DE69017008T2

DE69017008T2 - Elektromagnetisch angetriebener sensor.

Info

Publication number: DE69017008T2
Application number: DE69017008T
Authority: DE
Inventors: Yousif Hussain; Milos Machacek
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1989-12-05
Filing date: 1990-12-05
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2010-12-06
Also published as: CA2046658A1; WO1991008448A1; DE69017008D1; JPH07119640B1; RU2107263C1; CA2046658C; EP0456801A4; US5048350A; EP0456801B1; EP0456801A1

Description

Die Erfindung betrifft elektromagnetische Antriebe für die Coriolis-Kraft nutzende Massedurchflußmesser mit Schwingungsrohr.
US 4 738 144 betrifft ein Antriebsmittel für die Schwingungsdurchflußrohre eines die Coriolis-Kraft nutzenden Massedurchflußmessers mit Parallelströmung. Dieses Dokument beschreibt einen Antrieb mit einem abgeschirmten Magneten, der für eine Wechselwirkung mit einer unabgeschirmten Spule eingerichtet ist.
US 2 865 201 betrifft einen Gyroskop-Massedurchflußmesser. Dieses Dokument beschreibt einen elektromagnetischen Antrieb mit einer Spule, einem Magneten und einer Abschirmung, welche den Magnetteil der Vorrichtung umgibt. Weiterhin ist ein Sensor mit demselben Aufbau offenbart.
CH 394 363 und DE 1 238 228 haben beide denselben Anmelder wie US 2 865 201 (Roth) und offenbaren Vorrichtungen, in welchen ein Sensor um seinen Magnetteil eine einzige Abschirmung besitzt.
Zur Befriedigung des Bedürfnisses nach Messung der Materialmenge welche durch Rohrleitungen strömt, sind aus einer Vielfalt von Konstruktionsprinzipien zahlreiche Durchflußmessertypen entwickelt worden. Riner der häufiger verwendeten Durchflußmessertypen beruht auf dem Volumenstrom. Volumendurchflußmesser sind bei der Bestimmung der gelieferten Materialmenge auch im günstigsten Fall ungenau, wenn die Stoffdichte mit der Temperatur des Einsatzmaterials schwankt, das durch die Rohrleitung gepumpte Fluid mehrphasig, wie eine Aufschlämmung, oder das Fluid wie Mayonnaise und andere Lebensmittelprodukte ein nichtnewtonsches ist. Außerdem können für chemische Reaktionen, in der Praxis Masseumsätze, bei denen die Verhältnisse der Ausgangsstoffe bedeutsam sind, schlecht Volumendurchflußmesser eingesetzt werden.
Demgegenüber ist ein Massedurchflußmesser ein Gerät, das eine direkte Anzeige der Größe der Masse - im Unterschied zum Volumen - eines Materials liefert, das durch die Rohrleitung geleitet wird. In verschiedenen Verfahren zur Messung des Massedurchflusses eines sich bewegenden Stroms ist es erforderlich, auf ihn eine Kraft auszuüben und irgendeine Wirkung davon nachzuweisen und zu messen.
Eine Klasse von die Masse messenden Durchflußmessern beruht auf der bekannten Coriolis-Kraft. Ein beispielhafter die Coriolis-Kraft nutzender Massedurchflußmesser ist in dem auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent 4 891 991 von Mattar et al. mit dem Titel "Coriolis-Type Mass Flowmeter" offenbart.
Viele die Coriolis-Kraft nutzenden Massedurchflußmesser erzeugen eine Coriolis-Kraft, indem sie ein Rohr um eine Schwingungsache, die auf der Rohrlänge senkrecht steht, in eine sinusförmige Schwingung versetzen. In solch einem Massedurchflußmesser zeigen sich die Coriolis-Kräfte in der Radialbewegung der Masse in einem rotierenden Rohr. Durch das Rohr strömendes Material wird zu einer sich radial bewegenden Masse, die deshalb eine Beschleunigung erfährt. Die auf die sich bewegende fluide Masse wirkende Coriolis-Reaktionskraft wird auf das Rohr selbst übertragen und drückt sich als eine Durchbiegung oder seitliche Auslenkung des Rohrs in Richtung des Vektors der Coriolis-Kraft in der Drehebene aus.
Ein Hauptproblem dieser Schwingungssysteme besteht darin, daß die Coriolis-Kraft und deshalb die resultierende Biegung relativ gering ist, nicht nur verglichen mit der Antriebskraft, sondern auch mit Fremdschwingungen. Andererseits kann ein Schwingungssystem die inhärente Biegeelastizität des Rohres selbst als einen Gelenk- oder Drehpunkt für die Schwingung nutzen, wodurch die Notwendigkeit separater flexibler oder Drehverbindungen entfällt und damit die mechanische Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöht wird. Darüber hinaus bietet ein Schwingungssystem die Möglichkeit, die Resonanzschwingungsfrequenz des Rohrs selbst zu nutzen, um die erforderliche Antriebsenergie zu verringern.
Die Energie wird den Rohren durch einen Antriebsmechanismus zugeführt, welcher die Rohre durch Ausüben einer periodischen Kraft in Schwingung versetzt. Ein charakteristischer Typ eines Antriebsmechanismus ist beispielsweise ein elektromechanischer Antrieb, dessen Bewegung proportional zu der durch seine Spule angelegten Spannung ist. In einem Schwingungsdurchflußmesser ist die angelegte Spannung periodisch und im allgemeinen sinusförmig. Wie zuvor erwähnt, wird die Periode der Eingangsspannung und somit der Antriebskraft derart ausgewählt, daß sie der Resonanzfrequenz des Rohrs entspricht, um die Energie zu verringern, welche für das Aufrechterhalten der Schwingung erforderlich ist.
