DE69210244T2

DE69210244T2 - Massendurchflussmesser nach dem Coriolsprinzip

Info

Publication number: DE69210244T2
Application number: DE69210244T
Authority: DE
Inventors: Paul Zoltan Lafayette Co 80026 Kalotay
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1991-08-01
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2012-07-31
Also published as: WO1993003336A1; EP0597021A1; US5321991A; AU2433592A; HK1003233A1; JPH06509649A; EP0597021B1; DE69210244D1; JPH0820295B2; CA2113800C; HUT67983A; HU216462B; BR9206318A; HU9400268D0; CA2113800A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Corioliseffekt-Durchflußmesser. Sie betrifft weiter das Schaffen eines Corioliseffekt-Durchflußmessers zum Messen des Fluid-Massendurchflusses in einem Rohr oder einer Leitung. Weiter betrifft sie noch das Schaffen von Durchflußmeßgeraten, die an vorhandenen Rohren qder Leitungen befestigt werden, um als Coriolis- Durchflußmesser betrieben zu werden.
Meßgeräte für die Massendurchflußrate, die Auswirkungen der Coriolis-Kraft benutzen, sind dem Fachmann wohl bekannt. Es ist bekannt, daß der Durchfluß eines Fluides oder eines anderen Materials durch eine oszillierende Leitung Coriolis-Kräfte erzeugt, die senkrecht sowohl zur Geschwindigkeit der sich durch die Leitungen bewegenden Masse als auch dem Winkelgeschwindigkeits-Vektor der Oszillation der Leitung stehen. Die Größe der Coriolis-Kräfte hängt von der Material-Massendurchflußrate als Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Leitung ab.
Typischerweise benutzen bekannte Durchflußmesser ein oder zwei Durchflußrohre, um den Materialfluß durch eine Leitung zu richten. Diese Rohre können kontinuierlich gekrümmt und in der Durchflußleitung angebracht oder an einer im wesentlichen starren schweren Stütze befestigt sein. Die Rohre werden normalerweise durch einen Elektromagnetantrieb in Schwingung versetzt. Die durch die Masse des durch die oszillierenden Röhren fließenden Materials entstehenden Corioliseffekt-Kräfte verursachen eine Verdrillbewegung in den Rohren. Das Verdrillen der Rohre wird an symmetrischen Stellen der Rohre durch Positions- oder Geschwindigkeits-Sensoren gemessen. Die Zeitdifferenz zwischen den Bewegungen der Rohrelemente an voneinander entfernten Stellen wird zur Bestimmung der Massendurchflußrate benutzt. Andere Variable, die sich aus der Phasenverschiebung der Oszillation ergeben, wurden auch zu dieser Bestimmung verwendet.
Die Durchflußmesser nach dem Stand der Technik besitzen eine Anzahl von Nachteilen. Sie erfordern alle eine Ablenkung des Materialflusses in speziell vorgesehene Durchflußrohre der Meßinstrumente. Das erzeugt einen Druckabfall und reduziert das Volumen des Materialstromes durch das Rohrsystem, von dem das Meßinstrument ein Teil ist. Viele Durchflußmesser nach dem Stand der Technik hängen von Phasenverschiebungsmessungen der Oszillation oder Verdrillung der Durchflußrohre ab. Das erfordert normalerweise eine Jsolierung der Durchflußrohre gegen äußere Vibrationen. Die Verwendung von Doppelrohren erhöht die Genauigkeit durch Reduzieren von Fehlern infolge äußeren Vibrationen. Das Anbringen der Rohre an äußeren Stützautbauten kann wiederum, beispielsweise an einem Schiff oder an einer anderen vibrierenden Struktur, Vibrationen verursachen und Rauschen zu den Rohren übertragen lassen.
Beispiele von Durchflußmessern nach dem Stand der Technik, die mindestens einige dieser Nachteile zeigen, sind geoffenbart in EP-A-0 282 217 und den Patent Abstracts of Japan, Band 8, Nr. 58 (p-261) (1495) vom 16. März 1984 und in JP-A-58206928.
Es besteht gegenwärtig ein Bedürfnis nach Durchflußmessern zum Messen der Massendurchflußrate von Material innerhalb eines Rohres oder einer anderen Leitung, bei denen nur eine minimale Abwandlung des Rohres oder der Leitung zur Aufnahme des Meßinstruments erforderlich ist. Es besteht auch ein Bedürfnis, ein Meßinstrument zu schaffen, das nicht zusätzliche Druckabfälle innerhalb des Rohres schafft oder den Materialfluß verringert, und das nicht für äußeres Rauschen und äußere Schwingungen hochempfindlich ist.
Dementsprechend schafft die Erfindung, mit Bezug auf das aus EP-A-0 282 217 Bekannte, einen Durchflußmesser zum Messen der Massendurchflußrate von durch einen Rohrabschnitt fließendem Material, welcher Durchflußmesser umfaßt:
Bewegungserfassungs-Fühlermittel zum Erfassen von Querablenkung des Rohrabschnittes an einer ersten Stelle;
ein Vibrationsantriebsmittel an einer zweiten Stelle des Rohrabschnittes;
Mittel, die zum Betreiben des Vibrationsantriebsmittels angeordnet sind, um den Rohrabschnitt mit einer Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes zu vibrieren; und
Mittel zum Bestimmen der Massendurchflußrate des durch den Rohrabschnitt fließenden Materials aus der durch das Bewegungserfassungs-Fühlermittel erfaßten Querablenkung des Rohrabschnittes;
dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungserfassungs-Fühlermittel und das Vibrationsantriebsmittel an dem Rohrabschnitt an der ersten bzw. der zweiten Stelle befestigt sind;
die erste Stelle eine Nulldurchflußknoten-Stelle der Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes ist;
und das Bestimmungsmittel mit dem Bewegungserfassungs-Fühlermittel die Amplitude der Querablenkung des Rohrabschnittes an der ersten Stelle mißt.
Zusätzlich schafft die Erfindung weiter ein Verfahren zum Bestimmen von Information einschließlich der Massendurchflußrate von durch einen Rohrquerschnitt fließendem Material, welches Verfahren die Schritte umfaßt:
Positionieren eines ersten Bewegungsdetektors an einer ersten Rohrabschnitt-Stelle,
Positionieren eines Vibrations-Antriebs an einer zweiten Rohrabschnitt-Stelle,
Betreiben des Antriebs zum Oszillieren des Rohrabschnittes mit einer Frequenz, die eine Harmonische der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes ist, und
Bestimmen der Massendurchflußrate des durch den Rohrabschnitt fließenden Materials aus der durch den ersten Bewegungsdetektor erfaßten Bewegung des Rohrabschnittes an der ersten Stelle, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stelle des Rohrabschnittes eine Nulldurchflußknoten-Stelle der Harmonischen der Eigenschwingungs frequenz des Rohrabschnittes ist, der erste Bewegungsdetektor an dein Rohrabschnitt an der ersten Stelle befestigt ist,
und die Massendurchflußrate des durch den Rohrabschnitt strömenden Materials bestimmt wird durch Messen der Amplitude einer Querablenkung der ersten Stelle des Rohrabschnittes mit dem ersten Bewegungsdetektor in einer zur Längsrichtung des Rohrabschnittes senkrechten Richtung.
Das erfindungsgemäße Meßinstrument mißt die Massendurchflußrate durch Messen der Corioliskraft-Effekte des strömenden Materials bei Ausführen einer Schwingung. Die den erfindungsgemäßen Durchflußmesser bildende Vorrichtung kann direkt an einem bestehenden Rohrsystem angeklemmt werden. Die Vorrichtung kann alternativ als ein durch Aufnahme desselben in ein bestehendes Rohrsystem gebrauchsfertiger Durchflußmesser geliefert werden. Der erfindungsgemäße Durchflußmesser erfordert keine äußeren Stützen, um das Meßinstrument von äußeren Vibrationen zu isolieren. Äußere Stützen können hinzugefügt werden, wo die Länge des Rohrabschnittes zu groß ist für einen wirksamen Betrieb eines praktischen Durchflußmessers. In diesen Situationen können zusätzlich äußere Stützen eingesetzt werden. Diese zusätzlichen äußeren Stützen werden entsprechend den Einzelheiten des beabsichtigten bestimmten Verwendungszweckes ausgelegt.
