DE69533747T2

DE69533747T2 - Coriolisdurchflussmesser

Info

Publication number: DE69533747T2
Application number: DE1995633747
Authority: DE
Inventors: Takashi Shinjuku-ku Endo; Kenichi Shinjuku-ku Matsuoka; Kimihiro Shinjuku-ku Ichinose; Hidemi Shinjuku-ku Seki; Shingo Shinjuku-ku Gomi
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2015-08-22
Also published as: EP0759542A1; DE69533747D1; ES2232817T3; EP0759542B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Coriolis-Durchflussmesser und insbesondere einen Coriolis-Durchflussmesser derjenigen Art mit einem Doppelrohr oder einem Ausgleichsrohr, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.
Ein Coriolis-Durchflussmesser dieser Art ist in der EP-A-598 287 offenbart. Der Durchflussmesser enthält einen Doppelrohrbereich, der in axial bewegbaren Scheiben oder Flanschen gelagert ist, die in einem Gehäuse enthalten sind. Keine weitere radiale Lagerung ist für den Doppelrohrbereich vorgesehen. Die bewegbaren Scheiben werden jeweils durch Blattfedern belastet, die in axialer Ausrichtung mit den bewegbaren Scheiben angeordnet sind.
Die DE-A-41 43 361 beschreibt einen Coriolis-Durchflussmesser mit einem Doppelrohrbereich, dessen inneres Rohr im Gehäuse durch einen Verstärkungszylinder gelagert ist und mit einer faltenbalgähnlichen Form versehen sein kann. Zwischen dem Doppelrohrbereich und dem Gehäuse ist keine weitere radiale Lagerung vorgesehen.
Bekanntlich basiert ein Coriolis-Durchflussmesser auf dem Prinzip, dass dann, wenn ein Strömungsmittel einer Massenströmung "m" in einer Strömungsröhre fließt, die an beiden Enden durch Lagereinrichtungen gelagert sind, und mit einer periodischen Schwingung bei einer Winkelgeschwindigkeit "ω" um die Lagerpunkte angetrieben wird, das Strömungsrohr der Wirkung einer Corioliskraft F unterworfen wird, die proportional einem Vektorprodukt der Massenströmung "m" und der Winkelgeschwindigkeit "ω" ist, wobei die Massenströmung "m" aus der gemessenen Corioliskraft F bestimmt werden kann. Insbesondere wird das Strömungsrohr durch die Corioliskraft F deformiert, was eine Phasendifferenz erzeugt, die proportional ist der Corioliskraft F, so dass man die Massenströmung "m" bestimmen kann, wenn man diese misst. Wenn ferner die Winkelgeschwindigkeit "ω" so ausgewählt ist, dass sie gleich einer natürlichen Frequenz "ω_o" der Schwingung des Strömungsrohrs um seine Lagerpunkte ist, kann die Dichte "ρ" des Strömungsmittels ebenfalls aus der natürlichen Frequenz "ω_o" bestimmt werden. Das Strömungsrohr, das einen wesentlichen Bereich des Coriolis-Durchflussmessers zum Messen einer Corioliskraft F und einer Dichte "ρ" des Strömungsmittels ist, kann entweder ein gerades Rohr oder ein gekrümmtes Rohr sein.
Das gekrümmte Strömungsrohr eines Coriolis-Durchflussmessers weist eine Form auf, die symmetrisch um eine Achse ist, die rechtwinklig zu einer Achse der Lagerteile, die die beiden Enden des Strömungsrohrs lagert, verläuft. Wenn das gekrümmte Strömungsrohr in einer Richtung rechtwinklig zu seiner Basisebene angetrieben wird, wird eine Corioliskraft F als Phasendifferenz der Schwingungen festgestellt, die an zwei symmetrisch gegenüberliegenden Positionen um die Symmetrieachse erzeugt werden. Bei einer konstanten Antriebsfrequenz wird die Phasendifferenz beispielsweise als Zeitdifferenz ΔT der Momente gemessen, wenn beide Arme des gekrümmten Strömungsrohrs durch eine Referenzebene hindurch treten, an der das gekrümmte Strömungsrohr im Ruhezustand (keine Schwingung) besteht. Dieses Verfahren wird dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasendifferenz mit einer höheren Empfindlichkeit festgestellt werden kann, indem man ein Drehmoment des gekrümmten Rohrs an den Feststellbereichen der Phasendifferenz erhöht. Eine Erhöhung des Drehmoments bewirkt jedoch eine Erhöhung der Größe des gekrümmten Rohrs, was wiederum einen größeren Einbauraum erfordert.
Andererseits hat ein gerades Strömungsrohr die einfachste Form, die die Größe des Coriolis-Durchflussmessers reduzieren kann. Insbesondere kann ein Coriolis-Durchflussmesser mit einem einzigen, geraden Rohr diesen Vorteil zeigen. Ein Coriolis-Durchflussmesser derjenigen Art mit mehreren Rohren hat jedoch eine Vielzahl von parallelen Rohren und hat eine entsprechend erhöhte Größe dieser Anordnung, was die Anordnung eines Abzweigbereichs zum gleichmäßigen Verteilen aller Strömungsrohre erfordert. Dieser Abzweigbereich ist ein gebogenes Rohr, das jedoch schwierig zu warten ist, insbesondere beim Reinigen.