Die aus der Schwingung und dem Massestrom im Rohr resultierende Coriolis-Kraft wird von ebenfalls auf dem Rohr des Durchflußmessers angeordneten Sensoren gemessen. In manchen Fällen ist es wünschenswert, daß die Sensoren sehr nah bei dem Antriebsmechanismus angebracht sind. So führt beispielsweise in manchen Systemen diese Anordnung zu einer genaueren Bestimmung der vom Rohr des Durchflußmessers entwickelten Coriolis-Kraft.
Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, die Leistung der elektromagnetischen Antriebe und Sensoren zu verbessern. Eine speziellere Aufgabe besteht in der Beseitigung der magnetischen Kreuzkopplung zwischen einem Antrieb und einem in der Nähe angebrachten Sensor, um die Empfindlichkeit der Antrieb-Sensor-Kombination zu erhöhen.
Diese und andere erfindungsgemäße Aufgaben werden entsprechend einem erfindungsgemäßen Merkmal durch eine elektromagnetische Vorrichtung zur Verwendung in einem die Coriolis-Kraft nutzenden Massedurchflußmesser für die gegenseitige Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie gelöst, umfassend
- eine mit einem ersten Ende der Vorrichtung verbundene Spuleneinheit,
- eine bezüglich der Spuleneinheit bewegliche und für eine Wechselwirkung mit dieser Spuleneinheit eingerichtete Magneteinheit, die mit einem zweiten Ende der Vorrichtung verbunden ist, und
- eine erste an dieser Magneteinheit befestigte und sie umgebende Abschirmung, wobei diese erste Abschirmung eingerichtet ist, das auf diese erste Abschirmung wirkende äußere Magnetfeld zu verringern,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem
- eine an der Spuleneinheit befestigte zweite Abschirmung umfaßt, wobei die erste und die zweite Abschirmung eine diese Spuleneinheit umgebende Abschirmungseinheit enthalten und eine der Abschirmungen derart eingerichtet ist, daß sie in die andere dieser Abschirmungen paßt und sich in bezug auf diese bewegt.
In einer Ausführungsform ist die Abschirmungseinheit aus einem magnetisch durchdringbaren Material wie Stahl hergestellt.
In anderen Ausführungsformen besteht die Magneteinheit aus einem Magnetteil. Die magnetische Orientierung des Magnetteils ist im wesentlichen nach einer Achse ausgerichtet, die zwischen dem nahen und dem entfernt liegenden Ende der Vorrichtung verläuft.
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Magneteinheit ferner einen Polschuh, der angrenzend an den ersten Magnetteil angeordnet ist.
In noch anderen Ausführungsformen umfaßt die Magneteinheit außerdem einen zweiten Magnetteil. Die magnetische Orientierung des zweiten Magnetteils ist im wesentlichen nach der Achse ausgerichtet, die zwischen dem ersten und zweiten Ende verläuft.
In einem bevorzugten Merkmal sind die magnetischen Orientierungen dieses ersten und zweiten Magnetteils entgegengesetzt gerichtet; außerdem enthält die Magneteinheit einen Polschuh, der zwischen dem ersten und zweiten Magnetteil angeordnet ist. Dieser Polschuh kann aus einem hochdurchdringbaren Material hergestellt sein.
In anderen abgeleiteten bevorzugten Merkmalen begrenzt die Spuleneinheit einen Innenhohlraum, wobei die Magneteinheit innerhalb dieses Hohlraums angeordnet ist. Die Spuleneinheit kann im wesentlichen zylindrisch sein und mit der Magneteinheit magnetisch wechselwirken.
Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal wird ein die Coriolis-Kraft nutzender Massedurchflußmesser bereitgestellt, der ein kontinuierliches Durchflußrohr und eine elektromagnetische Vorrichtung entsprechend dem ersten erfindungsgemäßen Merkmal umfaßt.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält der Durchflußmesser einen zweiten Antrieb und einen zweiten Sensor. Die Antriebe treiben den Kreislauf an verschiedenen auf ihm befindlichen Punkten um die Schwingungsachse an.
In noch einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Kreislaufteil zwischen dem Antriebspaar ein im wesentlichen gerader Abschnitt.
Es folgt zunächst eine kurze Beschreibung der Zeichnungen, wobei
- Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines die Coriolis- Kraft nutzenden Massedurchflußmessers,
- Figur 2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung der Figur 1,
- Figur 3 eine schematische Darstellung der drei Bewegungsformen der Vorrichtung der Figuren 1 und 2,
- Figur 4 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Antriebs,
- Figur 5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des elektromechanischen Antriebs der Figur 4 und
- Figur 6 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Sensors
zeigt.