Bei einer bevorzugten Ausführung benutzt das Meßinstrument nach der vorliegenden Erfindung eine Ansteuerung, z.B. einen magnetostriktiven Antreiber, der einen Querschnitt des Rohres zur Schwingung mit einer harmonischen Frequenz der Eigenfrequenz des Rohrabschnittes, beispielsweise mit der zweiten Harmonischen, bringt. Der Antrieb, der die Schwingungsbewegung mit der zweiten harmonischen Frequenz des Rohrabschnittes erzeugt, wird bei einem Gegenknoten der zweiten Harmonischen der Eigenfrequenz oder in der Nähe dieses Knotens oder an anderen Stellen an dem Rohr angebracht, ausgenommen an einem Knoten der zweiten Harmonischen der Eigenfrequenz. Beim Anbringen des Antriebs, der durch eine Rückkoppelschaltung zur Aufrechterhaltung der gewünschten Frequenz und Amplitude der Schwingung gesteuert wird, werden keine äußeren Stützen verwendet. Ein Bewegungsfüh-1er, wie ein Akzelerometer, ist benachbart dem Antrieb angebracht und umfaßt einen Teil einer Rückkoppelschaltung zum Steuern des Antriebs. Bei einer alternativen Ausführung wird eine durch eine äußere Stütze abgestützte Elektromagnetspule benutzt, um das Rohr zum Schwingen zu bringen.
Ein anderer Bewegungsfühler, vorzugsweise ein Akzelerometer, ist an einem Ort angebracht, der einen Knoten der zweiten Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohres bei einer Durchflußrate Null des Materials im Rohr umfaßt. Dieser Knoten wird von hier an als der "Nulldurchflußknoten" bezeichnet. Keine äußeren Stützen sind zum Anbringen dieser Fühlervorrichtung in einer bevorzugten Ausführung erforderlich.
Die Coriolis-Kräfte, die sich infolge des durch das schwingende Rohr fließenden Materials ergeben, ergeben eine Versetzung des Nulldurchflußknotens in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Materialtlusses. Die Vektorkomponente der Winkelgeschwindigkeit des durch das Rohr strömenden Materials erzeugt auf die Wand des Rohres einwirkende Kräfte. Diese Kräfte versetzen die Position der Nulldurchflußknoten-Stelle des Rohres in einer Richtung quer zur Stelle des Knotens ohne Materialdurchfluß. Da das Rohr während eines Vibrationszyklus zwei Extremlagen annimmt, eine angetriebene und eine nicht angetriebene, verschiebt sich die Nulldurchflußknoten-Rohrstelle zweimal während jedes Zyklus in Querrichtung. Der an dem Nulldurchflußknoten angebrachte Fühler übersetzt diese Querversetzung in ein Positions-Geschwindigkeits- oder -Beschleunigungs-Signal, das zur Massendurchflußrate proportional ist. Aus dieser Querversetzung kann ein Maß für die Massendurchflußrate des durch das schwingende Rohr fließenden Materials abgeleitet werden. Da der Bewegungsfühler nur Beschleunigung mißt und deswegen die frequenzabhängige Amplitude der Querversetzung der Nulldurchflußknoten-Stelle, hängt die Messung nicht von der Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen ab, wie es oft bei Anordnungen nach dein Stand der Technik der Fall ist. Das erlaubt die Verwendung elektrischer Filter, um das Ansprechen des Bewegungsfühlers auf äußeres Rauschen und äußere Vibration zu reduzieren. Damit brauchen die Elemente des Durchflußmessers nicht isoliert und können direkt an dem Rohr angebracht werden. Das beseitigt zusätzliche Druckabfälle in dem Rohr und die Notwendigkeit einer komplizierten Befestigung des Durchflußmessers. Der Durchflußmesser nach der vorliegenden Erfindung kann direkt an bestehenden Rohren angebracht werden, oder alternativ kann der Durchflußmesser vorgefertigt und in ein Rohrsystem aufgenommen werden, indem ein Abschnitts des Rohres abgeschnitten und die vorgefertigte Einheit eingepaßt wird. Auch die Elemente des Durchflußmessers zum Antrieb des Rohres und zum Messen der Massendurchflußrate können unter Benutzung äußerer Stützen und Elektromagnetspulen angebracht werden.
Der erfindungsgemäße Durchflußmesser kann entweder an im wesentlichen geraden oder an gekrümmten Rohren benutzt werden. Bei der vorliegenden Erfindung können auch ggf. zusätzliche Fühler an den Rohrstützen angebracht werden, um äußeres Rauschen zu erfassen und auszugleichen und damit eine höhere Meßgenauigkeit zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar und löst dessen Probleme. Insbesondere lehrt die EP-Patentanmeldung EP-A-O 282 217 nicht das Ansetzen eines Fühlers an dem Nulldurchflußknoten.
Die Patent Abstracts of Japan, Band 8, #58, (p-261) (1495) vom 16. März 1984 und JP-A-58206926 lehren nicht das Ansetzen eines Fühlers an einem Nulldurchflußknoten.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung, da sie nur das Ansetzen eines einzigen Fühlers an einer Nulldurchflußknoten- Stelle des Rohrabschnittes erfordert.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung möglicher beispielhafter und bevorzugter Ausführungen, im Zusammenhang mit den Zeichnung genommen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen beispielhaften und bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine grundsätzliche Nulldurchfluß-Amplitude der Schwingungskurve mit der zweiten Harmonischen der Eigenfrequenz eines Rohrabschnittes und die Amplitude von Schwingungskurven infolge der Corioliseffekt-Kräfte bei Materialdurchfluß durch das Rohr;
Fig. 3 ist eine Seiten-Schnittansicht eines magnetostriktiven Antriebs einer möglichen beispielhaften bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine Seiten-Schnittansicht eines Elektromagnetantriebs, der ein zweite mögliche beispielhafte bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt;
Fig. 5 und 6 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungen des Massendurchflußmessers; und
Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführung der Steuerschaltung tür den Antrieb 20.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung, die einen Massendurchflußmesser zum Messen der Massendurchflußraten von Material durch eine Leitung wie ein Rohr umfaßt, und ein Betriebsverfahren für diesen. Der vorgesehene Massendurchflußmesser kann an bestehenden Rohren ohne Ablenken oder Begrenzen des Materialtlusses oder ohne die Notwendigkeit von komplizierten Anbringungsprozeduren angebracht werden. Alternativ kann der Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung als eine Einheit zum Einbauen in ein bestehendes Rohrsystem hergestellt werden. Der Durchflußmesser der Erfindung ist an verschiedenen Größen und Formen von Rohren und unter den meisten Betriebsbedingungen einsetzbar. Die Leitungen, mit denen der Durchflußmesser benutzt wird, werden hier als Rohre bezeichnet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beschreibung begrenzt. Andere Arten von geschlossenen Leitungen, wie Röhren und dergleichen, liegen innerhalb des beanspruchten erfinderischen Konzeptes.
Eine mögliche beispielhafte bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Es ist ausdrücklich zu verstehen, daß diese beschriebene Ausführung nur zu Erklärungszwecken dargestellt wird, und nicht den Umfang des beanspruchten erfinderischen Konzeptes begrenzen soll. Andere Ausführungen werden als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
Das geoffenbarte Meßinstrument wird an Rohren oder Leitungen angebracht, die befähigt sind, die durch die kombinierten Auswirkungen der Vibration und der Coriolis-Kräfte erzeugten Belastungen auszuhalten. Derartige Materialien sind dem Fachmann wohl bekannt.