Der Coriolis-Durchflussmesser derjenigen Art mit geradem Rohr (insbesondere mit einem einzigen, geraden Rohr) weist das oben genannte Merkmal auf hat jedoch andererseits eine hohe Steifigkeit und eine geringe Empfindlichkeit in Bezug auf das gerade Rohr für eine Reaktion auf eine Corioliskraft, d.h. ein schlechtes S.N.-Verhältnis (Signal-Rausch-Verhältnis). Der einfachste Weg zum Verbessern des S.N.-Verhältnisses des geraden Strömungsrohres liegt darin, das Strömungsrohr mit einer dünneren Wand oder einer größeren Länge auszugestalten. Ein dünneres Strömungsrohr kann jedoch leicht durch den Strömungsdruck beeinflusst werden und ein verlängertes Strömungsrohr kann leicht durch äußere Vibrationen beeinflusst werden, wegen seiner abgesenkten natürlichen Frequenz, und kann ferner einen Messfehler der Masseströmung (m) einbringen wegen einem Wechsel seiner natürlichen Frequenz (ω_o) durch den Effekt der thermischen Expansion.
Die japanische, offen gelegte Patentveröffentlichung Nr. 63-158419 offenbart einen Coriolis-Durchflussmesser der Art mit geradem Rohr, bei dem mindestens ein Messrohr innerhalb eines Tragzylinders montiert ist und an beiden Enden darin durch Ringmembrane gelagert ist. Ein an beiden Enden fixiertes Strömungsrohr kann einer mechanischen Spannung unterworfen werden, die darin durch thermische Verformung erzeugt wird, wodurch sich seine natürliche Frequenz ändert, was zu einer Übertragung von Schwingungsenergie des Strömungsrohrs auf den Tragzylinder und einem Verbindungsrohr führt. Die Anordnung der Ringmembrane hilft, das oben erwähnte Problem unter Ausnutzung ihrer Elastizität zu lösen.
Dieses Verfahren könnte ein Rauschen durch die Messbedingungen wegnehmen, wenn das gerade Rohr in der gleichen Größe und Form bleibt, bringt jedoch ein Problem dahingehend ein, dass die die Messrohrenden direkt lagernden Ringmembrane während einer langen Gebrauchsdauer ermüden können, was zu einer verringerten Zuverlässigkeit ihrer Wirkungsweise führt. Es ist weiterhin bekannt, dass das Strömungsrohr an den Ringmembranen einen radikal vergrößerten Abschnitt aufweist, wo eine Strömungskavitation mit einer geräuscherzeugenden Schwingung auftritt, was zu einer ernsthaften Verringerung der Stabilität der Messung führt. Um die Corioliskraft mit hoher Empfindlichkeit festzustellen, muss ein konventioneller Strömungsmesser mit geradem Rohr ein verlängertes Strömungsrohr aufweisen, um die Steifigkeit zu verringern, oder es muss eine Strömungsrate des Strömungsmittels erhöht werden. Wenn ein verlängertes Strömungsrohr angewendet wird, könnte es eine geringere natürliche Frequenz aufweisen, und könnte eher durch äußere Schwingungen beeinflusst werden. Erhöht man die Strömungsrate des Strömungsmittels, resultiert dies in einer Erhöhung des Druckverlustes im Strömungsrohr und gleichzeitig erhöht es die Rohrbelastung.
Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, wurde durch den Anmelder der vorliegenden Erfindung bereits vorher ein Coriolis-Durchflussmesser vorgeschlagen, der ein zylindrisches äußeres Gehäuse umfasst, das koaxial angeordnete Flansche an beiden Enden und ein integral konstruiertes Doppelrohr aufweist, das koaxial innerhalb des zylindrischen Gehäuses in einer Weise angeordnet ist, das es axial bewegbar aber radial begrenzt ist.
Ein äußeres Rohr des Doppelrohrbereichs ist ein Ausgleichsrohr, das mit einem Gewicht so einstellbar ist, dass es die gleiche natürliche Frequenz wie das innere Strömungsrohr in einer Richtung rechtwinklig zur Achse des inneren Strömungsrohrs aufweist, und ist an beiden Enden zusammen mit dem Strömungsrohr in den entsprechenden, zylindrischen Verbindungsblöcken befestigt, die an einer Umfangsfläche mit einem O-Ring in einer Wand des äußeren Gehäuses gelagert sind. Eine thermische Ausdehnung des Strömungsrohrs in seiner Axialrichtung durch die Wärme des durchfließenden Strömungsmittels kann durch die O-Ringe aus elastischem Material an den Lagerpositionen des Doppelrohrs abgegeben werden. Dadurch ist das Strömungsrohr frei von Beeinflussung seiner inneren Spannung. Die O-Ringe, die in Kontakt mit dem Strömungsmittel stehen, können leicht durch die Temperatur und den Druck des Strömungsmittels beeinflusst werden und können dadurch ihre Lagerpositionen ändern.
Es gibt einen Coriolis-Durchflussmesser von der Art mit einem Parallelrohr, wobei ein Ausgleichsrohr nicht koaxial sondern parallel zu einem Strömungsrohr angeordnet ist. Das Ausgleichsrohr ist vom Strömungsrohr getrennt, wodurch seine Temperatur sich nicht unmittelbar mit der Temperaturänderung des Strömungsrohres ändert und eine im Strömungsrohr erzeugte Spannung Einfluss nehmen kann auf die Schwingung des Ausgleichsrohrs.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein hauptsächliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser zu schaffen, der eine Massenströmung und eine Dichte eines Strömungsmittels messen kann, das in einem Strömungsrohr fließt, das koaxial in einem äußeren Ausgleichsrohr gemäß Anspruch 1 angeordnet ist.