Mechanische Konstruktion

Anschließend wird ein spezieller Rohraufbau in einer in bezug auf die Richtung des Prozeßstroms, d.h. der Strömungsrichtung in einem geraden Abschnitt der Rohrleitung, durch welche das Material strömen soll, senkrechten Richtung beschrieben. Die Erfindung ist ebenfalls auf eingebaute und andere rohrförmige Aufbauten anwendbar. Die hier gezeigten Erzeugnisse sind für Durchflußmesser für eine Vielzahl von Produkten, beispielsweise einschließlich auf Erdöl basierenden Treibstoffen, konstruiert. Der hier beschriebene Durchflußmesser und elektromechanische Antrieb ist selbstverständlich für einen breiten Umfang anderer spezieller Konstruktionen für dieselben oder andere Anwendungszwecke verwendbar.
In Figur 1 ist ein duales Antrieb-Detektor-System mit doppeltem Kreislauf und im wesentlichen Torsionsbelastung der Rohrenden an der Stelle, wo sie mit einem einzigen starren zentralen Rohrverteiler verbunden sind, der in der Rohrleitung zwischen den Prozeßstrom geschaltet ist, dargestellt. In den Figuren 1 und 2 ist dieselbe Ausführungsform gezeigt.
Der Massedurchflußmesser 10 der Figuren 1 und 2 ist für den Einbau in eine (nicht gezeigte) Rohrleitung konstruiert, von welcher ein kleiner Abschnitt entfernt oder reserviert worden ist, um für das Meßgerät Platz zu schaffen. Die Rohrleitung ist mit (nicht gezeigten) einander gegenüberliegenden beabstandeten Flanschen ausgerüstet, welche den Befestigungsflanschen 12 entsprechen, die an kurze Abschnitte des Rohrs 14 aufgeschweißt sind, das an einen zentralen Verteilerblock 16 angeschlossen ist, welcher die beiden parallelen, jeweils in einer Ebene liegenden Kreisläufe 18 und 20 trägt. Aufbau und Form der Kreisläufe 18 und 20 sind im wesentlichen gleich. Deshalb gilt die Beschreibung der Form des Kreislaufs 18 ebenfalls für den Kreislauf 20, sofern nichts anderes festgestellt wird. Der Verteilerblock 16 ist vorzugsweise aus Guß mit der allgemeinen Form eines festen rechteckigen Blocks mit einer flachen waagerechten oberen Fläche oder Oberseite 21 und integralen Rohrabschnitten 14. Verschiedene Teile des Verteilerblocks können zur Gewichtsverringerung entfernt werden. Die Enden des Kreislaufs 18 enthalten gerade, vorzugsweise senkrechte parallele Zulauf- und Austrittsabschnitte oder -schenkel 22 und 24, die beispielsweise durch Stumpfschweißen fest an der Oberseite der Verteilerblockoberfläche 21 in großer Nähe zueinander fest angebracht sind. Die Basis des Kreislaufs 18 ist ein langer gerader Abschnitt 26, der unterhalb der Grundfläche des Verteilerblocks 16 verläuft. Der lange gerade Abschnitt 26 an der Basis des Kreislaufs 18 ist mit den senkrechten SchenkeIn 22 und 24 durch jeweilige schräge Abschnitte 30 und 32 verbunden. Die vier Verbindungen zwischen den verschiedenen geraden Abschnitten des Kreislaufs 28 werden durch Bögen mit großem Radius abgerundet, um dem Strom so wenig wie möglich Widerstand entgegenzusetzen. Insbesondere sind die senkrechten Schenkel 22 und 24 mit den jeweiligen schrägen Abschnitten 30 und 32 mittels der Scheitelbögen 34 und 36 verbunden. Die Enden des langen geraden Basisabschnitts 26 sind mit den jeweiligen Enden der schrägen Abschnitte 30 und 32 durch die unteren Rundbögen 38 und 40 verbunden.
Die parallelen Zufluß- und Austrittsabschnitte 22, 24 beider Kreisläufe 18 und 20 laufen durch entsprechend durchbohrte Schwingungsisolations- oder -knotenplatten 42 und 44, die parallel zur Oberseite 21 des Verteilerblocks stehen und von der Verteilerblockoberfläche mit einer vorbestimmten Distanz beabstandet sind. Mit dem Rohr verschweißt, dienen die Schwingungsknotenplatten als Spannungsisolationsplatten und bilden für jeden Kreislauf eine gemeinsame mechanische Basis.
Zwischen den Kreisläufen 18 und 20 sind auf jedem der unteren Rundbögen 38 und 40 elektromechanische Antriebs- und Detektoreinheiten angebracht. Jede Einheit besteht aus einem elektromagnetischen Antrieb 46 und Sensor 48, die zwischen den Rohren 18 und 20 nah beieinander angeordnet sind. Die elektrischen Signale werden vom (nicht gezeigten) Antriebs- und Nachweiskreis durch Drahtleitungen 50 bis 53, die entlang der Außenseite der Rohre durch die mit Öffnungen versehenen Isolationsplatten 42 und 44 verlaufen und an die elektrische Buchse 54 angeschlossen sind, auf die Antriebe und Sensoren übertragen.
