bekannten Anzahl von Umdrehungen um die Längsachse 410 ausgesetzt ist, wenn der Materialfluß die Durchflußrohrlänge durchquert.
5–8
5 zeigt eine alternative Durchflußrohrvorrichtung 500, die sicherstellt, daß der Materialfluß einer bekannten Anzahl von Rotationen um die Längsachse 510 ausgesetzt ist, wenn er die Durchflußrohrlänge durchquert. Die Vorrichtung 500 wird gebildet, indem mehrere Durchflußrohre 501 und 502 mit einem kleineren Durchmesser zu einem Verbunddurchflußrohr 500 ver drillt und zusammengelötet werden. Das Durchflußrohr 500 hat den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Bearbeitungsverfahrens, es hat jedoch den Nachteil eines hohen Druckabfalls für das Material, wenn es den Messer durchquert. Der hohe Druckabfall ist auf den kleineren Rohrdurchmesser zurückzuführen, der durch mehrere Rohre benötigt wird. Der Treiber D versetzt die Vorrichtung 500 in der Antriebsebene in Schwingungen.
6 zeigt eine alternative Durchflußrohrvorrichtung 600, die sicherstellt, daß der Materialfluß einer bekannten Anzahl von Rotationen um eine Längsachse 610 ausgesetzt ist, wenn er den Durchflußmesser durchquert. Die Vorrichtung 600 weist ein hohles Durchflußrohr 601 und einen massiven länglichen Stab 602 auf, die miteinander verdrillt sind. Die Vorrichtung 600 hat den Vorteil, daß das Durchflußrohr einen ausreichend großen Durchmesser aufweist, um die erwünschte Materialflußkapazität bereitzustellen, während es mit dem Stab 602 verflochten ist, was dem Durchflußrohr 601 der Vorrichtung 600 eine ausreichende Steifigkeit gibt. Der Treiber D versetzt die Vorrichtung 600 in der Antriebsebene vertikal zur Ebene des Papiers in Schwingungen.
7 stellt eine alternative Durchflußrohrvorrichtung 700 bereit, die sicherstellt, daß der Materialfluß einer bekannten Anzahl von Rotationen um eine Längsachse 710 ausgesetzt ist, wenn das Material den Durchflußmesser durchquert. Die Vorrichtung 700 zeigt eine Durchflußrohrschlange 701, die um einen geraden Stab 702 gewickelt ist, der dem Durchflußrohr 701 Steifigkeit verleiht. Ein Durchflußrohr 701 kann aus einem ausreichenden Durchmesser hergestellt werden, um die erforderliche Materialflußkapazität bereitzustellen. Linke Enden des Durchflußrohrs und des Stabs werden als Elemente 706 und 705 bezeichnet, während das rechte Ende als Elemente 703 und 704 bezeichnet wird. Der Treiber D versetzt die Vorrichtung 700 vertikal in Schwingungen.
8 stellt eine alternative Durchflußrohrvorrichtung 800 bereit, die sicherstellt, daß der Materialfluß einer bekannten Anzahl von Rotationen um die Längsachse 810 ausgesetzt ist, wenn er den Durchflußmesser durchquert, von dem die offenbarte Vorrichtung 800 ein Teil ist. Die Vorrichtung 800 wird durch den Treiber D vertikal in Schwingungen versetzt. Die Vorrichtung 800 weist eine Durchflußrohrschlange 801 mit einem linken Ende 803 und einem rechten Ende 802 auf.
9–11
9 zeigt die Kreiselkraft eines schwingenden freitragenden Durchflußrohrs 901, das rotierendes Material enthält. Diese Geometrie könnte als ein Durchflußmesser verwendet werden, jedoch wird sie hierin hauptsächlich als Hilfe beim Verständnis verwendet, und um die Lücke zwischen dem Kreisel der 2 und dem Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung zu überbrücken, bei der beide Enden ihres Durchflußrohrs fixiert sind. Das Durchflußrohr 901 ist an der X-Achse orientiert und sein freies Ende 908 wird durch einen Treiber D auf der Resonanz in die vertikale oder Y-Richtung in Schwingungen versetzt. Das feste Ende 904 ist mit einem feststehenden Block 902 verbunden. Das Durchflußrohr 901 enthält eine (zu 301 ähnliche) spiralförmige Ablenkplatte 905, die bewirkt, daß der Materialfluß mit einer Bewegung, die durch einen Weg 903 gezeigt wird, um eine Längsachse 910 rotiert. Das Durchflußrohr 901 wird durch die durchgezogenen Linien gezeigt, wie es durch eine Null-Auslenkung in die Abwärtsrichtung geht. Es weist eine Geschwindigkeit V in die Abwärts-(-Y)-Richtung auf. Die gestrichelten Linien 906 und 907 zeigen das Durchflußrohr 901 an seiner maximalen Auslenkung in die positive und negative Y-Richtung. Die Durchflußrohrschwingung in die Y-Richtung gibt den Durchflußrohr (und der Drehachse) eine abwechselnde Rotation in der X-Y-(Antriebs-)Ebene um sein festes Ende 904. Die durch die Schwingung übertragene Rotation der Materialdrehachse ist mit der Winkelgeschwindigkeit V/L der Kreiseldrehachse in 2 vergleichbar. Die Kraft G_F ist die Kreiselkraft, die das rotierende Material auf das freitragende Durchflußrohr 901 ausübt, wenn sich das Durchflußrohr nach unten biegt. Die Kraft G_F ist sowohl zur Geschwindigkeit V als auch zur Rohrachse senkrecht. An der oberen und unteren Ausdehnung seiner Bewegung stoppt das Durchflußrohr und kehrt seine Richtung um. Dies bewirkt, daß die Durchflußrohrachsenrotation in der X-Y-Ebene um ihr festes Ende 904 die Richtung umkehrt. Die Kreiselkraft G_F kehrt ebenfalls ihre Richtung um, wenn sich die Durchflußrohrrotation in der X-Y-Ebene umkehrt. Die Kraft G_F kann folglich als eine sinusförmige Kraft betrachtet werden, die in Phase mit der Durchflußrohrgeschwindigkeit V ist, deren Richtung jedoch sowohl zur Durchflußrohrgeschwindigkeit V als auch zur Durchflußrohrachse senkrecht ist.
Das freitragende Rohr der 9 unterscheidet sich vom Kreisel der 2 in mehrfacher Hinsicht. Die gesamte Achse des Kreisels der 2 dreht sich in 2 um denselben Betrag, während sich die Rotation der Durchflußrohrachse in der Antriebsebene längs seiner Länge verändert. Die Rotation des freitragenden Rohrs erhöht sich von null am festen Ende 904 auf ein Maximum am freien Ende 908. Die Kreiselkraft der 9, um das Durchflußrohr in Schwingungen zu versetzen, wird ebenfalls axial längs des Durchflußrohrs verteilt, mit einer Kraft von null am festen Ende und der maximalen Kraft am freien Ende. Die Gleichung für das Kreiseldrehmoment, Gleichung 1, gilt für das Drehmoment, das auf eine starre Achse übertragen wird, deren gesamte Achse sich um denselben Betrag dreht. Folglich trifft die Gleichung 1 nicht direkt auf eine Biegung des Durchflußrohrs zu.