Überblick über das System:

Ein Rohrabschnitt 10 wird in Fig. 1 durch Elemente 12, 14 abgestützt Der Abstand zwischen diesen Elementen bestimmt die Frequenz, mit der das Rohr 10 vibriert, da der Abstand eine Wellenlänge der Schwingungsfrequenz ergibt. Falls die Rohrlänge 10 für einen praktischen Betrieb des Durchflußmessers zu groß ist, können eine oder mehrere zusätzliche Stütze(n) zwischen den Elementen 12 und 14 an dem Rohr 10 angebracht werden, um diese Rohrlänge zu bestimmen. Die erfindungsgemäßen Durchflußmeßelemente werden an das Rohr 10 angeklemmt, ohne daß wesentliche Modifizierungen oder Änderungen des Rohres erforderlich sind, um die Massendurchflußrate des innerhalb des Rohres transportierten Materials zu messen. Das Rohr 10 ist hier als im wesentlichen gerades Rohr mit konstantem Querschnitt gezeigt. Es ist zu verstehen, daß der Durchflußmesser nach der vorliegenden Erfindung auch bei unterschiedlichen Formen und Gestaltungen von Rohren einsetzbar ist. Das Rohr 10 und die Stützen 12, 14 können schon zuvor vorhanden sein, wie in einer Pipeline oder bei einem anderen industriellen Einsatz.
Der Durchflußmesser nach Fig. 1 enthält einen Antrieb 20, direkt auf das Rohr 10 bei oder in der Nähe eines Antiknotens der zweiten Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz oder an irgendeiner anderen Stelle außer einem Knoten der zweiten Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz angeklemmt ist. Zusätzliche zum Antrieb 20 gleichartige Antriebe können auch an dem Rohr 10 angeklemmt werden, um zur Symmetrie beizutragen oder die Belastung für das Rohr auszugleichen. Jedoch ist das System der vorliegenden Erfindung auch mit nur einem Antrieb, wie gezeigt, betreibbar Der Antrieb 20 enthält eine Rückkoppelschaltung, in der ein Bewegungsfühler 30 enthalten ist, der an dem Rohr direkt gegenüber dem Antrieb 20 oder in der Nähe des Antriebs 20 angebracht oder an dem Antrieb 20 selbst befestigt ist.
Die Durchflußmeßelemente enthalten weiter einen zweiten Bewegungsfühler 32, der an dem Rohr 10 an einer Nulldurchfluß- Schwingungsknotenstelle angebracht ist. Ein dritter Bewegungsfühler 34 kann an einer der Stützen, beispielsweise der Stütze 14, angebrach werden. Die Bewegungsfühler 30 und 32 werden direkt am Rohr 10 befestigt. Es kann an einer vorbestimmten Stelle ein Gegengewicht 40 an dem Rohr 10 angebracht werden, beispielsweise an dem harmonischen Gegenknoten der Eigenschwingungsfrequenz des Rohres 10, um die durch den Antrieb 20 geschaffene Belastung auszugleichen. Wenn gewünscht, kann ein zweiter Antrieb an dieser Stelle angebracht werden, oder das Gegengewicht 40 oder ein zweiter Antrieb können beseitigt werden.
Bei einer zweiten möglichen bevorzugten Ausführung wird der Durchflußmesser als ein speziell vorgesehener Rohrabschnitt vorher angefertigt, der dann in einem bestehenden Rohrsystem aufgenommen wird. Ein Abschnitt des bestehenden Rohres wird entfernt und das vorgefertigte Rohr mit den bereits angebrachten Durchflußmeßelementen der Fig. 1 statt des entfernten Rohrabschnittes eingesetzt. Diese Ausführung kann gebrauchsfertig in Einsatzbereitschaft auf Lager gehalten werden. Der Betrieb dieses Durchflußmessers ist gleichartig zu dem vorstehend beschriebenen.
Andere mögliche beispielhafte Ausführungen enthalten einen Durchflußmesser, der in gleicher Weise wie das vorher beschriebene System betrieben wird, jedoch einen Antrieb besitzt, der von außen abgestützt wird, stattdirekt an dem Rohr angeklemmt zu sein. Alternativ kann der Antrieb, wie in Fig. 1 gezeigt, an dem Rohr angeklemmt werden, während die Fühler an externen Stützen angebracht sind.
Der Durchflußmesser nach der vorliegenden Erfindung kann auch Stützen enthalten, um eine Rohrlänge zu isolieren, die lange ungestützte Abschnitte besitzt. Das kann notwendig sein, um den Durchflußmesser gegenüber äußerem Rauschen zu isolieren oder die Resonanzfrequenz des Rohrabschnittes auf einen praktischen Wert herabzusetzen. Diese zusätzlichen Stützen sind von gut bekannter Auslegung. Bei der bevorzugten Ausführung kann jedoch der Durchflußmesser nach der vorliegenden Erfindung direkt ohne zusätzliche Stützen auf vorhandene Rohrleitungen geklemmt werden.

Betrieb des Systems:

Das Rohr 10 wird zwischen den Stützen 12, 14 durch den Antrieb 20 mit einer Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes 10, beispielsweise der zweiten Harmonischen, vibriert. Diese Frequenz ist eine Funktion der Eigenschaften des Rohres, einschließlich seiner Länge, seiner Masse, seiner physikalischen Eigenschaften und dergleichen. Die Amplituden kurve 200 der Fig. 2 stellt den Nulldurchflußzustand des mit seiner zweiten harmonischen Frequenz vibrierenden Rohres 10 dar. Diese Vibrationsfrequenz wird durch den Antrieb 20 und das Akzelerometer 30 über eine Rückkoppelschaltung, wie später beschrieben, aufrecht erhalten.
Die Kurve 200 besitzt Amplitude Null an jedem Ende, wo das Rohr durch die Stützen 12, 14 festgelegt ist, und an der Nulldurchflußknoten-Stelle 202, wenn der Durchfluß Null vorhanden ist. Der Bewegungsfühler 32 nach Fig. 1 ist an der Stelle 202 an dem Rohr 10 befestigt. Der Fühler 32 ist in Fig. 1 so dargestellt, daß er in der Mitte des Rohres 10 zwischen den Stützen 12, 14 sitzt. Jedoch kann sich die Nulldurchflußknoten-Stelle 202 und damit der Fühler 32 an verschiedenen Stellen zwischen den Stützen 12 und 14 befinden. Das kann ein Ergebnis einer möglichen unsymmetrischen Belastung es Rohres 10, physikalischer Eigenschaften des Rohres, der Verwendung oder der Nichtverwendung von zusätzlichen Antrieben und Gegengewichten und anderer Faktoren sein.
Die Spitzenamplituden der Kurve 200 treten bei den Gegenknoten 204, 206 auf. Der Antrieb 20 wird vorzugsweise am oder in der Nähe des Gegenknotens 204 am Rohr 10 angebracht, und das Gegengewicht 40, das ein zweiter Antrieb sein kann, kann bei oder in der Nähe des Gegenknotens 206 angebracht werden, um die Antriebskräfte und die Rohrbelastung auszugleichen. Der Antrieb 20 kann an jeder Stelle außer der Nulldurchflußknoten-Stelle 202 angebracht werden. Das Anbringen des Antriebs bei einem Gegenknoten wird bevorzugt, um den Wirkungsgrad des Betriebes zu verbessern.
Der Antrieb 20 überträgt eine Querkraft auf das Rohr 10 und löst dann diese Kraft, um das Rohr 10 oszillieren zu lassen. Das wird angezeigt durch die Amplitudenkurve 200 während des angetriebenen Abschnittes des Zyklus und durch die Amplituden kurve 200' während des nicht angetriebenen Abschnittes des Zyklus. Die Gegenknoten 204, 206 kehren bei jedem Zyklus ihre Amplitude um und sitzen während des kraftfreien Abschnittes des Zyklus an den Stellen 204' und 206'.
Die Vibration des Rohres 10 bei Materialdurchfluß erzeugt auf jedes Element des Rohres einwirkende Coriolis-Kräfte. Die Amplitudenkurven 210, 220 des Rohres mit Fluiddurchfluß sind in Fig. 2 gezeigt. Die Ablenk-Amplituden des Rohres 10 sind in Fig. 2 übertrieben, um den Betrieb des Systems nach Fig. 1 zu erklären. Die Auswirkungen der Coriolis-Kräfte auf das Rohr 10 lassen die Amplitudenkurve 10 (entsprechend dem ersten Abschnitt des Antriebszyklus) gegenüber der Amplitudenkurve 200 des Nulldurchflußzustandes nach links verschieben. Das im Rohr 10 fließende Material widersteht den durch das vibrierende Rohr mitgeteilten Wirkungen. Der Anfangsabschnitt der Kurve 210 nimmt infolge der Coriolis-Kraft-Wirkungen des Materials, die gegen die Wände des Rohres 10 wirken, in seiner Amplitude im Vergleich mit der Kurve 200 ab. Das läßt den Knoten (den Punkt der Amplitude Null) der Amplitudenkurve 210 zur Position 212 verschieben. In gleicher Weise ergeben die Coriolis-Kraft- Wirkungen auf das Rohr 10 während des zweiten Abschnittes des Zyklus eine Amplitudenkurve 220 des Rohres. Der Knoten 222 (Punkt der Amplitude Null) der Kurve 220 eilt dem Knoten 202 der Kurve 200 voraus.
Die zyklische Längsversetzung des Knotens 212 und des Knotens 222 schafft ein zyklische Quer-Amplitudenversetzung der Nulldurchflußknoten-Stelle 202 des Rohres 10 (wo der Sensor 32 sitzt). Diese in Fig. 2 dargestellte Querversetzung tritt auf zwischen dem Punkt 218 der Kurve 210, der die Versetzung der Kurve 210 gegen die Nulldurchflußknoten-Stelle 202 zeigt, und dem Punkt 228 der Kurve 220, der die Versetzung der Kurve 220 gegen die Nulldurchflußknoten-Stelle 202 zeigt. Diese zyklische Querversetzung der Nulldurchflußknoten-Stelle rührt von den Corioliskraft-Wirkungen des Fluiddurchflusses durch das schwingende Rohr 10 her. Da die Corioliskraft-Wirkungen von der Masse des im Rohr 10 fließenden Materials abhängen, wird die gemessene Querbeschleunigung und die davon abgeleitete Versetzung direkt für die Massendurchflußrate des Materials bezeichnend.
Der Bewegungsfühler 32 ist zum Messen der Amplitude der zyklischen Querversetzung des Rohres 10 an der Nulldurchflußknoten- Stelle 202 am Rohr 10 angebracht. Bei einer möglichen bevorzugten Ausführung ist der Fühler 32 ein Akzelerometer, das die Beschleunigung der Materialmasse an der Nulldurchflußknoten- Stelle 202 mißt. Das Akzelerometer 32 ist direkt an dem Rohr 10 angebracht und erfordert - anders als die Bewegungsfühler nach dem Stand der Technik - keinen stabilen externen Referenzpunkt. Das Ausgangssignal des Akzelerometers 32 kann so bearbeitet werden, daß es die Massendurchflußrate, die Gesamtinasse und andere Meßinformation ergibt. Dieses Signal hängt nur von der Amplitude des Querversatzes des Rohres 10 an der Nulldurchflußknoten-Befestigungsstelle 202 ab und erfordert keine Messung von Phasenverschiebungen. Das ergibt eine genaue zuverlässige Messung, die weniger für äußeres Rauschen und äußere Schwingungen empfindlich ist. Der Fühler 32 wirkt mit dem Fühler 34 zusammen, der an der Stütze 144 befestigt ist, um Rauschen in dem Ausgangssignal des Fühlers 32 zu beseitigen oder herabzusetzen. Der Betrieb der Fühler und der zugehörigen Schaltung wird nachfolgend im einzelnen diskutiert. Es sollte klar verstanden werden, daß die durch den Fühler 32 gemessene Amplitude nicht direkt proportional der Massendurchflußrate, sondern nur für sie bezeichnend ist. Der Grund dafür besteht darin, daß das Akzelerometer 32 ein Signal erzeugt, das der Beschleunigung proportional ist, während die Massendurchflußrate proportional der Verschiebung ist. Die Verschiebung ist das zweite Integral der Beschleunigung. Deswegen wird, um eine Ablesung der Massendurchflußrate bei jeder Rohrfrequenz zu ermöglichen (welche auf die Dichte des Materials im Rohr bezogen ist und sich mit ihr ändert), die durch den Fühler 32 gemessene Beschleunigung entsprechend der Frequenz der Rohrschwingung modifiziert.