Die Antriebspaare 46 auf den gegenüberliegenden Enden der Rohre werden durch Strom gleicher Stärke, aber entgegengesetzten Vorzeichens (um 180º phasenverschoben) in Betrieb genommen, wodurch der gerade Abschnitt 26 um seine koplanare senkrechte Symmetrielinie 56, welche, wie in Figur 2 gezeigt, das Rohr im Punkt c schneidet, rotieren gelassen wird. Die angetriebene Rotation erfolgt deshalb vorzugsweise um Punkt c n einer horizontalen Ebene. Die senkrechten Symmetrielinien für die geraden Abschnitte beider Kreisläufe befinden sich vorzugsweise in einer gemeinsamen Symmetrieebene für beide Kreisläufe.
Eine wiederholte Umkehr (beispielsweise sinusförmige Steuerung) des Einschaltstroms der Antriebe bewirkt, daß der gerade Abschnitt 26 des Kreislaufs 18 in der um die Linie 56-56 horizontalen Ebene eine Schwingungsbewegung ausführt. Die Bewegung jedes geraden Abschnitts 26 biegt ein Bogenverbindungsstück aus. Die gesamte Seitenauslenkung des Kreislaufs an den unteren Rundbögen 38 und 40 ist gering, etwa 1/16 Zoll für einen rund 60 cm langen geraden Abschnitt 26 eines Ein-Zoll-Rohrs. Diese Auslenkung teilt sich den senkrechten parallelen Schenkeln 22 und 24 als Torsionsauslenkung um ihre Achsen mit, die an der Schwingungsknotenplatte 44 beginnt. Dem geraden Abschnitt des Kreislaufs 20 wird eine komplementäre Schwingungsbewegung mitgeteilt.
Die Bewegungen der geraden Abschnitte der Kreisläufe 18 und 20 sind in drei Formen in den Ansichten a, b und c in Figur 3 gezeigt. Im in Figur 3b gezeigten Antriebsmodus schwingt jeder Rohrkreislauf um einen Punkt c. Die beiden Kreisläufe rotieren synchron, jedoch in entgegengesetzter Richtung, d.h., während sich der Kreislauf 18 im Uhrzeigersinn dreht, unterliegt der Kreislauf 20 einer Drehbewegeung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn. Das bedeutet, daß die Kreisläufe um ihren jeweiligen Punkt c um 180º phasenverschoben angetrieben werden. Folglich nähern und entfernen sich die jeweiligen in Figur 3 gezeigten Enden wie A und C periodisch. Dieser Typ einer Antriebsbewegung bewirkt Coriolis-Kräfte in den in Figur 3a gezeigten Richtungen. Deshalb neigt die Bewegung im Coriolis-Modus dazu, die gesamte Ebene von Kreislauf 18 und 20 zu bewegen. Die Coriolis-Kraft ist am größten, wenn die beiden geraden Abschnitte 26, wie in Figur 3a gezeigt, parallel stehen, weil dann die sinusförmig schwankende Winkelgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht hat. Da die Bewegung jedes Kreislaufs im Coriolis-Modus in entgegengesetzter Richtung stattfindet, bewegen sich die geraden Abschnitte 26 leicht, wie in Figur 3a gezeigt, zueinander hin (oder voneinander weg). Eine Bewegung in einem gemeinsamen Modus, die in dieser Vorrichtung unerwünscht ist, wäre eine, welche die Kreisläufe, wie in Figur 3c gezeigt, in dieselbe Richtung auslenken würde. Diese Bewegungsform könnte von einer Axialwelle in der Rohrleitung selbst in der Ausführungsform der Figur 1 hervorgerufen werden, weil die Kreisläufe senkrecht zur Rohrleitung ausgerichtet sind.
Die Sensoren 48 weisen die Schwingungsbewegung der geraden Abschnitte der Rohre nach und senden ein Signal, das für die Schwingungsantriebskraft repräsentativ ist, die von der Coriolis-Reaktionskraft moduliert wird, welche das eine Beschleunigung erfahrende Fluid zeigt. Auf Grund der großen Nähe von Antrieb 46 und Sensor 48 müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um eine gegenseitige magnetische Durchdringung zu verhindern. D.h., daß das Magnetfeld des Antriebs 46 im Sensor 48 eine Spannung induzieren kann, welche ein falsches Signal ergibt. Es ist bevorzugt, einen abgeschirmten Antrieb und Sensor zu verwenden, um eine gegenseitige magnetischen Durchdringung zu verhindern.