Die Gleichung für das Kreiseldrehmoment auf ein sich biegendes Durchflußrohr wird mit Infinitesimalrechnung leicht bestimmt. Das Durchflußrohr wird in kleine Stücke mit verschwindend kleiner Länge und Masse unterteilt. Jedes kleine Stück kann als ein gerades Rohrstück behandelt werden, da die Krümmung so gering ist. Jedoch wird die Krümmung des gesamten verformten Rohrs benötigt, um den Betrag zu bestimmen, um den sich jedes Durchflußrohrsegment dreht. Glücklicherweise ist die verformte Form des schwingenden Durchflußrohrs nahezu dieselbe wie die verformte Form eines gleichmäßig belasteten freitragenden Balkens. Für einen gleichmäßig belasteten Balken ist die Verformung (Auslenkung aus der Horizontalen) proportional zum Kubik des Abstandes vom festen Ende. Für eine sinusförmige Schwingung ist die Geschwindigkeit proportional zur Auslenkung. Folglich ist die Geschwindigkeitsverteilung längs des Rohrs proportional zum Kubik des Abstandes vom festen Ende. Dies bedeutet, daß die Spitzenschwingungsgeschwindigkeit jedes Durchflußrohrsegments, das in der Gleichung 1 verwendet wird, ebenfalls proportional zum Kubik des Abstandes vom festen Rohrende ist, und außerdem, daß die Kreiselkraft G_F an jedem Segment proportional zum Kubik des Abstandes vom festen Ende ist. Die Verteilung der Kreiselkraft G_F längs des schwingenden Rohrs wird durch die Pfeile G_F gezeigt. Das Nettokreiseldrehmoment G_FL wird bestimmt, indem über das Drehmoment längs der Länge des Durchflußrohrs integriert wird. Die resultierende Gleichung für das Spitzenkreiseldrehmoment ist durch die Gleichung 2 gegeben. Gleichung 2
Wobei:

V_max: = Spitzengeschwindigkeit des Durchflußrohrendes.

Gleichung 2 zeigt, daß das Spitzendrehmoment am schwingenden freitragenden Durchflußrohr einfach ein Drittel des Drehmoments am rotierenden Kreisel der Gleichung 1 ist. Die Differenz des Wertes ist auf die Biegung des Durchflußrohrs im Vergleich zur einheitlichen Rotation der Kreiselachse zurückzuführen. Das Drehmoment aus Gleichung 2 ist wichtig, da es das Durchflußrohr aus der Antriebsebene (der X-Y-Ebene) dreht und für die Messung des Materialflusses sorgt.
Die Gleichung für die Kreiselkraft G_F, die auf das Durchflußrohr ausgeübt wird, über die Zeit ist einfach das Spitzendrehmoment mal den Kosinus der Schwingungsfrequenz mal die Zeit. Gleichung 3
Die 10 und 11 offenbaren Endansichten des schwingenden freitragenden Durchflußrohrs 901 der 9. 10 ist eine Endansicht des schwingenden Durchflußrohrs 901 ohne Materialfluß und folglich ohne Materialrotation. Der durchgezogene Kreis des Endes 908 stellt das Durchflußrohr mit Null-Auslenkung dar. Die gestrichelten Linien stellen die maximale Auslenkung in die positive und negative Richtung dar. Die Durchflußrohrschwingung bleibt ohne Materialfluß planar in der Antriebsebene. 11 ist eine Endansicht des schwingenden Durchflußrohrs 901 mit Materialfluß. Die Kreiselwirkung erzwingt die Schwingung des Durchflußrohrs 901 aus der vertikalen Ebene und in eine elliptische Bewegung. Die oberen und unteren gestrichelten Kreise 1101 und 1102 stellen die maximale Auslenkung in die positive und negative Antriebsrichtung dar. Die linken und rechten gestrichelten Kreise 1103 und 1104 stellen die maximale Auslenkung des Durchflußrohrs in die positive und negative Kreiselrichtung dar. Der mittlere durchgezogene Kreis stellt die Position des Rohrs in Ruhe dar, und der Pfeil innen zeigt die Richtung der Materialdrehung. Die Breite der Ellipse W, die durch die Kreise 1103–1104 gebildet wird, ist proportional zum Kreiseldrehmoment auf das Durchflußrohr 901. Die Breite W ist außerdem zur Masse des Materialflusses mal die Rotationsgeschwindigkeit des Materials (siehe Gleichungen 1–3) und folglich zum Massendurchsatz des Materials proportional. Die Ellipse wird zu einem Kreis, wenn das Nettokreiseldrehmoment gleich dem Drehmoment ist, das der Treiber auf das Durchflußrohr ausübt. Es sollte beachtet werden, daß die Antriebsauslenkung und die Kreiselauslenkung senkrecht aufeinander sind und daß wenn eine sich auf ihrem Maximum befindet, die andere sich auf null befindet. Die Summe der beiden planaren Schwingungen führt zu der elliptischen Bewegung, die in 11 gezeigt wird.
Das freitragende Durchflußrohr 901 der 9, 10 und 11 wird durch eine sinusförmige Kraft aus einem Treiber D in Schwingungen versetzt. Die Frequenz der sinusförmigen Kraft wird aus Gründen der Energieeffizienz so eingestellt, daß sie gleich der ersten Biegeschwingungsformresonanzfrequenz des Durchflußrohrs ist. Bei Resonanz ist eine sehr kleine Antriebskraft erforderlich, um eine große Schwingungsamplitude aufrechtzuerhalten. Die Resonanzfrequenz des Durchflußrohrs der Biegung ist aufgrund der Symmetrie des Durchflußrohrs sowohl in die Antriebs- aus auch Kreiselrichtung dieselbe. Die sinusförmige Kreiselkraft wird wie die Antriebskraft auf das Durchflußrohr durch das fließende Material bei der Resonanz-(Antriebs-)Frequenz ausgeübt. Da die Kreiselkraft auf das Durchflußrohr mit der Resonanzfrequenz des Durchflußrohrs in die Kreiselrichtung ausgeübt wird, ist das Ergebnis eine große Amplitude der Durchflußrohrverformung in die Kreiselrichtung.
12 und 13.
In einer bevorzugten Ausführungsform des gyroskopischen Durchflußmessers ist das Durchflußrohr an beiden Enden fixiert. Die 12 und 13 werden verwendet, um den Unterschied zwischen der Kreiselkraftverteilung an einem freitragenden Durchflußrohr und an einem Durchflußrohr darzustellen, das an beiden Enden fixiert ist. In 12 ist ein Durchflußrohr 1201 an beiden Enden 1202 und 1203 fixiert. Das Durchflußrohr 1201 enthält wie das freitragende Durchflußrohr 901 eine (nicht gezeigte) spiralförmige Ablenkplatte, die bewirkt, daß der Materialfluß rotiert. Das Durchflußrohr 1201 wird durch die gepunkteten Linien 1204 bei seiner maximalen Auslenkung in die Antriebsrichtung gezeigt. 13 zeigt ein Paar freitragender Rohre 1308L und 1308R, die jeweils zum freitragenden Rohr 901 der 9–11 ähnlich sind. Die freitragenden Rohre 1308L und 1308R werden ebenfalls durch gepunktete Linien 1205L und 1205R bei ihrer maximalen Auslenkung in die Antriebsrichtung gezeigt.
Ein Vergleich der Formen der ausgelenkten Rohre der 12 und 13 enthüllt einen bedeutenden Unterschied. Die Neigung der Achsen der freitragenden Rohre 1305L und 1395R nimmt kontinuierlich zu den freien (mittleren) Enden beider Rohre zu. Die Neigung der Achse des durchgehenden Rohrs 1201 nimmt jedoch anfänglich zu, nimmt aber dann an der Mitte des Rohrs auf null ab. Dieser Unterschied der Verformungsschwingungsform führt zu einem Unterschied des Betrags der Rohrmittenlinienrotation in der Antriebsebene während der Antriebsschwingung. Das durchgehende Durchflußrohr weist ein Mittelsegment auf, das sich nicht mit der Schwingung in der Antriebsebene dreht, sondern nur auf und ab translatiert. Das Fehlen der Rotation des Mittelsegments in der Antriebsebene bedeutet, daß durch das fließende und rotierende Material im Mittelsegment keine Kreiselkraft erzeugt wird. Im Gegensatz dazu weisen die freitragenden Rohre ihre maximale Neigung und folglich ihre größte Rotation und Kreiselkraft an ihren freien Enden auf.