Der Antriebsmechanismus 20:

Der Antrieb 20 bringt das Rohr 10 bei einer Harmonischen der Eigenfrequenz des Rohres 10, wie der zweiten Harmonischen, zum Schwingen. Verschiedene Mechanismen sind dargestellt, um diese Funktion auszuführen. Eine mögliche Ausführung des Antriebs 20 ist in Fig. 3 dargestellt. Der Antrieb 300 ist ein magnetostriktiver Wandler, der direkt auf das Rohr 10 geklemmt werden kann und zum Oszillieren des Rohres 10 ausreichend Kraft erzeugt. Der Antrieb 300 kann auch als Fühler benutzt werden, wie später diskutiert wird. Die exakten Parameter des Antriebs hängen von der Leistung, der Kraft, der Frequenz und den zum Betrieb erforderlichen Versetzungen ab. Jedoch ist die Auslegung des Antriebs dieser Ausführung im wesentlichen bei allen Abwandlungen die gleiche.
Der Antrieb 300 enthält einen zylindrischen Stab 32, der aus einer handelsüblichen Legierung wie TERFENOL-D gebildet ist. Ein rohrförmiger Permanentinagnet 300 umgibt den Stab 302, um ein Vorspannungs-Magnetfeld zu schaffen. Infolge der reversiblen Eigenschaften der beschriebenen Ausführungen kann der Antrieb auch als Fühler zum Messen der Vibrationskräfte dienen.
Durch eine Druckt eder 322 wird an dem Antrieb 300 eine Vorspannung geschaffen. Innerhalb des Permanentinagneten 304 ist eine Magnetspule 306 enthalten, die den Stab 302 umgibt, um ein Antriebsmagnetfeld zu schaffen. Der Magnetkreis wird geschlossen durch Weicheisendeckel (Polkappen) 308, 310. Die Magnetwicklung 306 und der Magnet 304 sind beide an der oberen Polkappe 310 befestigt.
Eine Klemmanordnung 312 befestigt den Antrieb 300 an dem Rohr 10. Die Klemmanordnung 312 enthält eine obere Montageplatte 314 und eine untere Montageplatte 316, die jeweils an das Äußere des Rohres 10 angepaßte gekrümmte Abschnitte besitzen. Mit Schrauben 318 werden die Montageplatten 314, 316 am Rohr 10 festgeklemmt.
Eine Masse 320 ist am Antrieb 300 angebracht, um eine Gegenmasse zum Rohr 10 zu schaffen, so daß der größte Teil der durch den Antrieb erzeugten Energie zum Rohr 10 übertragen wird. Die Verbindungsstange 324 beschränkt die Feder 322 auf eine Vertikalbewegung. Ein äußerer Mantel 326 umgibt den Antrieb und wirkt auch mit der Endplatte 328 zusammen, um die Feder 324 in Druckspannung zu halten. Ein Haltering 330 hält die Endplatte 328 in dem Mantel 326 fest.
Ein Wechselstrom wird an die Wicklung 306 durch die Schaltung nach Fig. 5, 6 oder 7 angelegt, um ein Magnetfeld an den Nickellegierungsstab 302 anzulegen. Wenn dieses Magnetfeld zu dem Vorspannungsfeld des Permanentinagneten 304 hinzugefügt wird, verursacht es eine Verlängerung des Stabes 302. Wenn ein Wechselstrom an die Wicklung 306 angelegt wird, verlängert sich der Stab 302 und kehrt zu seiner Norinallänge zurück mit der Frequenz des Wechselstromes. Eine Kraft wird durch die Längung des Stabes 302 erzeugt, die über den Führungsstab 324 und die Klemmanordnung 312 auf das Rohr 10 übertragen wird. Die Masse 320 schafft eine Reaktionskraft gegen den Stab 302, so daß die Kraft aus der Längung des Stabes 302 zum Rohr 10 übertragen wird. Wenn der Strom in der zweiten Hälfte des Wechselstromzyklus seine Richtung ändert, wird das antreibende Magnetfeld in der Wicklung 306 reduziert und der Stab 302 kehrt zu seiner Normallänge zurück. Das nimmt die Kraft vom Rohr ab. Die zyklischen Änderungen der Längung des Stabes 302 schaffen eine auf das Rohr 10 wirkende Antriebskraft, die dieses in Schwingung versetzt. Die Schwingung des Rohres 10 kann gesteuert werden durch Steuern der Amplitude und Frequenz des an die Wicklung 306 angelegten Antriebsstromes. Eine Regeischaltung (Rückkoppelschaltung) wird benutzt, um die Schwingung des Rohres 10 bei der korrekten Frequenz und einer notwendigen Amplitude zu halten.
Der magnetostriktive Antrieb 300 kann auch als Fühler für Rückkoppelzwecke benutzt werden, um die Amplitude und die Frequenz der Antriebskraft zu steuern. In dieser Ausführung kann der Antriebsstrom für die Spule 306 periodisch unterbrochen werden, beispielsweise bei jedem fünften bis zehnten Zyklus. Während jeder Unterbrechung arbeitet der Antrieb 300 als Signaldetektor. Der Stab 302 wird dann durch das oszillierende Rohr und das Gegengewicht 320 komprimiert. Diese Komprimierung erzeugt ein elektromagnetisches Feld in der Wicklung 306. Die sich ergebende Spannung wird aufgenommen, da der Antrieb 300 als Aufnahmefühler für die Steuerung der Frequenz und der Amplitude der Schwingung des Rohres 10 wirkt.