Der Doppelrohrbereich ist weiterhin an beiden Enden auf entsprechenden Lagermitteln gelagert, die axial bewegbar jedoch radial begrenzt in den Verbindungsflanschen des äußeren Gehäuses vorgesehen sind, wodurch eine hohe Stabilität der Schwingung und eine hohe Empfindlichkeit der Messung der Corioliskraft sichergestellt wird, ohne Beeinflussung durch die Strömungsmitteltemperatur und den Druck.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser zu schaffen, der frei von Beeinflussung durch die Temperatur und den Druck des Strömungsmittels ist, indem man beide Enden eines inneren Strömungsrohrs, die vom Doppelrohrbereich vorstehen, mit entsprechenden flexiblen Rohren verbindet, die an ihren anderen Enden in der Wand eines äußeren Gehäuses gelagert sind, um Lagerpunkte für die Schwingung des Doppelrohrbereichs zu stabilisieren.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser zu schaffen, bei dem ein inneres Strömungsrohr des Doppelrohrbereichs seine beiden Enden verlängert hat, wobei jedes davon mit einem flexiblen Rohr verbunden ist, das an seinem anderen Ende gelagert ist, und wobei ferner der Doppelrohrbereich ebenfalls an seinen Bereichen nahe seinem Ende durch rechtwinklige Blattfedern unterstützt ist, von denen jede eine Ebene parallel zur Schwingungsrichtung aufweist und sich in Radialrichtung des Doppelrohrbereichs erstreckt, wobei die Richtung rechtwinklig zur Schwingungsrichtung ist, wodurch die beiden Enden des Doppelrohrbereichs in Axialrichtung bewegbar und in Schwingungsrichtung steif gelagert sind, so dass zwei Rohre des Doppelrohrbereichs in resonante Schwingungen versetzt werden können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser zu schaffen, dessen inneres Strömungsrohr des Doppelrohrbereichs an seinen beiden Enden verlängert ist, wobei jedes der Enden eine Expansionsöffnung aufweist und elastisch in einem Verbindungsflansch des äußeren Gehäuses gelagert ist, wobei beide Enden des Doppelrohrbereichs in Axialrichtung bewegbar und in Schwingungsrichtung steif gelagert sind, wodurch eine stabile Messung der Massenströmung gesichert wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser zu schaffen, bei dem das innere Strömungsrohr des Doppelrohrbereichs an seinen beiden Enden verlängert ist, wobei jedes eine expandierende Öffnung (beispielsweise ein glo ckenförmiges Mundende) aufweist und elastisch in einem Verbindungsflansch des äußeren Gehäuses gelagert ist, und wobei ferner der Doppelrohrbereich ebenfalls in endnahen Bereichen durch rechtwinklige Blattfedern gelagert sind, von denen jede eine Ebene parallel zu den Schwingungsrichtungen aufweist und sich in radialen Richtungen des Doppelrohrbereichs erstreckt, d.h. in einer Richtung rechtwinklig zur Schwingungsrichtung, wodurch die beiden Enden des Doppelrohrbereichs in vier Schwingungsknoten gelagert sind, wobei beide Enden in Axialrichtungen bewegbar sind, um die Bewegungen dieser Enden in Schwingungsrichtungen zu eliminieren, was eine stabile Schwingung und eine hohe Empfindlichkeit der Messungen der Massenströmung sichert, ohne dass dies durch die thermische Ausdehnung des Doppelrohrs beeinflusst wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser zu schaffen, der die Massenströmung eines Strömungsmittels bei einer Vielzahl von Dichten messen kann, indem die Menge der Gewichte, die am Ausgleich befestigbar sind, einstellt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser derjenigen Art mit geradem Rohr zu schaffen, der die Massenströmung stabil messen kann, ohne eine externe Störung durch eine einfache harmonische Schwingung des Strömungsrohrs zu bewirken, indem eine dünne, flache Aussteifungsstange vorgesehen wird, die das Strömungsrohr und das Ausgleichsrohr stabil unterstützen kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Coriolis-Durchflussmesser derjenigen Art mit geradem Rohr zu schaffen, der Ausgleichseinrichtungen verwendet, die aus einem konstant elastischen Material oder einem Material mit einem niedrigen Koeffizienten linearer Ausdehnung hergestellt sind, die fähig sind, ein konstantes Young-Verhältnis und eine konstante Länge auch bei Temperaturschwankungen aufrechtzuerhalten, was eine Änderung der Schwingungsdauer verhindert und seine Antwort auf eine Änderung der Strömungsmitteltemperatur erhöht, wodurch die Möglichkeit zum Kompensieren der gekoppelten Schwingungsdaueränderungen, abhängig nur von der Temperatur des Strömungsrohres sichergestellt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines konventionellen Coriolis-Durchflussmessers in Strömungsrichtung.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines konventionellen Coriolis-Durchflussmessers von derjenigen Art mit parallelen geraden Rohren, in Strömungsrichtung.
3A zeigt eine Spannung, verursacht in einem Strömungsrohr des konventionellen Coriolis-Durchflussmessers gemäß 2, wenn das Strömungsrohr thermisch verformt ist.