14
14 zeigt die Kreiselkraftverteilung an einem Durchflußrohr mit einer (nicht gezeigten) spiralförmigen Ablenkplatte, bei der beide Enden fixiert sind. Das Durchflußrohr 1401 ist so orientiert, daß die Antriebsbewegung in und aus der Ebene des Papiers (die Y-Richtung) erfolgt. Der Antriebsmagnet D wird an der Durchflußrohrmitte gezeigt. Das Durchflußrohr wird an seiner ersten Biegeresonanzfrequenz angetrieben. Es wird ein Geschwindigkeitssensor 1405 unter der Durchflußrohrmitte gezeigt, wo er die Durchflußrohrgeschwindigkeit in der Kreiselrichtung messen kann. Das Durchflußrohr, das mit durchgezogenen Linien gezeigt wird, geht durch die Null-Auslenkung in der Kreiselrichtung (Z). Das Durchflußrohr, das mit gestrichelten Linien gezeigt wird, befindet sich an der maximalen Auslenkung in der Kreisel-(Z-)Richtung. Die Schwingung des Durchflußrohrs 1401 in der Antriebsebene (die in dieser Ansicht nicht sichtbar ist) führt dazu, daß die linke Hälfte der Durchflußrohrachse um ihr linkes Ende 1402 rotiert, während die rechte Hälfte der Durchflußrohrachse um ihr rechtes Ende 1403 rotiert. Die longitudinale Mitte des Rohrs rotiert nicht, sondern translatiert. Der rotierende Materialfluß bewirkt in Verbindung mit den Durchflußrohrschwingungen in der Antriebsebene, daß sowohl auf die Antriebsebene als auch auf die Durchflußrohrachse Kreiselkräfte auf das Durchflußrohr mit neunzig Grad ausgeübt werden. Die Verteilung der Kreiselkraft G_F (die Pfeile) wird längs des Durchflußrohrs 1401 gezeigt, wenn das Durchflußrohr durch den Null-Auslenkungspunkt in die Kreiselrichtung geht. Die Kreiselkraft befindet sich bei annähernd 25% und 75% längs der Länge des Durchflußrohrs auf ihrem Spitzenwert. Die Kraft geht an den Enden des Durchflußrohrs und an der Mitte aufgrund des Fehlens der Rohrachsenrotation in der Antriebsschwingungsform an diesen Stellen auf null.
Trotz der ungleichmäßigen Kraftverteilung wird das Durchflußrohr 1401 in seiner ersten Biegeschwingungsform (wie die Antriebsschwingungsform) in der Kreiselebene ausgelenkt. Die erste Biegeschwingungsform wird angeregt, da sie die einzige Schwingungsform ist, die eine Verformung aufweist, die vollständig in dieselbe Richtung geht (vollständig positiv oder vollständig negativ). Desweiteren wird die Kreiselkraft durch das Material mit der Antriebsfrequenz auf das Rohr ausgeübt. Die Antriebsfrequenz ist außerdem die Resonanzfrequenz der ersten Biegeschwingungsform in die Kreiselrichtung. Die Kreiselantwort in der ersten Biegeschwingungsform ist groß, da das Rohr durch die Kreiselkraft auf oder nahe der Resonanz angetrieben wird. 15
15 zeigt eine bevorzugte exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie weist einen Ausgleichsstab 1502 auf, der durch Verbindungsringe 1503 und 1504 an den Enden des Ausgleichsstabs 1502 mit dem Durchflußrohr 1501 verbunden ist. Der Ausgleichsstab und das Durchflußrohr der 15 werden durch den Treiber D gegenphasig angetrieben, der sie mit ihrer gegenseitigen Resonanzfrequenz in der Antriebsebene (senkrecht zur Ebene des Papiers) antreibt. Der Ausgleichsstab 1502 ist dazu bestimmt, sowohl in die Antriebs- als auch Kreiselrichtung ein Gegengewicht zum Durchflußrohr 1501 zu bilden und dadurch Bereiche (Knoten) an den Enden des aktiven Abschnitts des Durchflußrohrs zu fixieren, wo das Durchflußrohr mit den Verbindungsringen 1503 und 1504 verbunden ist. Die Resonanzfrequenz der ersten Biegeschwingungsform des Ausgleichsstabs 1502 ist gleich oder geringfügig kleiner als die Resonanzfrequenz der ersten Biegeschwingungsform des Durchflußrohrs 1501. Der Ausgleichsstab 1502 kann ein Rohrelement mit einer Resonanzfrequenz sein, die durch zusätzliche Massen und Ausschnitte 1514 abgesenkt wird. Der Ort und Einfluß der Ausschnitte wird später in Verbindung mit 18 erläutert. Der Ausgleichsstab der 15 kann auch eine Symmetrie in vier Richtungen (beide Richtungen in den Antriebs- und Kreiselkraftebenen) aufweisen, so daß er in die Antriebs- und Kreiselrichtung gleiche Resonanzfrequenzen aufweist. Wenn die Resonanzfrequenzen gleich sind, wird die Kreiselschwingungsamplitude und folglich die Durchflußempfindlichkeit des Messers maximiert.
Mit einem Materialfluß regt die Kreiselkraft das Durchflußrohr 1501 an, mit derselben (Antriebs-)Frequenz in der Kreiselrichtung (in der Ebene des Papiers) zu schwingen. Die Bewegung des Durchflußrohrs 1501 in die Kreiselrichtung unter neunzig Grad zur Antriebsrichtung regt über die Verbindungsringe 1503, 1504, die die Enden des Ausgleichsstabs 1502 an den Enden des aktiven Abschnitts des Durchflußrohrs 1501 befestigen, den Ausgleichsstab in die Kreiselrichtung an. Da er auf oder nahe seiner Resonanzfrequenz angetrieben wird, schwingt der Ausgleichsstab phasenverschoben zum Durchflußrohr in die Kreiselrichtung und erhöht seine Amplitude, bis er ein Gegengewicht zur Kreiselbewegung des Durchflußrohrs bildet. Folglich wird das Durchflußrohr 1501 sowohl in der Antriebsebene als auch der Kreiselebene in Schwingungen versetzt und wird in beide Richtungen durch den Ausgleichsstab 1502 dynamisch ausbalanciert.
Im Gegensatz dazu werden Coriolis-Durchflußmesser mit einem einzelnen Durchflußrohr nur in der Antriebsschwingungsform dynamisch ausbalanciert. Die meisten kommerziellen Coriolis-Durchflußmesser weisen kein Gegengewicht für die Corioliskraft auf. Die Corioliskraft wird auf das Durchflußrohr mit der Antriebsfrequenz und in der Antriebsebene ausgeübt, jedoch weist die Corioliskraft auf jeder Seite des Treibers entgegengesetzte Vorzeichen auf. Diese Corioliskraftverteilung versucht, die zweite Biegeschwingungsform des Ausgleichsstabs und Gegengewichts der Corioliskraft anzuregen. Jedoch beträgt die Resonanzfrequenz der zweiten Biegeschwingungsform des Ausgleichsstabs nahezu das dreifache der Antriebsfrequenz. Folglich wird der Ausgleichsstab nicht in der zweiten Biegeschwingungsform angeregt, und die Corioliskräfte werden nicht vollständig ausgeglichen. Der Ausgleichsstab mit verbesserter Empfindlichkeit, der im US-Patent. 5,987,999 offenbart wird, ist eine Ausnahme, da er sich diesem Problem zuwendet. Beim im US-Patent. 5,987,999 behandelten Ausgleichsstab ist die Ausgleichsstabresonanzfrequenz für die zweite Biegeschwingungsform abgesenkt, so daß sie nahe der Antriebsfrequenz liegt. Bei den anderen kommerziellen Durchflußmessern wird aufgrund der Frequenztrennung die zweite Biegeschwingungsform des Ausgleichsstabs nicht ausreichend angeregt, und die Corioliskraft wird nicht ausgeglichen. Der Gegengewichtsmangel ist ein Problem für Coriolis-Messer, da er zu einem Messerschütteln führt und zu einer Messerungenauigkeit führt. Der gyroskopische Messer leidet nicht unter diesem Problem, da die Kreiselschwingung des Durchflußrohrs durch den Ausgleichsstab ausgeglichen wird.