Abgeschirmter Antrieb

Es wird auf Figur 4 Bezug genommen, in welcher eine Antriebseinheit 46 einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt ist. Der abgeschirmte Antrieb ist für die gegenseitige Umwandlung elektrischer und mechanischer Energie konstruiert. Insbesondere wandelt der Antrieb effizient elektrische Energie (d.h. elektrische Signale) in mechanische Energie (d.h. mechanische Bewegung) um. Die Antriebseinheit 46 besteht aus einem nahen Ende 62, das an das Durchflußrohr 18 mit einer nahe liegenden Befestigungsklammer 64, und aus einem entfernten Ende 66, das an das Durchflußrohr 20 durch eine entfernt liegende Befestigungsklammer 68 angebracht ist.
Das nahe liegende Ende 62 besteht aus einer Magneteinheit 72, die in einer nahe liegenden Abschirmung 70 angeordnet ist. Die nahe liegende Abschirmung besteht aus kohlenstoffarmem Stahl und ist becherförmig mit einer zylindrischen Wandung 71 und einem flachen Boden 73, der an der nahe liegenden Befestigungsklammer 64 angebracht ist. Die Abmessungen der nahe liegenden Abschirmungen sind durch Größe und Form der gesamten Antriebseinheit bestimmt. Die nahe liegende Abschirmung 70 wirkt als Magnetlinienumkehr und unterstützt dabei, den Magnetfluß innerhalb der Magneteinheit aufrechtzuerhalten. Im Zentrum der Abschirmung 70 ist die längliche Magneteinheit 72 mit einem Paar von Magneten 75 und 76 angeordnet, die durch einen zentralen Polschuh 78 getrennt sind. Die magnetische Orientierung der Magnete verläuft entlang der Achse 80-80, die von Antriebseinheit und -punkt definiert wird, in entgegengesetzter Richtung. D.h., daß die magnetischen Orientierungen der Magnete 75 und 76 antiparallel verlaufen. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind die Magnete mit dem Nordpol jedes Magneten zum zentralen Polschuh 78 ausgerichtet. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß andere Orientierungen angewendet werden können, beispielsweise, daß der Südpol jedes Magneten dem zentralen Polschuh gegenübersteht. Der Polschuh kann aus jedem magnetisch suszeptiblen Material des Standes der Technik hergestellt sein. Ein bevorzugtes Material ist kohlenstoffarmer Stahl. Diese Anordnung der Magnete 75, 76 und des zentralen Polschuhs 78 konzentriert den Magnetfluß innerhalb eines kleinen Bereichs nahe dem Polschuh für eine maximale Wechselwirkung mit einer Spuleneinheit 82.
Das entfernt liegende Ende 66 der Antriebseinheit 60 besteht aus einer in einer entfernt liegenden Abschirmung 84 angeordneten Spuleneinheit 82. Die Spuleneinheit umfaßt einen Spulenträger 86, der mit seinem entfernt liegenden Ende an der entfernt liegenden Abschirmung 84 angebracht ist, welche ihrerseits an der entfernt liegenden Befestigungsklammer 68 mit einer unmagnetischen Niete 106 zum Anschluß an das Durchflußrohr 20 angebracht ist. Am nahe liegenden Ende des Spulenträgers 86 ist ein Spulenkörper 94 integral aufgeformt. Der Spulenträger kann aus einem nichtleitenden Material hergestellt sein, um die Bildung von Wirbelströmen auf dem Träger selbst zu minimieren. Um den Spulenkörper 94 ist Draht 96 gewickelt, der eine elektromagnetische Spule 98 bildet. Die Spule und der Spulenträger bilden einen Innenhohlraum 100 mit einem im allgemeinen zylindrischen Abschnitt 102 und einem kegelstumpfförmigen entfernt liegenden Teil 104, der sich ab dem zylindrischen Abschnitt 102 verjüngt, um mit der Niete 106 zusammenzupassen. Die Größe des im allgemeinen zylindrischen Innenhohlraums ist ausreichend, um der Magneteinheit eine freie Bewegung und eine maximale Wechselwirkung zwischen Spuleneinheit und dem Magnetfeld zu erlauben, das von der Magneteinheit ausgeht.
Die nahe liegende und die entfernt liegende Abschirmung sind konstruiert, um sich relativ zueinander zu bewegen und den Magnetfluß zu minimieren, welcher aus der Vorrichtung austritt. Das wird durch Ausbildung der nahe liegenden und der entfernt liegenden Abschirmung in einer im allgemeinen zylindrischen überlappenden Form derart erreicht, daß eines der Teile in das andere paßt und sich darin frei bewegen kann. D.h., daß die Abschirmungen zusammen eine teleskopförmige Anordnung bilden, worin eine der Abschirmungen in die andere eingepaßt ist. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind die Abschirmungsteile zylindrisch, wobei der nahe liegende Teil einen kleineren Radius als der entfernt liegende Teil hat und eingerichtet ist, um in das entfernt liegende Ende entlang der von der Zylinderform der Abschirmungen definierten Achse 80-80 zu passen und sich relativ dazu zu bewegen. Da sie eine abgeschirmte und umschlossene Magneteinheit ergeben, minimieren die Abschirmungen zusammen den Austritt des Magnetflusses von der und in die Vorrichtung. Ein (nicht gezeigter) Schnitt in der zylindrischen Oberfläche der entfernt liegenden Abschirmung kann eingesetzt werden, um Wirbelstrombildung zu verhindern, die den Magnetfluß erhöhen kann. Das Fehlen eines äußeren Magnetflusses ermöglicht die benachbarte Anordnung einer beliebigen Anzahl von Antrieben und Sensoren, ohne daß das Problem einer gegenseitigen magnetischen Durchdringung auftritt, da sich benachbarte Antriebe und Sensoren einander nicht magnetisch beeinflussen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordung besteht in der Erhöhung der Linearität, die aus dieser Mehrfachmagneteinheit resultiert. Die Bewegung des nahe und des entfernt liegenden Endes relativ zueinander auf Grund des Antriebsstroms in der Spule wird das permanente Magnetfeld nicht wesentlich verändern, wodurch folglich lineare Antriebskräfte erzeugt werden.
Es wird auf Figur 5 Bezug genommen, in welcher eine andere Ausführungsform des elektromagnetischen Antriebes gezeigt ist. Der Antrieb 110 besteht aus einer länglichen Abschirmung 112 aus kohlenstoffarmem Stahl mit einem zylindrischen Querschnitt senkrecht zur Achse 114-114 des Teils. Die Abschirmung besitzt vorstehende Bereiche 116 und 118, welche die offene Fläche an jedem Ende der Abschirmung verkleinern und eine öffnung bilden, durch welche sich ein längliches Magnetteil 120 bewegt. Auf der Innenfläche 122 der Abschirmung befindet sich ein ringförmiger Ansatz 124, der zur Mitte der Abschirmung zeigt. Auf diesem ringförmigen Ansatz 124 ist eine elektromagnetische Spule 126 befestigt. Innerhalb der Abschirmung 112 ist zentral ein längliches Magnetteil 120 angeordnet. Dieses Magnetteil 120 besteht aus zwei Magneten 128 und 130 und drei Polschuhen 132, 134 und 136. An den einander gegenüberliegenden Seiten des zentralen Polschuhs 132 sind zwei Magnete 128 und 130 angeordnet, deren magnetische Orientierungen bezüglich einander antiparallel und zur Achse 114-114 des Magnetteils parallel verlaufen. In der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform stehen sich die Nordpole jedes Magneten 128 und 130 gegenüber. Falls es gewünscht wird, können sich jedoch auch die Südpole jedes Magneten gegenüberstehen. An den Enden jedes Magneten 128, 130 sind einander gegenüberliegende Polschuhe 122 und 134 bzw. 136 befestigt. die Polschuhe 132, 134 und 136 und die Magneten 128 und 130 bilden gemeinsam eine längliche Magneteinheit, die eine hohe Effizienz und Linearität aufweist.