3B zeigt eine Wirkrichtung einer Spannung, die durch eine thermische Ausdehnung des parallelen, geraden Rohrs des Coriolis-Durchflussmessers gemäß 2 verursacht wird.
3C zeigt eine Wirkrichtung einer Spannung, verursacht durch eine thermische Ausdehnung des geraden Doppelrohrs des Coriolis-Durchflussmessers gemäß 1.
4A, 4B und 4C sind Ansichten zum Erläutern eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
6A und 6B sind Erläuterungen eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
7A und 7B sind Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
8A, 8B und 8C sind Ansichten zum Erläutern eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
9A und 9B sind Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
10A ist eine Querschnittsdarstellung in Fließrichtung zum Erläutern eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Coriolis-Durchflussmessers, der nicht zur vorliegenden Erfindung gehört.
10B ist eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen Bereichs des Coriolis-Durchflussmessers der 10A.
11A und 11B sind perspektivische Darstellungen zum Erläutern zweier Coriolis-Durchflussmesser derjenigen Art mit stangenförmigen Ausgleichseinrichtungen, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind.
12A, 12B und 12C sind perspektivische Darstellungen zum Erläutern von Schwingungsrichtungen einer Vielzahl von Ausgleichsvorrichtungen vom Stangentyp, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind.
13A, 13B, 13C und 13D sind Ansichten zum Erläutern von Schwingungsarten eines Coriolis-Durchflussmessers von der Art mit einem Doppelrohr.
Coriolis-Durchflussmesser, die ein einziges, gerades Strömungsrohr aufweisen, das mit einer Ausgleichsvorrichtung versehen ist, um zusammen mit dem Strömungsrohr zum Zweck angetrieben zu werden, eine Corioliskraft und eine Dichte eines Strömungsmittels, das im Strömungsrohr fließt, mit einer erhöhten Empfindlichkeit effektiv feststellen zu können, werden hauptsächlich in einem Typ mit einem geraden Doppelrohr und einem Typ mit einem parallelen, geraden Rohr eingeteilt. Ein konventioneller Coriolis-Durchflussmesser vom geraden Doppelrohrtyp und ein konventioneller Coriolis-Durch flussmesser vom Typ mit einem parallelen, geraden Rohr, werden nachfolgend beschrieben.
1 ist eine Darstellung eines konventionellen Coriolis-Durchflussmessers vom geraden Doppelrohrtyp in einem Schnitt entlang der Achse seines Strömungsrohrs, der ein zylindrisches, äußeres Gehäuse 1 mit Verbindungsflanschen 2₁ , 2₂ an beiden Enden und einem Doppelrohr 3 aufweist, das koaxial darin angeordnet ist. Das Doppelrohr 3 bildet einen wesentlichen Teil des Coriolis-Durchflussmessers, das aus einem inneren, geraden Strömungsrohr 4 besteht, durch das das messbare Strömungsmittel fließt, und ein äußeres, gerades (Ausgleichs-)Rohr 5 aufweist. Beide Rohre sind an beiden Enden in gemeinsamen Verbindungsblöcken 6a und 6b koaxial befestigt. Das Ausgleichsrohr 5 hat an seinem mittleren Bereich ein einstellbares Gewicht 10 zum Einstellen einer latenten, natürlichen Frequenz des Ausgleichsrohrs 5, so dass diese gleich einer latenten, natürlichen Frequenz des Strömungsrohrs 4 ist, das durch die Verbindungsblöcke gelagert ist. Eine Antriebseinrichtung 7 zum Antreiben des Strömungsrohrs 4 und des Ausgleichsrohrs 5 mit resonanten Schwingungen in Antiphase ist in der Mitte des Doppelrohrbereichs angeordnet. Sensorpaare 8 und 9 sind symmetrisch um die Antriebseinrichtung 7 am Doppelrohrbereich 3 angeordnet. Diese Sensoren 8 und 9 werden zum Feststellen einer Phasendifferenz des Strömungsrohrs 4 verwendet, die durch die Wirkung einer Corioliskraft erzeugt wird.
Die Verbindungsblöcke 6a, 6b des Doppelrohrbereichs 3 sind flüssigkeitsdicht an ihren äußeren Wänden mit O-Ringen 11a₁ , 11a₂ , 11b₁ , 11b₂ gegen innere Wände 2a₁ , 2b₂ der Flansche 2a₁ , 2b₂ des äußeren Gehäuses 1 abgedichtet, um das Strömungsmittel am Aussickern in das Gehäuse 1 zu hindern.
Wenn zwischen dem Doppelrohrbereich 3 und dem äußeren Gehäuse 1 durch einen großen Unterschied zwischen der Strömungsmitteltemperatur und der Umgebungstemperatur eine Temperaturdifferenz auftritt, wird im Doppelrohrbereich 3 wegen des dazwischen bestehenden Unterschieds der thermischen Ausdehnung eine innere Spannung erzeugt. O-Ringe 11a₁ , 11a₂ , 11b₁ , 11b₂ dienen als elastische Teile zum Entfernen einer derartigen inneren Spannung des Doppelrohrbereichs 3 und haben gleichzeitig den Effekt des Absperrens gegen äußere Vibrationen.