Zweite bevorzuate Ausführung des Antriebs:

Eine zweite mögiche beispielhafte bevorzugte Ausführung des Antriebs 20 ist in Fig. 4 dargestellt. Der Antrieb 400 benutzt eine Elektromagnetspule 406, um das Rohr 10 in Schwingung zu versetzen. Der Antrieb 400 enthält eine Rückkoppelschleife 403, die durch einen Spulenkörper 404 an einer äußeren Stütze 401 getragen wird. Der Permanentinagnet 409 ist an dem Rohr 10 angebracht und der Spulenkörper 404 ist gleitend darüber gesetzt. Die Spulendrähte 403 sind spiralig um den Spulenkörper 404 gewickelt, so daß eine Magnetspule gebildet wird. Die Spulendrähte 403 erstrecken sich von der Magnetspule zum Eingang eines Verstärkers 405. Eine zweite Reihe von Spulendrähten 406 ist an dem Ausgang des Verstärkers 405 angeschlossen und spiralförmig um den Spulenkörper 407 gewickelt. Der Spulenkörper 407 ist gleitend über den Permanentinagneten 408 geschoben, der ebenfalls an dem Rohr 10 befestigt ist, um eine Antriebselektromagnetspule zu bilden. Der Spulenkörper 407 wird durch eine äußere Stütze 402 gehalten. Ein Signal von der Rückkoppeispule 403 wird an den Verstärker 405 angelegt, der ein Antriebssignal zum Schaffen eines Magnetteldes an die Spule 406 anlegt. Wenn ein Antriebs-Wechselstrom an die Spule 406 angelegt wird, bringt der Elektromagnet das Rohr 10 zum Schwingen. Die Rückkoppelwicklung 403 und der Verstärker 405 halten den Kreis mit der zweiten Harmonischen der Eigenfrequenz des Rohres 10 in Schwingung.

Beschreibung der Fig. 5

Fig. 5 zeigt die Einzelheiten der Schaltung, die mit den Akzelerometern 30, 32 und 34 und dem Antrieb 20 zusammenwirkt zum Vibrieren des Rohres 10 nach Fig. 1 mit der zweiten Harmonischen seiner Eigenfrequenz und zum Erzeugen der Information über den Materialfluß im Rohr 10. Die Akzelerometer 30, 32 und 34 sind die gleichen Elemente, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, und werden benutzt, um der Schaltung nach Fig. 5 Signale zuzuführen. Der Antrieb 20 nach Fig. 1 ist in Fig. 5 oben rechts gezeigt. Diese Schaltung empfängt ein Signal vom Akzelerometer 32, das die Bewegung der Nulldurchflußknoten-Stelle des Rohres 10 darstellt, die sich aus der Coriolis-Kraft ergibt, welche das das Rohr 10 durchfließende Material erzeugt, wenn das Rohr mit einer Harmonischen seiner Eigenfrequenz vibriert wird. Sie verarbeitet dieses Signal und wandelt es von einem Spannungs- in ein Frequenzsignal, das benutzt werden kann, die Masse des Materialdurchflusses in dem Rohr während eines bestimmten Zeitraumes zu bestimmen. Sie wandelt weiter dieses Signal von einem Spannungs- in ein strommoduliertes Signal, um die Massendurchflußrate des Materials innerhalb des Rohres 10 anzuzeigen.
Die oberste Reihe von Elementen in Fig. 5 umfaßt einen selbstabstimmenden Oszillator, der das Akzelerometer 30 zum Erfassen der durch den Antrieb 20 erzeugten Schwingung des Rohres 10 benutzt. Das Ausgangssignal des Akzelerometers 30 steuert die Frequenz und die Amplitude des an dem Antrieb 20 anliegenden Signals. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Akzelerometer 30 an dem gleichen Abschnitt des Rohres 10 angebracht oder ihm zugeordnet, an dem der Antrieb 20 angebracht oder welchem er zugeordnet ist. Das Ausgangssignal des Akzelerometers 30 wird über den Pfad 502 an den Verstärker 503 angelegt, der sein Ausgangssignal über den Pfad 504 an einen Verstärker 506 mit variablem Gewinn anlegt. Der Verstärker 506 besitzt ein internes Referenzpotential, welches die maximale Amplitude des an den Pfad 507 anzulegenden Signals darstellt. Der Verstärker 506 empfängt das Ausgangssignal des Verstärkers 503 und legt über den Pfad 507 ein Ausgangssignal mit der gewünschten gesteuerten Amplitude an. Dieses gesteuerte Signal wird an den Leistungsverstärker 508 angelegt, der über den Pfad 509 ein Signal der erforderlichen gesteuerten Amplitude zum Vibrationsantrieb des Rohres 10 mit einer Harmonischen seiner Eigenfrequenz an den Antrieb 20 anlegt.
Die mittlere (und untere) Reihe von Elementen in Fig. 5, beginnend mit den Akzelerometern 32 und 34 links, und erstrekkend bis zu den Elementen 540 und 541 rechts erfaßt die Amplitude der Bewegung der Nulldurchflußknoten-Stelle des Rohres 10, die dem Akzelerometer 32 zugeordnet ist, und legt ein frequenzinoduliertes Signal an den Pfad 524 und ein strommoduliertes Signal an dem Pfad 527 an. Das Akzelerometer 32 steuert den Verstärker 513 über dem Pfad 511 an, der ein verstärktes Signal über den Pfad 515 an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 536 anlegt. Das Akzelerometer 34 ist mit der Außenumgebung z.B. einer Grundbefestigung verbunden, an welcher die Klemme 14 nach Fig. 1 angebracht ist, um so externes Rauschen zu erfassen, das ebenfalls dem Rohr 10 mitgeteilt werden kann. Das Ausgangssignal des Akzelerometers 34 wird über den Pfad 531 an den Verstärker 533 angelegt, der sein Ausgangssignal über den Pfad 537 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 536 anlegt. Der Gewinn des Verstärkers 533 ist so eingestellt, daß an den invertierenden Eingang des Verstärkers 534 ein Rauschsignal angelegt wird, dessen Amplitude der Komponente des durch den Akzelerometer 32 aufgenommenen und an den Pfad 515 angelegten Rauschsignals entspricht. Der Verstärker 536 reduziert die Rauschkomponente des Signals 515 und legt ein Signal über den Pfad 538 an das Bandpaßfilter 516 an. Das Bandpaßfilter 516 filtert andere unerwünschte Frequenzen aus, so daß sein Ausgangssignal am Pfad 517 nur die gewünschten und nützlichen Frequenzkomponenten des Signals besitzt, das ursprünglich durch das Akzelerometer 32 erzeugt wurde. Dieses gefilterte Signal am Pfad 517 wird an den Eingang eines Synchron-Demodulators 518 angelegt, der auch am Pfad 504 ein das Antriebssignal darstellendes Eingangssignal empfängt. Der Synchron-Demodulator 518 erhält so sowohl das Antriebssignal am Pfad 507 wie auch das gefilterte Signal am Pfad 517 und erzeugt ein Ausgangssignal, das nur die Frequenzelemente enthält, die der Eigenresonanzfrequenz des Rohres 10 zugeordnet sind. Das Verstärker/Filter 521 verstärkt und filtert weiter das Signal am Pfad 519, und sein Ausgangssignal 522 stellt ein Massendurchflußraten-Signal dar, das an den Spannungs/Frequenz- Wandler 523 und an den Spannungs/Strom-Wandler 526 angelegt wird. Das Element 523 wandelt das Signal am Pfad 522 von einem Spannungs- in ein proportionales Frequenzsignal, das über den Pfad 524 an den Summenbildner 540 angelegt wird, der das empfangene Signal integriert. Das Signal am Pfad 524 kann auch an externe Geräte angelegt werden. Das Signal 522 wird auch an den Spannungs/Strom-Wandler 526 angelegt, dessen Ausgangssignal 527 an den Indikator oder Anzeiger 521 angelegt wird. Das Signal 527 umfaßt einen Strom, der zur Massendurchflußrate proportional ist, und sein Empfang erlaubt es dem Element 521, am Pfad 543 die Massendurchflußrate des Materials im Rohr 10 anzuzeigen.