Es werden Corioliskräfte im schwingenden Durchflußrohr des gyroskopischen Messers erzeugt. Sie haben jedoch keinen Einfluß auf die gyroskopische Messung, da sie und die resultierende Coriolisauslenkung des Durchflußrohrs sich in der Antriebsebene befinden und durch den zentral angeordneten Kreiselgeschwindigkeitssensor nicht gesehen werden. Desweiteren hat eine unausge glichene Schwingung in der Antriebs-/Coriolis-Ebene keinen Einfluß auf die Kreiselamplitudenmessung in der Kreiselebene.
Der Messer der 15 weist einen Antriebsmagneten D und eine (nicht gezeigte) Antriebsspule an der longitudinalen Mitte des Durchflußrohrs und des Ausgleichsstabs auf. Ein Antriebsamplitudenaufnehmer (Geschwindigkeitssensor) 1508 ist auf der zum Antriebsmagneten gegenüberliegenden Seite des Durchflußrohrs angeordnet. Der Antriebsamplitudenaufnehmer weist eine Ausgabe auf, die proportional zur Geschwindigkeit oder Schwingungsamplitude des Durchflußrohrs 1501 bezüglich des Ausgleichsstabs 1502 in die Antriebsrichtung ist. Er wird verwendet, um die Antriebsamplitude des schwingenden Durchflußrohrs zu steuern.
Ein Kreiselamplitudenaufnehmer (Geschwindigkeitssensor) 1511 ist an der Mitte des Durchflußrohrs 1501 und unter neunzig Grad zum Treiber D angeordnet. Dieser Geschwindigkeitssensor weist eine Ausgabe auf, die proportional zur Geschwindigkeit oder Schwingungsamplitude des Durchflußrohrs bezüglich des Ausgleichsstabs in der Kreiselrichtung ist. Da die Durchflußrohrschwingungsamplitude in der Kreiselrichtung sowohl zur Antriebsamplitude als auch zum Massendurchsatz proportional ist, kann die Kreiselgeschwindigkeitssensorausgabe nicht allein als Anzeige des Massendurchsatzes verwendet werden. Die Antriebsschwingungsamplitude muß ebenfalls bekannt sein. Das bevorzugte Verfahren steuert die Antriebsschwingungsamplitude nicht genau, stattdessen mißt es die Antriebsschwingungsamplitude genau. Das Verhältnis der Amplitudenausgabe des Kreiselgeschwindigkeitsaufnehmers 1511 geteilt durch die genau gemessene Amplitudenausgabe des Antriebsaufnehmers 1508 wird verwendet, um den Massendurchsatz zu bestimmen. Dieses Verfahren mißt im wesentlichen das Seitenverhältnis des elliptischen Weges, den das Durchflußrohr nimmt. Das Seitenverhältnis der Ellipse ist proportional zum Massendurchsatz und ist unabhängig von der Ellipsengröße und der Antriebsamplitude.
Der Durchflußmesser 1500 der 15 weist ein Durchflußrohr 1501 und einen Ausgleichsstab 1502 auf, dessen Enden durch Verbindungsringe 1503 und 1504 mit dem Durchflußrohr 1501 verbunden sind. Die inaktiven Durchflußrohrabschnitte 1501L und 1501R des Durchflußrohrs 1501 stehen axial nach außen über die Verbindungsringe 1503 und 1504 und durch Enden 1509 eines Gehäuses 1505 vor. Die Rohre enden in Flanschen 1506 und 1507. Gehäuseverbindungsglieder 1512 verbinden die Enden des Ausgleichsstabs 1502 mit der Innenwand 1519 des Gehäuses 1505.
Eine Meßelektronik 1520 steuert den Betrieb des Durchflußmessers 1500. Dabei schickt sie Signale über einen Weg 1521, um den Treiber D zu betätigen, der das Durchflußrohr 1501 und den Ausgleichsstab 1502 gegenphasig in einer Ebene senkrecht zur Ebene des Papiers in Schwingungen versetzt. Die Amplitude der Antriebsschwingung wird durch den Antriebsaufnehmer 1508 gemessen, und das Antriebsschwingungssignal wird längs des Weges 1522 zur Elektronik 1520 geleitet. Mit einem Materialfluß durch das schwingende Durchflußrohr werden Kreiselkräfte erzeugt, wie vorhergehend beschrieben. Diese Kräfte versetzen das Durchflußrohr und den Ausgleichsstab gegenphasig in der Ebene des Papiers in Schwingungen. Diese Kreiselschwingungen werden durch den Aufnehmer 1511 detektiert, und die durch ihn erzeugten Signale werden über den Weg 1523 zur Meßelektronik 1520 geschickt. Die Meßelektronik verarbeitet die über die Wege 1522 und 1523 empfangenen Informationen und erzeugt Ausgangssignale über den Weg 1526, die Information enthalten, die den Materialfluß betreffen. Elemente 1510 weisen den Hals der Flansche 1507 und 1506 auf.
Der gyroskopische Durchflußmesser 1500 kann ein Ausgleichsstab- und Durchflußrohrpaar mit einer Resonanzfrequenz in der Antriebsrichtung aufweisen, die anders als seine Resonanzfrequenz in der Kreiselrichtung ist. Eine Ausführungsform mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen für die Antriebs- und Kreiselrichtung kann gegenüber einer Ausführungsform Vorteile haben, in der die Resonanzfrequenzen gleich sind. Zum Beispiel kann ein Messer mit ungleichen Resonanzfrequenzen verwendet werden, um eine Änderung der Messerdurchflußempfindlichkeit mit der Dichte des fließenden Materials auszugleichen.
Die Änderung der Empfindlichkeit mit der Dichte ist in Coriolis-Messern üblich und ist auch in gyroskopischen Durchflußmessern mit gleichen Resonanzfrequenzen in der Antriebs- und Kreiselrichtung vorhanden. Die Änderung der Empfindlichkeit ist auf die Änderung des Amplitudenverhältnisses zwischen dem Durchflußrohr und dem Ausgleichsstab in der Antriebsschwingungsform mit der Dichte zurückzuführen. Die Amplitudenverhältnisänderung hilft, das Messer ausgeglichen zu halten, indem die Durchflußrohrantriebsamplitude gesenkt wird, wenn die Materialdichte zunimmt, und die Ausgleichsstabantriebsamplitude erhöht wird, um dieselbe kombinierte Schwingungsamplitude beizubehalten. Diese Amplitudenverhältnisverschiebung hält das Messergleichgewicht in der Antriebsebene durch Impulserhaltung aufrecht. Mit zunehmender Dichte bewegt sich das schwerere Rohr weniger, und der unveränderte Ausgleichsstab bewegt sich mehr. Die Amplitudenverhältnisverschiebung mit der Dichte ist der Geometrie einer guten Durchflußmessergestaltung eigen. Jedoch führt die Abnahme der Durchflußrohramplitude zu einer niedrigeren Kreiselkraft, die für denselben Durchsatz erzeugt wird. Die niedrigere Kreiselkraft bedeutet, daß die Rohrschwingungsamplitude in der Kreiselrichtung für ein Material mit hoher Dichte niedriger als für ein Material mit niedriger Dichte ist. Das Nettoergebnis ist, daß der gyroskopische Durchflußmesser eine niedrigere Durchflußempfindlichkeit für ein dichteres fließendes Material als für ein weniger dichtes aufweist. Dieser Effekt wird im US-Patent 5,969,265 im Detail erläutert.