Der Doppelrohrbereich 3 ist nur durch die O-Ringe 11a₁ , 11a₂ , 11b₁ , 11b₂ elastisch gelagert, die aus einem synthetischen Gummi oder einem anderen organischen Material hergestellt sind und deren Elastizität demzufolge durch die Wirkung der Strömungsmitteltemperatur variieren kann. Da die O-Ringe 11a₁ und 11b₁ in direktem Kontakt mit dem in den Verbindungsflansch strömenden Strömungsmittel stehen, können sie die Befestigungskraft durch die Wirkung von Druckwechseln des Strömungsmittels variieren, was einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz hat.
2 ist eine Darstellung eines konventionellen Coriolis-Durchflussmessers des Typs mit geradem, parallelen Rohr, im Schnitt entlang der Achse seines Strömungsrohrs. In 2 hat ein gerades Strömungsrohr 4 glockenförmige Mundenden 4a und 4b, die am Umfang jeweils in Verbindungsflanschen 2₁ und 2₂ befestigt sind. Parallel mit dem Strömungsrohr 4 ist eine Ausgleichseinrichtung 15, beispielsweise in der Art eines geraden Rohrs, angeordnet, das an beiden Enden auf dem Körper des Strömungsrohrs durch Verbindungsplatten 16a und 16b befestigt ist. Das Ausgleichsrohr 15 hat im Mittelbereich seines Körpers ein einstellbares Gewicht 10, durch das seine natürliche Frequenz auf die natürliche Frequenz des Strömungsrohres eingestellt wird. Beide Rohre werden mit einer Resonanzfrequenz durch eine Antriebseinrichtung 7 angetrieben und eine Phasendifferenz proportional einer Corioliskraft, die im Strömungsrohr erzeugt wird, wird durch die Phasendifferenzsensoren 8 und 9 festgestellt. Sobald Hochtemperatur-Strömungsmittel während der Strömungsmessung durch das Strömungsrohr 4 fließt, gleicht sich das Strömungsrohr 4 thermisch mit der Strömung aus und expandiert entsprechend der Wärme. Wie in 3A gezeigt, verlängert sich das Strömungsrohr 4, das Ausgleichsrohr 15 verlängert sich jedoch nicht. Demzufolge kippen die Verbindungsplatten 16 in gegenüberliegende Richtungen um den Winkel θ bezüglich paralleler Linien Y-Y und die Reaktionskraft erzeugt eine Druckspannung auf das Strömungsrohr 4 in einer Richtung, die durch die Pfeile M gezeigt ist, und eine Zugspannung in der Ausgleichseinrichtung 15 in Richtung N. Die Verlagerung bewirkt, dass sich die Verbindungsplatten 16 verkippen und eine Biegespannung in beiden Rohren 4 und 15 erzeugen. Demzufolge ändert sich die Resonanzfrequenz, was zu einem Fehler in Messungen der Massenströmung führt. Der Coriolis-Durchflussmesser der Art mit Doppelrohr, gezeigt in 1, kann ebenfalls einer thermischen Spannung durch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung unterworfen werden, unterscheidet sich jedoch vom Fall des Coriolis-Durchflussmessers der Art mit parallelem Rohr wie folgt: Die 3B und 3C sind Ansichten zum Erläutern der Wirkrichtungen der thermischen Spannung des Coriolis-Durchflussmessers der Art mit parallelen, geraden Rohren gemäß 2 und des Coriolis-Durchflussmessers vom Typ mit geradem Doppelrohr gemäß 1. 3B zeigt die Wirkrichtung der durch eine thermische Ausdehnung des parallelen, geraden Rohrs erzeugten Spannung im Querschnitt und 3C zeigt die Wirkungsrichtung der durch die thermische Ausdehnung des geraden Doppelrohrs erzeugten Spannung im Querschnitt.
Beim Coriolis-Durchflussmesser der Art mit parallelem, geradem Rohr gemäß 3B sind die Punkte der thermischen Spannungseinwirkung symmetrisch nur um die Y-Achse. Beim Coriolis-Durchflussmesser der Art mit einem geraden Doppelrohr gemäß 3C sind die Punkte des Angriffs der thermischen Spannung symmetrisch um die X-Achse, die Y-Achse und alle anderen Achsen, wobei die Druckspannung und die Zugspannung nur in Axialrichtung des Rohrs aufgebracht werden und die thermische Ausdehnung in X-Richtung und Y-Richtung keinen Einfluss auf die Schwingung des Rohrs hat. Nur die axiale thermische Ausdehnung des Rohrs kann einen Einfluss auf seine Schwingung haben.
Die 4A, 4B und 4C sind Ansichten zum Erläutern eines Ausführungsbeispieles 1 eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. 4B ist eine Querschnittsdarstellung, eine rechtwinklig gedrehte Darstellung der 4A. Ein gerades Doppelrohr 3, das ein wesentlicher Bereich des Coriolis-Durchflussmessers ist, besteht aus einem inneren, geraden Strömungsrohr 4 und einem äußeren, geraden Ausgleichsrohr 5, wobei beide koaxial gelagert und jeweils an beiden Enden in entsprechenden Endverbindungsblöcken 6a und 6b befestigt sind. Ein Gewicht 10 ist in der Mitte des Ausgleichsrohrs 5 in Richtung der Oszillation angeordnet und mit seiner äußeren Wand verbunden. Das Gewicht 10 ist so ausgewählt, dass es eine natürliche Frequenz des Ausgleichsrohrs 5 auf eine natürliche Frequenz des Strömungsrohrs 4, in dem das messbare Strömungsmittel fließt, ausgleicht.