Elektromagnetische Konstruktion

Die Konstruktion der elektromagnetischen Einrichtung beruht auf der Voraussetzung, daß bei einer minimalen der Spule zugeführten Stromstärke vom Antrieb eine maximale Kraft bereitgestellt werden sollte. Die für diese Kraft geltende Gleichung lautet
F = N I l B (1),
worin F = Kraft (Newton),
N = Anzahl der Spulenwicklungen,
l = durchschnittliche Spulenlänge pro Wicklung (Meter),
I = Spulenstrom (Ampere) und
B = radiale magnetische Flußdichte (Tesla)
bedeutet.
Um B zu maximieren und dennoch die Linearität der Kraft beizubehalten, sollten zwei an den Rückseiten miteinander verbundene Magneten mit den wie in den Figuren 4 und 5 gezeigten Polschuhen verwendet werden. Bei diesen Anordnungen wird der Magnetfluß gezwungen, radial in dem von der Spule eingenommenen Bereich zusammenzufließen. Die Luftspalte zwischen den Polschuhen und der Abschirmung werden sich nicht verändern, während sich der Permanentmagnet bewegt, wodurch die Nichtlinearität der Konstruktion verringert wird.
Die in Figur 5 gezeigte Ausführungsform besteht aus einer Ummantelung aus kohlenstoffarmem Stahl, drei Polschuhen, zwei Permanentmagneten und einer Spule. Die Aufgabe dieser Ausführung ist es, den radialen Magnetfluß im Spulenbereich zu fokussieren und dadurch bei einem gegebenen Spulenstrom eine maximale Antriebskraft zu erreichen.
Zur Berechnung der Spuleninduktivität sowie des mittleren radialen Magnetflusses im Spulenbereich wurde ein Rechenprogramm für die Methode der finiten Elemente verwendet. Anschließend wurde dieses Modell zur Optimierung der elektromagnetischen Konstruktion eingesetzt, um bei einer gegebenen Stromstärke eine maximale Kraft zu erhalten. In diesem numerischen Modell wurde für die Permeabilität des kohlenstoffarmen Stahls ein Wert von 100 und für die des Permanentmagneten und Luft ein Wert von 1 eingesetzt. Die Remanenz des verwendeten Permanentmagneten betrug 0,9 T. Das Ergebnis der Berechnung ergab eine mittlere magnetische Flußdichte von 477,2 mT. Durch Simulation der Spule als ein Streifen eines in der Mitte der Einheit befindlichen Permanentmagneten wurde auch die Spuleninduktivität berechnet. Das Programm für die Methode der finiten Elemente wurde erneut für die Berechnung der Magnetflußverteilung aufgrund der simulierten Spule laufen gelassen. Danach wurde ein Regressionsprogramm verwendet, um eine mathematische Relation zwischen Magnetfluß und radialem Abstand zu gewinnen. Es wurde eine geometrische Beziehung der Form
y = kxn (2)
eingesetzt, worin y den Magnetfluß und x den Abstand bedeutet und k und n Konstanten sind, die dem Regressionsprogramm entsprechen.
Mit Gleichung 2 wurde der mittlere Magnetfluß berechnet und der effektive radiale Abstand bestimmt. Dieser effektive Abstand wurde verwendet, um die effektive Ringfläche des Spulenflusses (Am) sowie die effektive Weglänge des Spulenflusses (lm) zu ermitteln. Aus diesen beiden Faktoren wurde anschließend die Induktivität (L) berechnet
L = N²uAm / lm (3),
worin N die Anzahl der Spulenwicklungen und u die freie Raumpermeabilität bedeutet. Das Ergebnis für Figur 5 ergab einen Wert von 7,465 mH für N = 450 Wicklungen.
Zur Verifizierung der Modellergebnisse wurde eine elektromagnetische Vorrichtung gebaut. Der Luftspalt zwischen den Polschuhen und der Ummantelung wurde durch ein Kunststoffrohr ersetzt, das an die Spule angepaßt war und die Einheit zentriert hielt. Zur Herstellung der Spule der Einheit mit insgesamt 450 Wicklungen wurde auf dieses Rohr ein Magnetdraht gewickelt. In einem Ende der Ummantelung wurde ein kleines Loch (d.h. Loch 109, Figur 4) angebracht, um zur Messung der magnetischen Flußdichte eine Halleffektsonde einführen zu können. Es wurden zwei Seltenerdmagneten mit Remanenzen von 0,85 bis 0,93 Tesla verwendet. Der Durchmesser des Magneten betrug 20 mm und seine Länge 10 mm. Die maximale gemessene magnetische Flußdichte betrug etwa 500 Gauß. Die mit einem Impedanzbrückenmeßgerät gemessene Induktivität betrug 7,75 mH. Die experimentellen Ergebnisse lagen sehr nah an den mit der Methode der finiten Elemente vorhergesagten und verstärkten das Vertrauen in die Theorie.
Um den Sicherheitsvorschriften zu entsprechen, sollte ein eigensicherer Massedurchflußmesser einen niedrigen Stromstärkegrenzwert haben, so daß diese Vorrichtung nicht in der Lage ist, Gase in einer feuergefährlichen Umgebung zu entzünden. Es gibt viele Faktoren, welche die Stärke des zugeführten Stroms bestimmen, wie Spuleninduktivität, Widerstand, Wicklungsisolationswiderstand, zugeführte Spannung und Leitungscharakteristika. In großen, die Coriolis-Kraft nutzenden Massedurchflußmessern, wie denjenigen mit Durchflußrohren mit einem Durchmesser von drei Zoll, ist eine große Antriebskraft erforderlich, wenn die Rohre dick und kurz sind (was für eine kompakte Konstruktion notwendig ist). Das erfordert eine hohe zugeführte Stromstärke, wodurch Sicherheitsvorschriften verletzt werden könnten. Die einzige Alternative, dafür zu sorgen, daß der Durchflußmesser nur eine geringere Kraft benötigt, besteht in der Verwendung langer Rohre mit sehr dünnen Wänden. In diesem Fall wäre der Aufbau des Durchflußmessers nicht kompakt und nicht mehr für hohe Drücke geeignet. Somit ist der Vorteil einer Verwendung der neuen Konstruktion der elektromagnetischen Vorrichtung offensichtlich, da sie eine große Kraft bei kleiner Stromstärke bereitstellt und den Bau einer relativ kompakten und robusten Vorrichtung erlaubt.