Beschreibung der Fig. 6

Fig. 6 beschreibt Details einer Schaltung, die mit der in Fig. 5 vergleichbar ist, jedoch eine Alternative zu dieser bildet. Die Schaltung nach Fig. 6 erhält Ausgangssignale von Akzelerometern 30, 32 und 34, erzeugt ein Signal, das den Antrieb 20 das Rohr 10 mit einer Harmonischen seiner Eigenfrequenz in Schwingung versetzt, und erzeugte Signale, die den Summenbildner 540 veranlassen, die Gesamtmassen-Durchflußanzeige während eines Zeitraumes darzustellen, und das Element 541 veranlassen, ein die Massendurchflußrate innerhalb des Rohres darstellendes Ausgangssignal zu erzeugen. Die Schaltung nach Fig. 6 benutzt die geschalteten Kondensatorfilter (switched capacitor filters SCF) 650 und 658 zusammen mit der phasenstarren Schleife (PLL) 651 statt des Bandpaßfilters 516 und des Synchron-Detektors 518 nach Fig. 5.
Um einen Vergleich der Schaltungen nach Fig. 5 und 6 zu ermöglichen, sind Elemente in Fig. 6, die mit solchen in Fig. 5 identisch sind, auf entsprechende Weise mit Zahlen in der 500-er Reihe bezeichnet, während Elemente in Fig. 6, die in Fig. 5 nicht gezeigt sind, mit Bezugszeichen in der 600-er Reihe bezeichnet sind. Die Akzelerometer 30, 32 und 34 und der Antrieb 20 sind in beiden Fig. 5 und 6 identisch bezeichnet und diese Elemente führen die gleichen bereits beschriebenen Funktionen aus.
Das Akzelerometer 30 und der Verstärker 503 funktionieren in der bei Fig. 5 beschriebenen Weise zum Erfassen und Verstärken eines für die Bewegung des durch den Antrieb 20 zur Vibration angeregten Abschnittes des Rohres 10 bezeichnenden Signals. Dieses Signal wird über den Pfad 504 an den Eingang eines geschalteten Kondensatorfilters 650 und an den Eingang einer phasenstarren Schleife 651 angelegt. Das geschaltete Kondensatorfilter 650 funktioniert, wie nachfolgend beschrieben, zum Anlegen eines bandpaß-gefilterten Signals über den Pfad 663 an den Eingang des Verstärkers 506, der, wie in Fig. 5 beschrieben, als ein Verstärker mit variablem Gewinn funktioniert, um die Amplitude des an den Antrieb 20 angelegten Signals zu steuern und zu begrenzen. Das Ausgangssignal des Verstärkers 506 wird über den Pfad 507 an den Leistungsverstärker 508 angelegt, der über dem Pfad 509 ein Ansteuersignal an den Antrieb 20 anlegt.
Wie für Fig. 5 beschrieben, legen die Akzelerometer 32 und 34 zusammen mit ihrer zugeordneten Schaltung einschließlich des Rauschaufhebungs-Verstärkers 536 ein Signal über den Pfad 538 an das geschaltete Kondensatorfilter 658 an. Das Signal 538 repräsentiert die erfaßte Bewegung des Nulldurchflußknoten- Abschnittes des Rohres 10, das dem Akzelerometer 32 zugeordnet ist, verursacht durch den kombinierten Effekt des Antriebs 20 und der Coriolis-Kraft, die durch den Materialfluß in dem Rohr 10 entsteht, wenn das Rohr mit einer Harmonischen seiner Eigenfrequenz vibriert wird. Das Signal 538 wird an das geschaltete Kondensatorfilter 658 angelegt, das es filtert und ein Bandpaßgefiltertes Signal über den Pfad 659 an das Verstärker/Filter 521 anlegt. Das Element 521 arbeitet in einer Weise ähnlich der bereits bei Fig. 5 beschriebenen zum Ansteuern des Spannungs/ Frequenz-Wandlers 503 und des Spannungs/Strom-Wandlers 526. Diese Elemente lassen den Summenbildner 540 und den Anzeiger 541 Ausgangssignale schaffen, die jeweils den gesamten Massendurchfluß am Pfad 524 bzw. die Massendurchflußrate am Pfad 543 repräsentieren.
SCF 650 und. PLL 651 arbeiten mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 653 so zusammen, daß das geschaltete Kondensatorfilter 650 wirksam das am Pfad 504 empfangene Signal filtern kann. Um dies zu tun, muß das geschaltete Kondensatorfilter 650 ein Taktsignal empfangen, das ein gesteuertes Vielfaches der Frequenz des Eingangssignals am Pfad 504 ist. Das Signal am Pfad 504 wird sowohl an SCF 650 als auch an PLL 651 angelegt. PLL 651 erfaßt die Frequenz und die Phase des Signals am Pfad 504 und Pfad 654 und legt mittels seines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 653 ein Taktsignal an den Pfad 657, das das erforderliche Vielfache der Frequenz des Signals am Pfad 504 ist. PLL 651 verriegelt sich mit Signalen, die um 900 relativ zueinander phasenverschoben sind, an Pfaden 504 und 654. Wenn SCF 650 durch das Taktsignal am Pfad 657 auf die exakte Frequenz des Signals am Pfad 504 abgestimmt ist, ist der Tiefpaßausgang 654 des Schaltkondensatorfilters in dieser gewünschten 900 phasenverschobenen Lage. PLL 650 ist zum Schließen der Schleife abgestützt durch Schaffen der gewünschten phasenstarren Frequenz am Pfad 657 und hält diese Beziehung durch den Betriebsbereich des Durchflußmessers, ohne Rücksicht auf irgendwelche mögliche Veränderungen der Frequenz des Eingangssignals 504. Das Signal am Pfad 655 vom PLL 651 wird durch das Tiefpaßfilter 652 gefiltert und über Pfad 656 an VCC 653 angelegt, um ein die Frequenz des Eingangssignals am Pfad 504 repräsentierendes Eingangssignal zu schaffen. Die Schaltung in Fig. 6, welches SCF 650, PLL 651 und das Tiefpaßfilter (TPF) 652 enthält, ist gleichartig zu der in dem Aufsatz mit dem Titel "Clock Tracks Switch-Cap Filter" von Marcus Julian auf Seite 131 der Zeitschrift Electronic Design vom 12. Januar 1989 gezeigten Schaltung.