Eine Art, die Änderung der Messerdurchflußempfindlichkeit mit der Dichte auszugleichen, ist es, das Messer so zu gestalten, daß die Resonanzfrequenz in der Antriebsrichtung über der Resonanzfrequenz in die Kreiselrichtung liegt. Das Material mit höherer Dichte bewirkt, daß die Antriebsschwingungsfrequenz abnimmt. Wenn die Resonanzfrequenz in der Kreiselrichtung aus reichend unter der Antriebsfrequenz liegt, dann bewirkt die Senkung der Antriebsfrequenz, daß die Kreiselkraft mit einer Frequenz ausgeübt wird, die näher an der Kreiselresonanzfrequenz liegt. Da die Verstärkung einer Schwingung zunimmt, wenn sich die Antriebsfrequenz der Resonanzfrequenz des schwingenden Elements nähert, bewirkt diese Absenkung der Antriebsfrequenz, daß die Amplitude der Schwingung in der Kreiselrichtung zunimmt und die Abnahme der Amplitude aufhebt, die durch die Zunahme der Materialdichte bewirkt wird.
Die Resonanzfrequenzen in der Antriebs- und Kreiselebene werden leicht getrennt, indem die dynamische Struktur in der Antriebsrichtung steifer oder flexibler als in der Kreiselrichtung gemacht wird. Zum Beispiel weist der Ausgleichsstab der 15 Aussparungen 1514 im Ausgleichsstab an einer Stelle auf, die eine niedrige Biegebelastung in der Antriebsschwingungsform und eine hohe Biegebelastung in der Kreiselschwingungsform aufweist. Löcher an dieser Stelle senken die Kreiselresonanzfrequenz, während die Antriebsresonanzfrequenz im wesentlichen unverändert bleibt. 16
16 offenbar einen Durchflußmesser 1600, der in fast jeder Hinsicht zum Durchflußmesser 1500 der 15 ähnlich ist. Der Durchflußmesser 1600 wird mit Bezugszahlen in der 1600-Reihe in einer Weise bezeichnet, die ihre Entsprechung zu den entsprechenden Elementen der 15 anzeigt, die Zahlen in der 1500-Reihe aufweist. Der Durchflußmesser 1600 reagiert auf die Erzeugung von Kreiselkräften in derselben Weise, wie es der Durchflußmesser 1500 tut, und schickt Signale über die Wege 1622 und 1623, die Kreisel- und Antriebsschwingungsamplituden repräsentieren, die wiederum den Materialdurchsatz im Durchflußmesser 1600 repräsentieren. Ein Unterschied zwischen den Durchflußmessern der 15 und 16 ist, daß der Durchflußmesser 15 Aussparungen im Ausgleichsstab verwendet, um die Kreiselresonanzfrequenz unter die Antriebsfrequenz zu senken, wohingegen der Durchflußmesser der 16 Ansätze 1616 an den Verbindungsringen 1604 verwendet, um die Antriebsfrequenz anzuheben. Beide Verfahren dienen derselben Funktion, die darin besteht, die Resonanzfrequenzen in der Antriebs- und Kreiselrichtung zu trennen, und dadurch die Durchflußmesserempfindlichkeit unabhängig von der Materialdichte zu machen. Die Verbindungsringe 1616 werden im Detail in 17 erläutert.
Ein anderer Unterschied zwischen den Durchflußmessern der 15 und 16 ist, daß der Durchflußmesser 1600 zusätzlich Aufnehmer LP0 und RP0 aufweist, die am Durchflußrohr 1601 befestigt sind. Diese Aufnehmer reagieren auf die Corioliskräfte, die durch die Schwingungen des Durchflußrohrs 1601 mit einem Materialfluß erzeugt werden. Die Corioliskräfte werden durch die Aufnehmer LP0 und RP0 detektiert und über die Wege 1624 und 1625 zur Meßelektronik 1620 übertragen, die den Durchsatz unter Verwendung der Coriolis-Signaleingabe bestimmt. Folglich bestimmt die Meßelektronik 1620 den Durchsatz unter Verwendung zweier getrennter Verfahren: Coriolis- und Kreiselkräfte. Die beiden Durchsätze, die aus unabhängigen Sensoreingaben und Verfahren berechnet werden, können verwendet werden, um die Genauigkeit durch Mittelwertbildung oder Fehlerprüfung zu steigern. Zum Beispiel kann es in einigen Betriebsumständen, wie extremen Temperaturbedingungen sein, daß die beiden Informationssätze nicht übereinstimmen, und in solchen Fällen können die Ausgabeinformationen eines Satzes zur Ausschließung des anderen verwendet werden. In anderen Betriebsumständen können die beiden Sätze von Ausgabeinformationen kombiniert und ihr Durchschnitt gebildet werden, um eine Materialflußinformation mit verbesserter Genauigkeit an den Weg 1626 zu liefern. Desweiteren kann die Verwendung zweier Verfahren der Durchflußmessung die Zuverlässigkeit des Durchflußmessers erhöhen, indem ein Ersatz bereitgestellt wird, sollte eine Meßeinrichtung versagen.
17
17 offenbart einen Verbindungsring 1700, der vorteilhaft für die Verbindungsringe 1503, 1504, sowie 1603 und 1604 der Durchflußmesser 1500 und 1600 in den 15 und 16 ver wendet werden kann. Der Verbindungsring 1700 ist im wesentlichen ein kreisförmiges. Element mit einer kreisförmigen Außenfläche 1701 mit einer Mittelöffnung 1706 sowie vorstehenden Seitenelementen 1616. Der Verbindungsring 1700 wird über Durchflußrohre 1501 und 1601 angebracht, wobei sich die Durchflußrohre durch die kreisförmige Öffnung 1706 erstrecken. Die Innenfläche 1707 wird durch Hartlöten oder dergleichen an der Außenfläche der Durchflußrohre befestigt. Die Außenfläche 1701 des Verbindungsrings 1700 wird durch Hartlöten oder dergleichen an der Innenwand 1519 und 1619 der Ausgleichsstäbe 1502 und 1602 gekoppelt. Eine Hauptfunktion der Verbindungsringe 1700 ist es, einen Weg bereitzustellen, um die Schwingungen der Enden der Ausgleichsstäbe an die Durchflußrohre zu koppeln.
Die Verbindungsringe 1700 werden auf die Durchflußrohre aufgesetzt, so daß die vorstehenden Seitenabschnitte 1616 sich am Oberteil und Unterteil der Durchflußrohre befinden, wie in 16 gezeigt. Die vorstehenden Abschnitte verkürzen die Schwingungslänge des Durchflußrohrs insofern als die Antriebsschwingungsresonanzfrequenz betroffen ist, während sie die Schwingungslänge und folglich die Resonanzfrequenz in der Kreiselrichtung unbeeinflußt lassen. Dies ändert die Resonanzfrequenztrennung der Antriebsschwingungen bezüglich der Resonanzfrequenz der Kreiselschwingungen. Die Frequenztrennung ermöglicht es, daß die Durchflußmesser Änderungen der Durchflußempfindlichkeit mit der Dichte kompensieren. Es sind Verbindungsringvorsprünge am Oberteil und Unterteil des Durchflußrohrs befestigt, wie in 16 gezeigt, wenn es erwünscht ist, die Antriebsfrequenz bezüglich der Kreiselfrequenz anzuheben. Umgekehrt wird der Verbindungsring 1700 gedreht, so daß die vorstehenden Seitenabschnitte 1703 an den Seiten des Durchflußrohrs befestigt werden, wie in 15 gezeigt, wenn es erwünscht ist, die Kreiselfrequenz bezüglich der Antriebsfrequenz anzuheben.
18
18 offenbart einen Ausgleichsstab 1800 mit gesenkten Resonanzfrequenzen. An der longitudinalen Mitte des Ausgleichsstabs befinden sich sowohl in die Kreiselrichtung als auch die Antriebsrichtung Löcher. Es sind nur die Löcher 1805, 1809 und 1811 sichtbar, jedoch versteht es sich, daß es zwei unsichtbare Löcher gegenüber den Löchern 1805 und 1809 gibt. Diese Symmetrie in vier Richtungen senkt die Resonanzfrequenzen sowohl in die Antriebs- als auch Kreiselrichtung gleichmäßig.