Abgeschirmter Sensor

In Figur 6 ist eine abgeschirmte Sensoreinheit 48 gezeigt, die dem Antrieb 46 ähnlich ist. Die abgeschirmte Sensoreinheit ist, ähnlich wie der abgeschirmte Antrieb, für die gegenseitige Umwandlung elektrischer und mechanischer Energie konstruiert. Der Sensor wandelt jedoch im Gegensatz zum elektromagnetischen Antrieb effizient mechanische Energie (mechanische Bewegung) in elektrische Energie (elektrische Signale) um. Die abgeschirmte Sensoreinheit besteht aus einem nahe liegenden Ende 152, das an dem Durchflußrohr 18 mit einer nahe liegenden Befestigungsklammer 154 angebracht ist, und einem entfernt liegenden Ende 156, das an dem Durchflußrohr 20 mit einer entfernt liegenden Befestigungsklammer 158 angebracht ist.
Das nahe liegende Ende 152 besteht aus einer Spuleneinheit 162', die in einer nahe liegenden Abschirmung 160 durch eine unmagnetische Niete 162 befestigt ist. Die Abschirmung ist aus kohlenstoffarmem Stahl hergestellt, becherförmig und besitzt eine zylindrische Wand 161 und einen flachen Boden 163, welcher an der nahe liegenden Befestigungsklammer 154 angebracht ist. Die Abmessungen des nahe liegenden Abschirmungsteils sind durch Größe und Form der gesamten Sensoreinheit bestimmt. Am entfernt liegenden Ende der Spuleneinheit befindet sich ein integraler Spulenkörper 169, auf welchem ein Draht gewickelt ist, um eine elektromagnetische Spule 171 zu bilden. Die Spuleneinheit kann aus einem unmagnetischen Material hergestellt sein, um die Bildung von Wirbelströmen zu verhindern. Die Spuleneinheit bildet einen Innenhohlraum mit im allgemeinben zylindrischen Abschnitten 170, 171 und kegelstumpfförmigen Abschnitten 172, 173, die sich vom zylindrischen Abschnitt 170 zur Öffnung 166 verjüngen, um die Niete 162 aufzunehmen. Der im allgemeinen zylindrische Innenhohlraum ist groß genug, um eine freie Bewegung der Magneteinheit, aber auch klein genug, um eine maximale Wechselwirkung zwischen der Spuleneinheit und dem Magnetfeld, das von einer Magneteinheit ausgeht, zu erlauben.
Das entfernt liegende Ende 156 besteht aus einem entfernt liegenden Abschirmungsteil 176 und einer Magneteinheit 178, die in der nahe liegenden Abschirmung angeordnet ist. Der Abschirmungsteil 176 ist aus kohlenstoffarmem Stahl hergestellt, im allgemeinen becherförmig mit einer zylindrischen Wand 180 und einem flachen Boden 182, welcher an der entfernt liegenden Befestigungsklammer 158 angebracht ist. Die Abmessungen der entfernt liegenden Abschirmung sind von Größe und Form der gesamten Sensoreinheit bestimmt. In der Mitte des Abschirmungsteils 176 ist eine längliche Magneteinheit 178 mit einem Magneten 182 und einem Polschuh 184 angeordnet. Die magnetische Orientierung des Magneten verläuft entlang der von der Sensoreinheit definierten Achse 186-186.
Wie in dem zuvor beschriebenen abgeschirmten Antrieb, ist der nahe liegende und der entfernt liegende Abschirmungsteil des abgeschirmten Sensors für eine zueinander relative Bewegung und dafür konstruiert, den aus der Vorrichtung austretenden und den in sie eintretenden Magnetfluß zu minimieren. Das wird erreicht, indem der nahe liegende und der entfernt liegende Abschirmungsteil zylinderförmig ausgebildet wird, so daß die Abschirmungsteile gemeinsam eine teleskopförmige Anordnung bilden, in welcher einer der Abschirmungsteile in den anderen eingepaßt ist und sich darin bewegt. In der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform sind die Teile zylindrisch, der entfernt liegende Abschirmungsteil hat einen kleineren Radius als der nahe liegende Abschirmungsteil und ist eingerichtet, um in den nahe liegenden Abschirmungsteil zu passen und sich entlang der Achse relativ dazu zu bewegen. Die Abschirmungsteile minimieren gemeinsam den Austritt des Magnetflusses aus der Vorrichtung, indem sie für eine abgeschirmte und umschlossene Magneteinheit sorgen. Durch das Fehlen eines äußeren Magnetflusses wird eine benachbarte Anordnung einer beliebigen Anzahl von Antrieben und Sensoren möglich, ohne daß das Problem der gegenseitigen Durchdringung auftritt, da sich die nahe liegenden Antriebe und Sensoren einander nicht magnetisch beeinflussen.