In der Mitte und zwischen dem Strömungsrohr 4 und dem Ausgleichsrohr 5 ist eine Antriebseinrichtung 7 für ein Oszillieren in Antiphase des Strömungsrohrs 4 und des Ausgleichsrohrs 5 mit einer Resonanzfrequenz angeordnet. Weiterhin sind Sensoren 8 und 9 an gegenüberliegenden Positionen symmetrisch um die Antriebseinrichtung 7 angeordnet. Diese Sensoren stellen Verlagerungen des Strömungsrohrs 4 relativ zum Ausgleichsrohr 5 fest, um eine Phasendifferenz proportional zu einer Corioliskraft zu bestimmen, die an dem Strömungsrohr wirkt. Verbindungsdrähte der Antriebseinrichtung 7 und der Sensoren 8 und 9 enden am Endbereich 1b für eine Verbindung nach außen.
Die Verbindungsblöcke 6a und 6b des Doppelrohrbereichs 3 sind koaxial mit O-Ringen 11a₁ , 11a₂ , 11b₁ , 11b₂ aus einem elastischen Dichtmaterial jeweils in entsprechenden Endwänden des äußeren zylindrischen Gehäuses 1 gelagert. Der Doppelrohrbereich 3 ist ebenfalls elastisch an den Innenflächen der Verbindungsblocks durch jeweilige Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , 12b₂ elastisch gelagert. Jede Blattfeder ist eine rechtwinklige, elastische Platte mit einer Ebene parallel zur Schwingungsrichtung entlang einer Linie, die die Antriebseinrichtung 7 mit dem Gewicht 10 verbindet, und erstrecken sich in Radialrichtung rechtwinklig zur Schwingungsrichtung. Das Strömungsrohr 4 und das Ausgleichsrohr 5, die den Doppelrohrbereich 3 bilden, werden durch die Antriebseinheit 7 in Schwingungen in Antiphase versetzt, in der durch die Pfeile (±F) gezeigten Richtung, unter Resonanzfrequenz.
Eine Corioliskraft, die proportional der Massenströmung ist, wird als Wert proportional zu einem Phasendifferenzsignal bestimmt, d.h. die Differenz der Ausgabewerte der Sensoren 8 und 9. Eine Dichte des gemessenen Strömungsmittels kann ebenfalls aus der Resonanzfrequenz bestimmt werden.
Wenn das Strömungsrohr 4 und das Ausgleichsrohr 5 des Doppelrohrbereichs 3 in resonante Schwingungen bei einer natürlichen Frequenz angetrieben werden, schwingen die Verbindungsblöcke 6a, 6b leicht in Axialrichtungen gemäß der Antriebs-Frequenzamplitude. Wenn der Doppelrohrbereich 3 durch die Blattfedern gegen das äußere Gehäuse 1 in der gleichen Richtung wie die resonante Schwingungsrichtung gelagert ist, können die Blattfedern leicht in axialer Richtung des Strömungsrohres 4 schwingen und können zur gleichen Zeit biegend vibrieren mit einer leichten Drehung um eine Achse rechtwinklig zur Achse des Strömungsrohrs. Dadurch kann sich das Schwerkraftzentrum des Doppelrohrbereichs leicht in Richtung seiner leichten Drehung verschieben.
Im Gegensatz dazu, sind Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ und 12b₂ gezeigt in den 4A, 4B und 4C, gegen das Gehäuse 1 in einer radialen Richtung rechtwinklig zur Schwingungsrichtung unterstützt. Dadurch haben sie eine hohe Steifigkeit in Schwingungsrichtung, können sich jedoch leicht in Axialrichtung des Doppelrohrbereichs 3 bewegen. Die Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ und 12b₂ können mit einer nur geringen Torsion vibrieren und bewegen sich nicht in Schwingungsrichtung, was eine stabile Lagerung des Doppelrohrbereichs 3 sicherstellt.
Der in den 4A, 4B und 4C dargestellte Coriolis-Durchflussmesser kann ein Phasendifferenzsignal proportional einer Corioliskraft mit einer hohen Empfindlichkeit feststellen, wegen der Verwendung des Doppelrohrs 3 mit einem Gewicht 10, das resonant mit einer natürlichen Frequenz angetrieben ist, durch die die Empfindlichkeit eines geraden Strömungsrohrs verbessert ist. Dieser Durchflussmesser kann weiterhin stabile Messungen des Massenstroms ausführen, ohne Beeinflussung durch die Temperatur und den Druck des gemessenen Strömungsmittels, über eine lange. Betriebsdauer, durch eine elastische Lagerung des Doppelrohrbereichs 3 durch rechteckige Blattfedern 12a₁ 12a₂ , 12b₁ und 12b₂ von denen jede eine flache Ebene parallel zur Antriebsrichtung aufeist und sich in Radialrichtung rechtwinklig zur Antriebsrichtung erstreckt, anstelle von O-Ringen 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ und 12b₂ die dadurch nur als Dichtelemente zum Abdichten der Durchtritte 2a₁ , 2b₁ und der inneren Kammer des äußeren Gehäuses dienen, wobei die mit der Zeitalterung erfolgende Änderung ihrer Elastizität keinen Einfluss auf die Messung der Masseströmung hat.