Wenn wir voraussetzen, daß die Achse des Lochs 1805 in der Antriebsrichtung verläuft, dann sind die anderen beiden Lochpaare 1810, 1806 und 1808, 1807 so angeordnet, daß ihre Achsen in die Kreiselrichtung verlaufen. Ihre Positionen setzen sie auf die neutrale Achse in der Antriebsschwingungsform. Dies führt zu einem kleinen Einfluß auf die Antriebsschwingungsformresonanzfrequenz. Die beiden Lochpaare befinden sich jedoch auf den Seiten des Ausgleichsstabs, die in der Kreiselschwingungsform die Spitzenbelastung aufweisen. Ihre Position reduziert die Resonanzfrequenz in der Kreiselschwingungsform. Die Senkung der Ausgleichsstabfrequenz in die Kreiselrichtung durch die Verwendung dieser Löcher trennt die Resonanzfrequenz in die Antriebsrichtung von der Resonanzfrequenz in die Kreiselrichtung und erhöht dabei die Fähigkeit des Durchflußmessers, die Änderungen der Durchflußempfindlichkeit mit der Dichte zu kompensieren.
19
Die Meßelektronik 1900 in 19 offenbart weitere Details einer Ausführungsform der Meßelektronik 1520 in 15. Die Ausführungsform 1900 legt ein Antriebssignal über den Weg 1521 an den Treiber D in 15 an, um das Durchflußrohr 1501 und den Ausgleichsstab 1502 gegenphasig in Schwingungen zu versetzen. Dieses Antriebssignal wird durch ein Treiberamplitudensteuerelement 1901 erzeugt. Die Ausführungsform 1900 empfängt außerdem über die Wege 1522 und 1523 Aufnehmersignale. Das auf dem Weg 1522 empfangene Signal wird aus dem Ausgang des Trei beraufnehmers 1508 empfangen und wird an ein Element 1902 angelegt. Das Element 1902 schickt das auf dem Weg 1522 empfangene Signal über den Weg 1905 zum Treiberamplitudensteuerelement 1901. Dieses Signal ermöglicht es dem Element 1901, das erforderliche Signal für den Treiber D an 15 zu erzeugen. Das Element 1902 schickt außerdem das Treiberaufnehmerausgangssignal auf dem Weg 1522 über den Weg 1904 zu einem Element 1907.
Das Element 1903 empfängt die Kreiselaufnehmerausgabe des Elements 1511 über den Weg 1523. Dieses Signal repräsentiert die Amplitude der Kreiselschwingungsformauslenkungen des Durchflußrohrs 1501 in der Kreiselebene. Das Element 1903 schickt dieses Signal über den Weg 1906 zum Element 1907, das das Verhältnis des Kreiselaufnehmersignals auf dem Weg 1523 zum Treiberaufnehmersignal auf dem Weg 1522 bestimmt. Das Element 1907 schickt das bestimmte Verhältnis über den Weg 1908 zum Element 1909, das den Massendurchsatz des fließenden Materials unter Verwendung des Ausdrucks erzeugt, der im in Rechteck 1909 gezeigt wird, wobei M der Massendurchsatz ist. Der berechnete Massendurchsatz wird dann über den Weg 1526 zu einer nicht gezeigten Auswertungsschaltung geschickt.
20
20 offenbart eine zweite mögliche exemplarische Ausführungsform der Meßelektronik 1520 in 15. Es ist beschrieben worden, wie die Ausführungsform 1900 der in 19 gezeigten Meßelektronik 1520 den Massendurchsatz unter Verwendung einer Bestimmung des Verhältnisses der Kreiselschwingungsamplitude zur Schwingungsamplitude des Treibers berechnet. Die Ausführungsform 2000 in 20 für die Meßelektronik 1520 erzeugt Massendurchsatzinformationen in einer Weise, die keine Bestimmung der Antriebsamplitude benötigt, wie es für die Ausführungsform 1900 der Fall ist. Ein Treiberaufnehmerregister 2003 in 20 empfängt über den Weg 1522 ein Signal vom Treiberaufnehmerelement 1508 und schickt das empfangene Signal über den Weg 2002 zu einer Treiberamplitudensteuerung 2001, die wiederum ein Signal einer präzise gesteuerten Amplitude über den Weg 1521 zu Treiber D der 15 sendet. Die Treiberamplitudensteuerung 2001 unterscheidet sich von ihrem Gegenstückelement 1901 in 19 darin, daß die Signalamplitude des Antriebssignals, das durch das Element 2001 erzeugt wird, mit Präzision gesteuert wird. Das Element 2000 benötigt daher keine Bestimmung des Amplitudenverhältnisses des Kreiselschwingungsformsignals zum Antriebsschwingungsformsignal, um den Massendurchsatz zu berechnen. Da die Amplitude der Treiberamplitudensteuerung 2001 mit Präzision gesteuert wird, ist sie im voraus bekannt und kann intern durch ein Element 2007 verwendet werden, um den Massendurchsatz zu berechnen, wobei nur das Signal verwendet wird, das die Amplitude der Kreiselschwingungsformschwingung des Durchflußrohrs 1501 repräsentiert. Diese Information wird vom Kreiselaufnehmer 1511 in 15 empfangen, wird über den Weg 1523 zum Kreiselaufnehmerelement 2004 geschickt und wird dann über den Weg 2006 weiter zum Element 2007 geschickt. Das Element 2007 empfängt die Kreiselschwingungsformschwingungsamplitude und verwendet sie direkt in der Berechnung des Massendurchsatzes. Diese Massendurchsatzinformation wird dann über den Weg 1526 zu einer nicht gezeigten Auswertungsschaltung geschickt.
21
21 repräsentiert eine mögliche bevorzugte exemplarische Ausführungsform 2100 der Meßelektronik 1620 in 16. Man wird sich daran erinnern, daß der Durchflußmesser der 16 Materialflußinformationen unter Verwendung von Signalen erzeugt, die die Coriolis-Auslenkungen des Durchflußrohrs 1601 repräsentieren, sowie durch die Verwendung von Signalen, die die Auslenkungen des Durchflußrohrs 1601 in der Kreiselebene repräsentieren. Die Coriolis-Signale werden durch die Aufnehmer LP0 und RP0 erzeugt und über die Wege 1624 und 1625 zur Meßelektronik 1620 und insbesondere zu einem Element 2114 geschickt. Die Kreiselschwingungsformmaterialflußinformation wird durch den Aufnehmer 1611 in 16 erzeugt und über den Weg 1623 zu einem Element 2106 übertragen. Die Ausführungsform 2100 erzeugt außerdem ein Antriebssignal für den Treiber D in 16. Dieses Signal wird durch eine Treiberamplitudensteuerung 2101 erzeugt und über den Weg 1621 zum Treiber D geschickt. Der Weg 1622 empfängt ein Signal, das die Schwingungsamplitude des Treibers D der 16 repräsentiert. Dieses Signal wird über den Weg 1622 zu einem Treiberaufnehmerregister 2103 geschickt, das wiederum das Signal über die Wege 2102 und 2104 zu den Elementen 2101 und 2108 schickt. Das Signal auf dem Weg 2101 steuert die Amplitude des Antriebssignals, das durch das Element 2101 erzeugt wird. Das Signal auf dem Weg 2104 legt Treiberamplitudeninformationen an das Element 2108 an. Ein Signal, das die Amplitude der Kreiselschwingungsformschwingungen des Durchflußrohrs 1601 repräsentiert, wird durch das Kreiselaufnehmerausgangselement 1611 an den Weg 1623 angelegt. Das Signal auf dem Weg 1623 wird zum Element 2106, und über den Weg 2107 zum Element 2108 geschickt. Das Element 2108 arbeitet in der Weise, die für das Element 1907 der 19 beschrieben wird, um das Amplitudenverhältnis des Kreiselschwingungsformsignals zum Antriebsschwingungsformsignal zu bestimmen. Dieses bestimmte Verhältnis wird über den Weg 2109 zu einem Element 2111 geschickt, das auf dieselbe Weise, wie es das Element 1909 tut, Massendurchsatzinformationen erzeugt. Die Kreiselmassendurchsatzinformationen werden dann über den Weg 2112 zu einem Element 2113 geschickt, dessen Funktion anschließend beschrieben wird.