Claims

1. Elektromagnetische Vorrichtung (46, 48) zur Verwendung in einem die Coriolis-Kraft nutzenden Massedurchflußmesser für die gegenseitige Umwandlung mechanischer und elektri-scher Energie, umfassend

- eine mit einem ersten Ende der Vorrichtung verbundene Spuleneinheit (82; 162'),

- eine bezüglich der Spuleneinheit (82; 162') bewegliche und für eine Wechselwirkung mit dieser Spuleneinheit eingerichtete Magneteinheit (72; 178), die mit einem zweiten Ende der Vorrichtung verbunden ist, und

- eine erste an dieser Magneteinheit (72; 178) befestigte und sie umgebende Abschirmung (70; 176), wobei diese erste Abschirmung (70) eingerichtet ist, das auf diese erste Abschirmung (70; 176) wirkende äußere Magnetfeld zu verringern,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem

- eine an der Spuleneinheit befestigte zweite Abschirmung (84; 160) umfaßt, wobei die erste und die zweite Abschirmung (70, 84; 160, 176) eine diese Spuleneinheit umgebende Abschirmungseinheit enthalten und eine der Abschirmungen derart eingerichtet ist, daß sie in die andere dieser Abschirmungen paßt und sich in bezug auf diese bewegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Abschirmungseinheit (70, 84; 160, 176) ein magnetisch durchdringbares Material enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Abschirmungseinheit (70, 84; 160, 176) Stahl enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die Magneteinheit (72; 178) ein Magnetteil (75, 76) mit einer magnetischen Orientierung umfaßt, die im wesentlichen nach einer Achse ausgerichtet ist, die zwischen dem ersten und zweiten Ende der Vorrichtung verläuft.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Magneteinheit (72; 178) einen Polschuh (78) und zwei Magnetteile (75, 76) umfaßt, wobei der Polschuh zwischen diesen beiden Magnetteilen (75, 76) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die magnetischen Orientierungen der beiden Magnetteile (75, 76) im wesentlichen nach einer Achse ausgerichtet sind, die zwischen dem ersten und zweiten Ende der Vorrichtung verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die magnetische Orientierung eines Magnetteils (75) zu der magnetischen Orientierung des anderen Magnetteils (76) entgegengesetzt gerichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die beiden Magnetteile (75, 76) und der Polschuh (78) auf der zwischen dem ersten und dem zweiten Ende verlaufenden Achse angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Spuleneinheit (82; 162') einen Innenhohlraum begrenzt und die Magneteinheit (72; 178) innerhalb dieses Hohlraums angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Spuleneinheit (82; 162') im wesentlichen zylindrisch ist und magnetisch mit der Magneteinheit (72; 178) wechselwirkt.

11. Die Coriolis-Kraft nutzender Massedurchflußmesser (10), welcher ein kontinuierliches Durchflußrohr (18, 20) und eine elektromagnetische Vorrichtung (46, 48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt.

12. Durchflußmesser nach Anspruch 11, worin die Vorrichtung ein Antrieb (46) ist, welcher das Durchflußrohr um eine Schwingungsachse in Schwingung versetzt.

13. Durchflußmesser nach Anspruch 12, welcher außerdem einen Sensor (48) umfaßt, der an das Durchflußrohr angeschlossen und zur Messung der Größe der Coriolis- Kräfte eingerichtet ist, die als ein Ergebnis des Masseflusses in dem Teil des Durchflußrohres entstehen, welcher der Schwingungsbewegung unterliegt.

14. Durchflußmesser nach Anspruch 13, worin der Sensor umfaßt

- eine mit einem ersten Ende dieses Sensors verbundene Spuleneinheit (162'),

- eine bezüglich der Spuleneinheit bewegliche und für eine Wechselwirkung mit dieser Spuleneinheit eingerichtete Magneteinheit (178), die mit einem zweiten Ende dieses Sensors verbunden ist, und

- eine diese Spuleneinheit und diese Magneteinheit umgebende Abschirmungseinheit (160, 176), die eingerichtet ist, das auf diese Abschirmungseinheit wirkende äußere Magnetfeld zu verringern.

15. Durchflußmesser nach Anspruch 13 oder 14, worin Sensor (48) und Antrieb (46) nebeneinander angeordnet sind.

16. Durchflußmesser nach Anspruch 11, worin die Vorrichtung ein Sensor (48) ist, eingerichtet zur Messung der Größe der Coriolis-Kräfte, die als ein Ergebnis des Masseflusses in dem Teil des Durchflußrohres entstehen, welcher der Schwingungsbewegung unterliegt.

17. Durchflußmesser nach Anspruch 16, der außerdem einen Antrieb (46) umfaßt, welcher an das Durchflußrohr angeschlossen ist, um es um eine Schwingungsachse in Schwingung zu versetzen.

18. Durchflußmesser nach Anspruch 17, worin Antrieb (46) und Sensor (48) nebeneinander angeordnet sind.

19. Durchflußmesser nach Anspruch 15 oder 18, welcher darüber hinaus ein zweites kontinuierliches Durchflußrohr enthält

20. Durchflußmesser nach Anspruch 19, worin das Durchflußrohr und das zweite Durchflußrohr im wesentlichen parallel sind.

21. Durchflußmesser nach Anspruch 19, worin der Antrieb und der Sensor zwischen dem Durchflußrohr und dem zweiten Durchflußrohr angeordnet sind.

22. Durchflußmesser nach Anspruch 21, worin das erste Ende von Antrieb und Sensor an eines der Durchflußrohre und das zweite Ende von Antrieb und Sensor an das andere der Durchflußrohre angeschlossen ist.

23. Durchflußmesser nach Anspruch 13 oder 17, welcher weiterhin einen zweiten Antrieb und einen zweiten Sensor enthält, wobei die Antriebe das Durchflußrohr an verschiedenen, entlang des Durchflußrohrs befindlichen Punkten um die Schwingungsachse antreiben.

24. Durchflußmesser nach Anspruch 23, worin der Teil des Durchflußrohrs zwischen dem Paar von Antrieben (46) ein im wesentlichen gerader Abschnitt (26) ist.