Beschreibung der Fig. 7

Fig. 7 zeigt einen Oszillator und eine Ansteuerschaltung, die eine Alternative zu der aus Fig. 5 und 6 ist, und es erlaubt, daß die Wicklung des Antriebs 20 sowohl als Ansteuerwicklung, wie vorher beschrieben, aber auch als Detektor wirkt. Das beseitigt die Notwendigkeit für einen Akzelerometer 30. Die Antriebsschaltung 700 an Fig. 7 umfaßt den Impulsgenerator 701, einen Multiplexer 703, einen Antrieb 20, einen Abtast/Halte- Kreis 705 und eine Zeitgeberschaltung 706. Der Betriebszustand des Multiplexers 703 wird durch die Zeitgeberschaltung 706 über den Pfad 711 gesteuert. Die Schaltung erlaubt, steuerbar das Eingangssignal der Antriebswicklung 20 entweder über Pfad 709 mit dem Ausgang des Verstärkers 702 oder über Pfad 710 mit dem Eingang des Verstärkers 704 zu verbinden.
Der Abtast/Halte-Kreis 705 enthält eine Schaltung, die unter Beeinflussung durch die Zeitgeberschaltung 706 arbeitet und Eingangssignale von dem Ausgang des Verstärkers 704 empfängt. Der Abtast/Halte-Kreis sendet periodisch Steuersignale über Pfad 707 zum Impulsgenerator 701, um ihn zur Erzeugung eines Impulses einer vorbestimmten Amplitude und Länge zu veranlassen. Dieser erzeugte Impuls wird über Pfad 708 angelegt, durch den Verstärker 702 verstärkt und über Pfad 709 an die Antriebsspule 20 angelegt, wenn der Multiplexer 703 sich in der in Fig. 1 bezeichneten Position befindet. Dieser Impuls läßt das Rohr bewegen, an welchem die Antriebsspule 20 angebracht ist.
Nach der Erzeugung dieses Impulses sendet der Abtast/Halte- Kreis ein Signal über Pfad 711, um den Multiplexer in die Betriebsposition umzuschalten, in der die Antriebsspule 20 mit Pfad 710 verbunden ist. In dieser Position induziert die Bewegung des Rohres, die sich aus dem Anlegen des ersten Antriebsimpulses an die Spule 20 ergibt, eine Spannung in der Spule 20, die nun als Signaldetektor arbeitet. Dieses erfaßte Signal wird über Pfad 710 angelegt, durch den Verstärker 704 verstärkt und über den Pfad 714 an den Abtast/Halte-Kreis 705 angelegt. Der Kreis analysiert die Kennwerte des empfangenen Signals, um zu bestimmen, ob das Rohr mit der richtigen Amplitude und Frequenz vibriert. Wenn die Vibrationsamplitude und -frequenz des Rohres korrekt sind, läßt der Abtast/Halte-Kreis 705 die Betriebsposition des Multiplexers zu der in Fig. 1 gezeigten umkehren und sendet ein Steuersignal über Pfad 707 zum Impulsgenerator 701, so daß dieser nun einen zweiten Impuls mit den gleichen Kennwerten wie den des ersten erzeugten Impulses erzeugt. Dieser zweite Impuls wird über Verstärker 702 und Multiplexer 703 an die Antriebsspule 20 angelegt, um das Vibrierenen des Rohres 10 bei der korrekten Frequenz und Amplitude fortzusetzen.
Wenn jedoch der Abtast/Halte-Kreis 705 aus dem Signal an Pfad 714 bestimmt, daß das Rohr nicht mit der korrekten Amplitude und Frequenz vibriert, ändert es die Charakteristik des Signals, das sie an Pfad 707 anlegt, um dem Impulsgenerator 701 zu befehlen, die Charakteristik seines erzeugten Impulses zu ändern, der an die Antriebsspule 20 angelegt wird. Dies ergibt eine Vibration des Rohres 10 mit korrekter Frequenz und Amplitude.
Es kann aus dem Vorangehenden ersehen werden, daß die Schaltung nach Fig. 7 darin vorteilhaft ist, daß sie die Notwendigkeit beseitigt, ein Akzelerorneter 30 als separates Rückkoppelelement für die Antriebsschaltung des Antriebs 20 vorzehen. Das wird erreicht durch Benutzen des Antriebs 20 als Doppelfunktions- Element, das während eines Zeitraums über den Multiplexer 703 an ein Ansteuer- oder Antriebssignal angeschlossen ist, um das Rohr 10 mit der erforderlichen Amplitude und Frequenz in Schwingung zu versetzen, und während eines anderen Zeitraums als Signaldetektor benutzt wird, wenn die Betriebsposition des Multiplexers so umschaltet, daß die Antriebsspule des Antriebs 20 mit der Schaltung verbunden wird, die einen Abtast/Halte- Kreis enthält mit zugehörigem Signalprozessor, der die Amplitude und Frequenz der Antriebssignale für den Antrieb 20 steuert.
Das Vorstehende hat gezeigt, wie die Schaltungen nach Fig. 5, 6 oder 7 benutzt werden können, um Antriebssignale für den Antrieb 20 zu erzeugen und dort anzulegen. Falls gewünscht, kann auch die Vorrichtung und Schaltung nach US-PS 5 009 109, ausgegeben am 23. April 1991 an Paul Kalotay u.a. zum Erzeugen und Anlegen eines nichtkontinuierlichen Antriebssignals an den Antrieb 20 benutzt werden.
Es wurde eine bestimmte Ausführung dieser Erfindung geoffenbart, und es wird erwartet, daß der Fachmann auf diesem Gebiet alternative Ausführungen dieser Erfindung, die in den Bereich der angefügten Ansprüche fallen, auslegen kann und wird.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen von Information, welche die Massendurchflußrate von durch einen Rohrabschnitt (10) fließendem Material einschließt, welches Verfahren die Schritte umfaßt:

Positionieren eines ersten Bewegungsdetektors (32) an einer ersten Rohrabschnitt-Stelle,

Positionieren eines Vibrations-Antriebs (20) an einer zweiten Rohrabschnitt-Stelle,

Betreiben des Antriebs (20) zum Oszillieren des Rohrabschnittes (10) mit einer Frequenz, die eine Harmonische der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes ist, und Bestimmen der Massendurchflußrate des durch den Rohrabschnitt (10) fließenden Materials aus der durch den ersten Bewegungsdetektor (32) erfaßten Bewegung des Rohrabschnittes an der ersten Stelle,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stelle des Rohrabschnittes eine Nulldurchflußknoten-Stelle der Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes ist,

der erste Bewegungsdetektor (32) an dem Rohrabschnitt (10) an der ersten Stelle befestigt ist,

und die Massendurchflußrate des durch den Rohrabschnitt (10) strömenden Materials bestimmt wird durch Messen der Amplitude einer Querablenkung der ersten Stelle des Rohrabschnittes (10) mit dem ersten Bewegungsdetektor (32) in einer zur Längsrichtung des Rohrabschnittes senkrechten Richtung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bestimmens den Schritt umfaßt:

Messen der durch den Materialfluß und die Schwingung des Rohrabschnittes zusammen verursachten Amplitude der Querablenkung der ersten Rohrabschnittstelle mit dem Bewegungsdetektor (32),

Anlegen eines Ausgangssignals des Detektors, das die gemessene Amplitude repräsentiert, an eine Meßvorrichtung, und Betreiben der Meßvorrichtung (540, 541) zum Bestimmen der Massendurchflußrate des Materials in dem Rohrabschnitt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Schritt des Oszillierens des Rohrabschnittes die Schritte umfaßt:

Positionieren eines zweiten Bewegungsdetektors (30) an der zweiten Stelle des Rohrabschnittes,

Betreiben des zweiten Bewegungsdetektors (30) zum Erfassen der Schwingungsamplitude der zweiten Rohrabschnittstelle,

Anlegen eines Ausgangssignals von dem zweiten Bewegungsdetektor an eine Steuerschaltung (504, 507, 508), um ein Treibersignal (509) mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude mit der Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes zu erzeugen, und

Anlegen des Konstantamplitudensignals an den Antrieb (20), so daß der Antrieb den Rohrabschnitt mit einer im wesentlichen konstanten Amplitude mit der Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes oszilliert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Verfahren weiter die Schritte umfaßt:

Positionieren eines dritten Bewegungsdetektors (34) zum Erfassen von durch Rauschen aus der äußeren Umgebung des Rohrabschnittes erzeugten Schwingungen,

Anlegen eines Ausgangssignals des dritten Detektors an eine Subtrahierschaltung (536)

Anlegen eines Ausgangssignals des ersten Bewegungsdetektors an die Subtrahierschaltung,

wobei die Subtrahierschaltung wirksam ist, aus der äußeren Umgebung stammende Rauschsignale aus dem Ausgangssignal des ersten Bewegungsdetektors zu entfernen, um ein die Amplitude der Bewegung der Rohrabschnittstelle repräsentierendes gefiltertes Signal zu schaffen, welche Amplitude gemeinsam durch die Schwingung durch die Coriolis-Bewegung des Rohrabschnittes infolge des Materialtlusses in dem oszillierenden Rohrabschnitt verursacht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die harmonische Frequenz die zweite Harmonische der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Vibrationsantrieb (20) einen magnetostriktiven Wandler (300) zum Oszillieren des Rohrabschnittes enthält und der Schritt des Betreibens des Antriebs enthält:

Anlegen eines Antriebsstromes an den den magnetostriktiven Wandler, um das magnetostriktive Element in dem Wandler zu einer Verlängerung und zu einer Rückkehr zur normalen Länge entsprechend der Frequenz des Antriebsstromes zu zwingen; und

Einstellen der Frequenz des Antriebsstromes zum Betreiben des Antriebs zum Antreiben des Rohrabschnittes mit der harmonischen Frequenz.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren weiter die Schritte umfaßt:

periodisches Anhalten des Anlegens des Antriebsstromes an den magnetostriktiven Wandler;