Es werden Coriolis-Schwingungsformausgangssignale über die Wege 1624 und 1625 durch ein Element 2114 empfangen. Diese Signale werden dann über den Weg 2116 zum Element 2117 geschickt, das die Zeitdifferenz Δt zwischen den Coriolis-Signalen aus dem Aufnehmer LP0 und jenen aus dem Aufnehmer RP0 der 16 mißt. Diese Zeitdifferenzinformation wird über den Weg 2118 zu einem Element 2119 geschickt, das den Massendurchsatz unter Verwendung des angegebenen Ausdrucks berechnet, wobei der Betrag der Zeitdifferenz Δt proportional zum Betrag des Massendurchsatzes M ist. Die Massendurchsatzinformation aus dem Element 2119 wird über den Weg 2121 zum Element 2113 geschickt.
Das Element 2113 empfängt Informationen aus zwei unterschiedlichen Quellen, die den Materialmassendurchsatz repräsentieren. Die auf dem Weg 2121 empfangene Information repräsentiert den Massendurchsatz, der durch die Verwendung der Coriolis-Schwingungsformauslenkungen des Durchflußrohrs 1601 bestimmt wird. Das Signal auf dem Weg 2112 repräsentiert den Massendurchsatz, der durch die Verwendung der Amplitude der Kreiselschwingungsformauslenkungen des Durchflußrohrs 1601 bestimmt wird. Das Element 2113 empfängt die beiden Massendurchsatzdatensätze und vergleicht sie, um festzustellen, ob ihre Daten übereinstimmen. Das Element 2113 dient außerdem im Fall einer Nicht-Übereinstimmung dieser Daten dazu, eine Fehlerprüfung durchzuführen sowie die Daten unter Verwendung von Kompensationstechniken zu korrigieren.
Es kann erkannt werden, daß der gyroskopische Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung darin vorteilhaft ist, daß der Durchsatz proportional zum Verhältnis zwischen zwei Spannungen (Ausgaben der Geschwindigkeitssensoren) ist, die ausreichend groß gemacht werden können, um eine genaue Durchflußmessung mit einer einfachen Elektronik zu ermöglichen. Die Elektronik kann sehr viel kostengünstiger und robuster als jene sein, die für Coriolis-Durchflußmesser erforderlich ist. Außerdem wird der gyroskopische Durchflußmesser leicht so gestaltet, daß er eine Durchflußempfindlichkeit aufweist, die von der Materialdichte unabhängig ist.
Es versteht sich ausdrücklich, daß die beanspruchte Erfindung nicht auf die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform beschränkt ist, sondern andere Modifikationen umfaßt. Obwohl zum Beispiel die vorliegende Erfindung so offenbart worden ist, daß sie einen Teil eines Durchflußmessers mit einem einzelnen geraden Rohr aufweist, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist und mit anderen Typen von Durchflußmessern verwendet werden kann, einschließlich Durchflußmessern mit einem einzelnen Rohr mit unregelmäßiger oder gekrümmter Gestaltung sowie Durchflußmessern mit mehreren Durchflußrohren. Der Ausdruck „Achse", wie er hierin verwendet wird, sollte so verstanden werden, daß es sich um eine imaginäre oder reale gerade Linie handelt, um die ein Gegenstand tatsächlich oder vermeintlich rotiert.

Claims

Durchflußmesser (1500, 1600) mit einem Materialeinlaß (1506, 1606), einem Materialauslaß (1507, 1607) und einer Durchflußrohrvorrichtung (1501, 1601), die zwischen dem Einlaß und dem Auslaß geschaltet ist, wobei der Durchflußmesser eingerichtet ist, am Einlaß einen Materialfluß aufzunehmen und den Materialfluß durch die Durchflußrohrvorrichtung zum Auslaß zu leiten; wobei der Durchflußmesser ferner aufweist: einen Treiber (D), der die Durchflußrohrvorrichtung periodisch verformt, indem er die Durchflußrohrvorrichtung mit einer Antriebsfrequenz in einer Antriebsebene in Schwingungen versetzt, die eine Längsachse der Durchflußrohrvorrichtung aufweist; eine Vorrichtung, d. h. Übertragungsvermittlung, die auf den Materialfluß in der Durchflußrohrvorrichtung eine Rotation um die Längsachse (310, 410, 510, 610, 710, 810) der schwingenden Durchflußrohrvorrichtung überträgt; wobei die Übertragungsvorrichtung die Durchflußrohrvorrichtung aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß: die Durchflußrohrvorrichtung auf die periodische Verformung der Durchflußrohrvorrichtung durch den Treiber und auf die Rotation des Materialflusses anspricht, um eine periodische Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung in einer Kreiselebene zu induzieren; die Kreiselmodusverformung eine Amplitude aufweist, die mit der Größe des Materialflusses in Beziehung steht; eine Aufnehmervorrichtung (1511, 1611) auf die periodische Kreiselmodusverformung anspricht, um Kreiselsignale zu erzeugen, die für die Größe des Materialflusses kennzeichnend sind; die Aufnehmervorrichtung einen ersten Aufnehmer aufweist, der Signale erzeugt, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung repräsentieren; die Aufnehmervorrichtung ferner einen zweiten Aufnehmer (1508, 1608) aufweist, der Signale erzeugt, die die Amplitude der periodischen Durchflußrohrverformung in der Antriebsebene repräsentieren; eine Vorrichtung (1907, 2108) eine Meßelektronik (1520, 1620) aufweist, die auf den Empfang der Signale anspricht, die durch den ersten und zweiten Aufnehmer erzeugt werden, um das Verhältnis der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung des Durchflußrohrs in der Kreiselebene zur Amplitude der periodischen Durchflußrohrverformung in der Antriebsebene zu bestimmen; und eine Vorrichtung (1909, 2111) die Meßelektronik aufweist, die auf die Bestimmung des Verhältnisses anspricht, um die Ausgabeinformationen zu erzeugen, die den Materialfluß betreffen.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeinformationen den Massendurchsatz des Materialflusses aufweisen.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmesser ferner den ersten Aufnehmer (1511, 1611) aufweist, der Signale erzeugt, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung des Durchflußrohrs in der Kreiselebene repräsentieren; wobei die Meßelektronik aufweist: eine Vorrichtung (2001), die die Amplitude der periodischen Durchflußrohrverformung in der Antriebsebene steuert; und eine Vorrichtung (2007), die auf die Erzeugung von Signalen anspricht, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung des Durchflußrohrs in der Kreiselebene repräsentieren, um den Massendurchsatz des Materialflusses zu bestimmen.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsfrequenz gleich der Resonanzfrequenz der periodischen Kreiselmodusverformung ist, um die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu maximieren.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsfrequenz nicht gleich der Resonanzfrequenz der Kreiselmodusverformung ist, um die Beziehung zwischen der Materialflußdichte und der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu ändern.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrohrvorrichtung aufweist: ein einzelnes gerades Durchflußrohr (400); eine Spirale (300) innerhalb des Durchflußrohrs, wobei die Spirale die Rotation auf den Materialfluß um die Längsachse (310) des Durchflußrohrs überträgt, um die periodische Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu erzeugen.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrohrvorrichtung aufweist: ein einzelnes Durchflußrohr (800) mit einer Spiralform, das die Rotation um die Längsachse (810) des Durchflußrohrs auf den Materialfluß überträgt.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrohrvorrichtung aufweist: mehrere Durchflußrohre (500), die um eine gemeinsame Längsachse miteinander verdrillt sind, so daß sie eine längliche Form aufweisen, die die Rotation um die gemeinsame Längsachse (510) auf den Materialfluß überträgt.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrohrvorrichtung aufweist: einen Stab (604, 704) und ein Durchflußrohr (601, 701), das auf den Stab gewickelt ist, um eine Spule zu bilden, die die Rotation um die gemeinsame Längsachse (610, 710) des Durchflußrohrs und des Stabs auf den Materialfluß überträgt.
Durchflußmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Stab (704) im wesentlichen gerade ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (702) und das Durchflußrohr (701) um die gemeinsame Längsachse miteinander verdrillt sind.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, wobei der Materialfluß Corioliskräfte in der Antriebsebene an der schwingenden Durchflußrohrvorrichtung erzeugt, wobei die Corioliskräfte Coriolis-Auslenkungen der Durchflußrohrvorrichtung (1601) in der Antriebsebene erzeugen; dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmesser ferner aufweist: eine Aufnehmervorrichtung (LP0, RP0) an der Durchflußrohrvorrichtung, die Coriolis-Auslenkungen detektiert und Coriolis-Signale erzeugt, die Informationen enthalten, die den Materialfluß betreffen; wobei die Meßelektronik (1620) auf die Erzeugung der Coriolis-Signale und der Kreiselsignale anspricht, um Ausgabeinformationen zu erzeugen, die den Materialfluß betreffen.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, der ferner aufweist: einen Ausgleichsstab (1502, 1602) parallel zur Durchflußrohrvorrichtung; eine Verbindungsringvorrichtung (1503, 1603), die Enden des Ausgleichsstabs mit der Durchflußrohrvorrichtung verbindet; wobei der Treiber periodisch die Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab gegenphasig in der Antriebsebene mit der Resonanzfrequenz der materialgefüllten Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs verformt; wobei die periodische Kreiselmodusverformung die materialgefüllte Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab in der Kreiselebene mit der Resonanzfrequenz der periodischen Kreiselmodusverformung in Schwingungen versetzt.
Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselebene senkrecht zur Antriebsebene und zur Längsachse des Durchflußrohrs ist.
Durchflußmesser nach Anspruch 13, der ferner aufweist: ein Gehäuse (1505, 1605), das den Ausgleichsstab und die Durchflußrohrvorrichtung einschließt; Gehäuseenden (1509, 1609), die mit Enden des Gehäuses verbunden sind; Enden (1501L, 1601L, 1501R, 1601R) der Durchflußrohrvorrichtung durch die Gehäuseenden des Gehäuses vorstehen und mit Flanschen (1506, 1606, 1507, 1607) verbunden sind; wobei ein erster der Flansche (1506, 1606) den Materialfluß aus einer Materialquelle aufnimmt und den Materialfluß durch den Durchflußmesser leitet; wobei ein zweiter der Flansche (1507, 1607) an einem Ausgangsende der Durchflußrohrvorrichtung den Materialfluß aus der Durchflußrohrvorrichtung aufnimmt und den Materialfluß zu einem Bestimmungsort leitet.
Durchflußmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsringvorrichtung aufweist: erste und zweite Verbindungsringe (1503, 1603, 1504, 1604), die jedes Ende des Ausgleichsstabs mit der Durchflußrohrvorrichtung verbinden; und laterale axiale Vorsprünge (1616) an den Verbindungsringen in der Antriebsebene, die an lateralen Seitenwänden der Durchflußrohrvorrichtung befestigt sind, um die Resonanzfrequenztrennung der Durchflußrohrvorrichtungsverformung und der Ausgleichsstabverformung in der Antriebsebene und der periodischen Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs in der Kreiselebene zu ändern.
Durchflußmesser nach Anspruch 13, der ferner Öffnungen (1805, 1806, 1807, 1808, 1809, 1810, 1811) in den Wänden des Ausgleichsstabs aufweist, die die Trennung der Resonanzfrequenzen der periodischen Verformung in der Antriebsebene und der periodischen Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs in der Kreiselebene ändern.
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: periodisches Verformen der Durchflußrohrvorrichtung, indem die Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene in Schwingungen versetzt wird; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte aufweist: Übertragen der Rotation um die Längsachse der Durchflußrohrvorrichtung auf den Materialfluß als Reaktion auf den Materialfluß, wobei die Rotation die periodische Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Kreiselebene bewirkt; Erzeugen von Signalen, die die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene repräsentieren; Bestimmen der Amplitude der periodischen Verformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene; Bestimmen des Verhältnisses der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Kreiselebene zur Amplitude der periodischen Verformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene; und Betreiben der Meßelektronik als Reaktion auf die Bestimmung des Verhältnisses und der Erzeugung der Signale, um Ausgabeinformationen zu erzeugen, die den Materialfluß betreffen.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner den Schritt aufweist: Steuern der Amplitude der periodischen Verformung der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene.
Verfahren nach Anspruch 18 mit dem Schritt zum Betreiben des Durchflußmessers, so daß die Resonanzfrequenz der periodischen Durchflußrohrvorrichtungsverformung in der Antriebsebene gleich der Resonanzfrequenz der Kreiselmodusverformung ist, um die Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 18 mit dem Schritt zum Betreiben des Durchflußmessers, so daß die Resonanzfrequenz der periodischen Durchflußrohrvorrichtungsverformung in der Antriebsebene nicht gleich der Resonanzfrequenz der Kreiselmodusverformung ist, um die Beziehung zwischen der Dichte des Materialflusses und der Amplitude der periodischen Kreiselmodusverformung in der Kreiselebene zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Durchflußrohrvorrichtung ein einzelnes gerades Durchflußrohr aufweist; wobei das Verfahren den Schritt zum Einsetzen einer Spirale in das Durchflußrohr aufweist, um die Rotation um die Längsachse des Durchflußrohrs auf den Materialfluß zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Durchflußrohrvorrichtung ein einzelnes Durchflußrohr aufweist und wobei das Verfahren ferner den Schritt zum Betreiben des Durchflußmessers aufweist, wobei das Durchflußrohr so ausgebildet ist, daß es eine Schraubenfederform definiert, die die Rotation um die Längsachse des Durchflußrohrs auf den Materialfluß überträgt
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Durchflußrohrvorrichtung mehrere Durchflußrohre aufweist und wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist: Verdrillen der mehreren Durchflußrohre miteinander um eine gemeinsame Längsachse, um eine längliche Form zu definieren, die die Rotation auf den Materialfluß überträgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Durchflußrohrvorrichtung ein einzelnes Durchflußrohr aufweist und wobei das Verfahren ferner den Schritt zum Wickeln des Durchflußrohrs auf einen länglichen Stab aufweist, um eine Spule zu bilden, die die Rotation um eine Längsachse, die dem Durchflußrohr und dem Stab gemeinsam ist, auf den Materialfluß überträgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Materialfluß Corioliskräfte in der Antriebsebene der schwingenden Durchflußrohrvorrichtung erzeugt, wobei die Corioliskräfte periodische Coriolis-Auslenkungen der Durchflußrohrvorrichtung in der Antriebsebene erzeugen; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte aufweist: Betreiben von Aufnehmern an der Durchflußrohrvorrichtung, die die Coriolis-Auslenkungen detektieren und Ausgangssignale erzeugen, die den Materialfluß betreffen; Betreiben der Meßelektronik als Reaktion auf die Erzeugung der Coriolis-Signale und der Kreiselsignale, die Ausgabeinformationen erzeugt, die den Materialfluß betreffen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Durchflußmesser ferner aufweist: einen Ausgleichsstab parallel zur Durchflußrohrvorrichtung; eine Verbindungsringvorrichtung, die Enden des Ausgleichsstabs mit der Durchflußrohrvorrichtung verbindet; wobei das Verfahren ferner aufweist: Betreiben des Treibers, um die Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab gegenphasig in der Antriebsebene mit der Resonanzfrequenz der materialgefüllten Durchflußrohrvorrichtung und des Ausgleichsstabs in Schwingungen zu versetzen; Betreiben des Durchflußmessers, so daß die Kreiselkräfte die materialgefüllte Durchflußrohrvorrichtung und den Ausgleichsstab in der Kreiselebene mit der Resonanzfrequenz der materialgefüllten Durchflußrohreinrichtung und des Ausgleichsstabs in der Kreiselschwingungsform in Schwingungen versetzen.