5 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels 2 eines Coriolis-Durchflussmessers, das die Blattfedern (nicht gezeigt) gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen kann, das, wie das Ausführungsbeispiel 1, ein zylindrisches äußeres Gehäuse 1 aufweist, das koaxial einen Doppelrohrbereich 3 darin aufnimmt. Der Doppelrohrbereich 3 besteht aus einem inneren Strömungsrohr 4 und einem äußeren Ausgleichsrohr 5, die koaxial zusammen an beiden Enden in üblichen Verbindungsblöcken 6a und 6b gelagert sind. Das Ausgleichsrohr 5 ist an seinem Mittelbereich mit einem Gewicht 10 zum Ausgleichen seiner natürlichen Frequenz oder einer natürlichen Frequenz des Strömungsrohrs 4 versehen. Der Doppelrohrbereich 3 kann demzufolge resonant angetrieben werden mit einer spezifischen, natürlichen Frequenz, durch eine daran montierte Antriebseinrichtung 7 und ein Phasendifferenzsignal, das proportional einer Corioliskraft ist, die darauf einwirkt, kann durch die Sensoren 8 und 9 festgestellt werden, die daran befestigt sind.
Beim Doppelrohrbereich erstreckt das Strömungsrohr 4, das länger als das Ausgleichsrohr 5 ist, seine Enden in Richtung von Verbindungsflanschen 2₁ und 2₂ durch die entsprechenden Verbindungsblöcke 6a, 6b. Die verlängerten Enden des Strömungsrohrs 4 sind koaxial mit entsprechenden flexiblen Rohren 13a und 13b verbunden, die an den anderen Enden mit Endbereichen 2a₂ und 2b₂ der entsprechenden Flansche 2₁ und 2₂ verbunden sind.
Die flexiblen Rohre 13a und 13b können beispielsweise aus Metall hergestellte Faltenbälge sein, die eine dicke Wand aufweisen, die sich in Axialrichtung ausdehnen und zusammenziehen kann, jedoch schwer zu biegen ist, da sie eine höhere Steifigkeit als gewöhnlich aufweist. Die flexiblen Rohre 13a und 13b können in Form von Metall-Faltenbälgen mit dicker Wandung hergestellt sein.
Das oben beschriebene zweite Ausführungsbeispiel ist ein Coriolis-Durchflussmesser, der, wie das erste Ausführungsbeispiel, den Doppelrohrbereich 3 stabil halten kann und demzufolge stabile Messungen der Masseströmung und einer Dichte des Strömungsmittels ausführen kann, ohne durch Temperatur und Druck des Strömungsmittels beeinflusst zu werden.
Die 6A und 6B sind Darstellungen zum Erläutern eines weiteren Ausführungsbeispiels 3 eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein in den 6A und 6B gezeigter Doppelrohrbereich 3 ist koaxial in einem zylindrischen, äußeren Gehäuse 1 der Art gelagert, dass seine beiden Enden sich leicht in Axialrichtung bewegen können, jedoch in Radialrichtung begrenzt sind.
Der Doppelrohrbereich 3 ist mit einem Gewicht 10, einer Antriebseinrichtung 7 und Sensoren 8 und 9 versehen.
Der Doppelrohrbereich 3, der koaxial an beiden Enden in entsprechenden Verbindungsblöcken 6a und 6b befestigt ist, wird ferner durch rechtwinklige Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , 12b₂ gegen die innere Wand des äußeren Gehäuses gelagert. Jede Feder hat eine flache Ebene parallel zur Schwingungsrichtung und erstreckt sich in Radialrichtung rechwinklig zur Schwingungsrichtung des Doppelrohrbereichs 3. Das Strömungsrohr 4 hat vorstehende Enden, die koaxial mit entsprechenden flexiblen Rohren (beispielsweise Faltenbälge) 13a und 13b verbunden sind, die mit ihren anderen Enden mit Endbereichen 2a₂ und 2b₂ entsprechender Flansche 2 befestigt sind.
Die Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , 12b₂ sind flache, rechtwinklige Federn, von denen jede an einem Ende an der inneren Wand des äußeren Gehäuses 1 und am anderen Ende mit dem Verbindungsblock 6a (oder 6b) der Art verbunden sind, dass seine flache Oberfläche parallel zur Schwingungsrichtung des Doppelrohrbereichs besteht, und sich in einer radialen Ebene rechtwinklig zur Schwingungsrichtung erstreckt. Bei dem in den 6A und 6B gezeigten Coriolis-Durchflussmesser können die Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , 12b₂ wenn der Doppelrohrbereich 3 durch die Antriebseinrichtung 7 mit einer resonanten, natürlichen Frequenz angetrieben ist, eine leichte Torsionsvibration und eine leichte Axialvibration durch die Wirkung der Schwingung des Doppelrohrbereichs zeigen, beide Vibrationen können jedoch durch die flexiblen Rohre 12a und 12b absorbiert werden. Wenn die Blattfedern eine größere Steifigkeit in der Richtung der flachen Oberfläche aufweisen, können sie sicher die Möglichkeit eliminieren, dass der Doppelrohrbereich 3 mit einer Verlagerung seines Schwerkraftzentrums schwingt. Die thermische Ausdehnung des Metalls kann eine relative Verlagerung zwischen dem Doppelrohrbereich 3 und dem äußeren zylindrischen Gehäuse 1 erzeugen, diese Verlagerung ist jedoch sehr klein und kann leicht absorbiert werden, ohne den Schwingungsmodus zu beeinflussen.