Messen der durch die Längenänderungen des magnetostriktiven Elements durch die Schwingungskräfte des Rohrabschnittes erzeugten elektromotorischen Kraft, um die Oszillationsfrequenz des Rohrabschnittes zu bestimmen; und

Anlegen eines sich aus der gemessenen elektromotorischen Kraft ergebenden Signals an die Steuerschaltung zum Betreiben des magnetostriktiven Wandlers mit dem harmonischen Modus der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Vibrationsantrieb eine an einer äußeren Stütze getragenen Elektromagnetspule (306) zum Oszillieren des Rohrabschnittes enthält; und

wobei der Betrieb des Vibrationsantriebes eine Anbringung (401) einer an einer äußeren Stütze getragenen Rückkoppelspule enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Verfahren weiter die Schritte umfaßt:

Festklemmen eines Abschnittes des Rohres an einer dritten (12) und einer vierten (14) Rohrstelle, die voneinander Abstand haben, um eine Querbewegung des Rohrabschnittes an der dritten und vierten Rohrstelle zu verhindern,

wobei der erste Bewegungsdetektor (32) an dem Rohrabschnitt an der ersten Rohrabschnittsstelle zwischen der dritten und der vierten Rohrstelle befestigt ist, und die erste Stelle einen Nulldurchfluß-Vibrationsknoten für eine Harmonische der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnitts umfaßt, und wobei der Vibrationsantrieb (20) an dem Rohr an der zweiten Stelle zwischen der ersten Rohrstelle und der dritten Rohrstelle befestigt ist, welche Stelle keinen Vibrationsknoten des Rohrabschnitts bei der harmonischen Frequenz umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Detektor und der Antrieb nur an dem Rohrabschnitt angebracht sind, und von einer Befestigung an einem unbeweglichen Objekt frei sind.

11. Durchflußmesser zum Messen der Massendurchflußrate von durch einen Rohrabschnitt (10) fließenden Material; wobei der Durchflußmesser umfaßt:

Bewegungserfassungs-Fühlermittel (32) zum Erfassen von Querablenkung des Rohrabschnittes (10) an einer ersten Stelle;

ein Vibrationsantriebsmittel (20) an einer zweiten Stelle des Rohrabschnittes (10);

Mittel (30, 503, 507, 508), die zum Betreiben des Vibrationsantriebsmittels (20) angeordnet sind, um den Rohrabschnitt (10) mit einer Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes zu vibrieren; und

Mittel (540, 541) zum Bestimmen der Massendurchflußrate des durch den Rohrabschnitt (10) fließenden Materials aus der durch das Bewegungserfassungs-Fühlermittel (32) erfaßten Querablenkung des Rohrabschnittes;

dadurch gekennzeichnet, daß das Bewegungserfassungs-Fühlermittel (32) und das Vibrationsantriebsmittel (20) an dem Rohrabschnitt (10) an der ersten bzw. der zweiten Stelle befestigt sind;

die erste Stelle eine Nulldurchflußknoten-Stelle der Harmonischen der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes (10) ist;

und das Bestimmungsmittel (540, 541) mit dem Bewegungserfassungs-Fühlermittel (32) die Amplitude der Querablenkung des Rohrabschnittes (10) an der ersten Stelle mißt.

12. Durchflußmesser nach Anspruch 11, bei dem das Mittel zum Vibrieren des Rohrabschnittes (10) einen zweiten benachbart dem Vibrationsantriebsmittel (20) angebrachten Fühler (30) enthält und eine Rückkoppelschaltung (503, 506, 508), die zwischen dem zweiten Fühler (30) und dem Vibrationsantriebsmittel (20) angeschlossen ist, um die Harmonische der Vibrationsfrequenz zu steuern.

13. Durchflußmesser nach Anspruch 11 oder 12, bei dem das Vibrationsantriebsmittel (20) an dem Rohrabschnitt (10) durch Mittel (312) zum Klemmen des Vibrationsantriebsmittels direkt an dem Rohrabschnitt ohne äußere Stützen befestigt ist.

14. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Vibrationsantriebsmittel umfaßt einen magnetostriktiven Antrieb (300) zum Oszillieren des Rohrabschnittes (10) mit einer Frequenz, die bestimmt ist durch die Frequenz eines an den magnetostriktiven Antrieb angelegten Antriebsstromes.

15. Durchflußmesser nach Anspruch 14, bei dem der magnetostriktive Antrieb (300) enthält:

einen zylindrischen Stab aus einer Nickellegierung (302); eine den Stab umgebende Magnetspule (306) zum Anlegen eines elektromagnetischen Antriebsfeldes an den Stab, um den Stab zu einer Verlängerung zu treiben, wenn das elektromagnetische Feld angelegt ist, und zu der normalen Länge zurückkehren zu lassen, wenn das elektromagnetische Feld weggenommen ist;

Mittel (508,) um einen Wechselstrom an die Spule anzulegen;

einen die Spule umgebenden rohrförmigen Permanentinagneten (304), um ein Vorspannungs-Magnetfeld für die Spule und den Stab zu schaffen;

magnetische Rückschlüsse (310, 308) an jedem Ende des Magneten, um einen Magnetkreis zu schließen;

elastisches Mittel (322) zum Schaffen einer Vorspannung an dem Stab, um den Leistungswirkungsgrad des Antriebes zu verbessern; und

eine Masse (320) um eine Gegenkraft für den Antrieb zu schaffen.

16. Durchflußmesser nach Anspruch 11, bei dem das Vibrationsantriebsinittel (20) weiter Mittel (30) zum Erfassen der Oszillationsfrequenz des Rohrabschnittes (10) umfaßt.

17. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem das Bewegungserfassungs-Fühlermittel (32) ein Akzelerometer enthält.

18. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem der Durchflußmesser weiter an dem Rohrabschnitt angebrachte Stützmittel (12, 14) enthält, um den Rohrabschnitt gegen äußere Vibrationen zu isolieren.

19. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem der Durchflußmesser weiter eine Vielzahl von an dem Rohrabschnitt zum Vibrieren des Rohrabschnittes befestigten Vibrationsantriebsmitteln (20) umfaßt.

20. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 17, welcher Durchflußmesser umfaßt:

Mittel (12, 14) zum Klemmen eines Abschnittes des Rohres an einer dritten und einer vierten Rohrstelle, die voneinander Abstand aufweisen, um Querbewegungen des Rohrabschnittes an der dritten und der vierten Rohrstelle zu verhindern,

wobei der Bewegungsdetektor (32) an dem Rohrabschnitt an einer ersten Stelle zwischen der dritten und der vierten Stelle befestigt ist, die erste Stelle eine Nulldurchfluß- Vibrationsknoten für eine Harmonische der Eigenschwingungsfrequenz des Rohrabschnittes umfaßt, und

das Vibrationsantriebsmittel (20) an dem Rohr an einer zweiten Stelle zwischen der ersten Stelle und der dritten Stelle befestigt ist und die zweite Stelle kein Vibrationsknoten des Rohrabschnittes bei der harmonischen Frequenz ist.

21. Durchflußmesser nach Anspruch 20, wobei der Rohrabschnitt (10) im wesentlichen geradlinig und kurvent rei ist.

22. Durchflußmesser nach Anspruch 20, wobei das Fühlermittel (32) und das Antriebsmittel (20) nur an dem Rohrabschnitt (10) angebracht und frei von Anbringungen an einem nicht bewegbaren Objekt sind.

23. Durchflußmesser nach Anspruch 20, wobei der Rohrabschnitt eine innere Querschnittsfläche besitzt, die gleich der inneren Querschnittsfläche eines Materialzuführrohres und eines Materialabgangsrohres ist, die an den Enden des Rohrabschnittes angeschlossen sind.

24. Durchflußmesser nach Anspruch 20, wobei das Mittel zum Bestimmen umfaßt:

Mittel zum Messen der Amplitude einer Querablenkung der ersten Rohrabschnittsstelle, die zusammen durch den Materialfluß und die Schwingung erzeugt wird, mit dem Bewegungsdetektor (32),

Mittel (511) zum Anlegen eines Ausgangssignals des Detektors, das die gemessene Amplitude repräsentiert, an eine Meßvorrichtung, und

Mittel (540, 541) zum Betreiben der Meßvorrichtung, um die Massendurchflußrate des Materials in dem Rohrabschnitt zu bestimmen.