Die 7A und 7B sind Darstellungen zum Erläutern eines weiteren Ausführungsbeispiels 4 eines Coriolis-Durchflussmessers, der die Blattfedern (nicht gezeigt) gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen kann. Ein Doppelrohrbereich 3 besteht aus einem inneren Strömungsrohr 4 und einem äußeren Ausgleichsrohr 5, die an beiden Enden in gemeinsamen Verbindungsblöcken 6a und 6b koaxial gelagert sind. Beide Enden des Strömungsrohrs 4 durch die Verbindungsblöcke 6a und 6b erstrecken sich in Richtung auf Verbindungsflansche 2₁ und 2₂ des äußeren Gehäuses 1. Jedes vorstehende Ende des Strömungsrohrs 4 ist mit einem Ende mit gleichem Durchmesser eines Rohrs 17a oder 17b verbunden. Das glockenförmige Mundende des Rohrs ist an der inneren Durchtrittswand des Flansches 2₁ und 2₂ befestigt. Die Rohre mit glockenförmigem Mund können einstückig mit dem Strömungsrohr 4 ausgebildet sein.
Da die Glockenmundbereiche 17a und 17b eine höhere Steifigkeit in Radialrichtung aufweisen, und leicht in Axialrichtung elastisch verformt werden können, gestattet es die Anordnung von Glockenmundbereichen, dass das Strömungsrohr 4 des Doppelrohrbereichs 3 sich in seiner Axialrichtung bewegen kann, es jedoch schwierig ist, es radial zu verlagern. Der Doppelrohrbereich 3 kann resonant mit einer niedrigen Antriebsenergie angetrieben werden. Der auf diese Weise konstruierte Coriolis-Durchflussmesser sichert eine hohe Empfindlichkeit von Messungen der Massenströmung.
Die 8A, 8B und 8C sind Darstellungen zum Erläutern eines weiteren Ausführungsbeispiels 5 eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Strömungsrohr 4 ist ein gerades Rohr, in dem ein messbares Strömungsmittel fließt und das an seinen beiden Enden Glockenmundbereiche 4a und 4b aufweist, die axial verlänger- und verkürzbar sind. Beide Glockenmundbereiche 4a und 4b sind flüssigkeitsdicht an ihrer Peripherie an der inneren Wand entsprechender Flansche 2₁ und 2₂ des äußeren Gehäuses 1 befestigt.
Der gerade Körperbereich des Strömungsrohrs 4 zusammen mit einem koaxial daran angeordneten, äußeren Ausgleichsrohr 5 bilden einen Doppelrohrbereich 3, wobei die beiden Rohre koaxial an beiden Enden in entsprechenden gemeinsamen, zylindrischen Verbindungsblöcken 6a und 6b gelagert sind. Eine Antriebseinrichtung ist auf dem Mittelbereich des Doppelrohrbereichs 3 montiert und Sensoren 7 und 8 zum Feststellen einer Corioliskraft sind symmetrisch um die Antriebseinrichtung auf dem Doppelrohrbereich 3 angeordnet. Das Ausgleichsrohr 5 ist ebenfalls mit einem äußeren Gewicht 10 zum Einstellen einer natürlichen Frequenz des Ausgleichsrohrs 5 versehen, das mit einem Bolzen an einer Position diametral umgekehrt zur Position befestigt ist, wo die Antriebseinrichtung 7 montiert ist. Um eine Möglichkeit zum Einstellen des Gewichts von außen vorzusehen, gibt es einen Zugriffsdeckel 1a im äußeren Gehäuse 1.
Ferner sind Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , 12b₂ jeweils an einer Stirnseite zur äußeren Wand des Ausgleichsrohrs 5 und an der anderen Stirnseite zur Innenwand des äußeren Gehäuses 1 der Art befestigt, dass eine flache Oberfläche jeder Feder in einer Ebene rechtwinklig zur Axiallinie des Strömungsrohrs und radial orthogonal zu einer Linie liegen kann, die die Zentren der Antriebseinrichtung 7 (d.h. die Schwingungsrichtung des Doppelrohrbereichs 3) passiert.
Beim Coriolis-Durchflussmesser gemäß den 8A, 8B und 8C ist das Gewicht 10 eingestellt, so dass eine natürliche Frequenz des Ausgleichsrohrs 5 gleich der des Strömungsrohrs um die Verbindungsblöcke 6a und 6b ist, wenn zu messendes Strömungsmittel durch das Strömungsrohr 4 fließt, dann wird der Doppelrohrbereich 3 mit der eingestellten Resonanzfrequenz durch die Antriebseinrichtung angetrieben und eine Phasendifferenz proportional einer Corioliskraft wird durch die Sensoren 8 und 9 festgestellt.
Zu dieser Zeit ist ein resonant schwingendes System, das aus dem Strömungsrohr 4 und dem Ausgleichsrohr 5 besteht, an mittleren Bereichen gelagert, bevorzugt an Schwingungsknoten beider Verbindungsblöcke 6a und 6b durch die Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , 12b₂ gegen die Innenwand des äußeren Gehäuses 1 und die Glockenmundenden 4a und 4b des verlängerten Strömungsrohrs 4 des Doppelrohrbereichs 3 sind ebenfalls jeweils in entsprechenden Verbindungsflanschen des äußeren Gehäuses 1 gelagert. Diese vier Lagerpunkte dienen als Schwingungsknoten, die keine Schwingungsbewegung an Bereiche außerhalb des Systems übertragen. Das System kann stabil schwingen.
Eine thermische Ausdehnung oder Spannung des Metalls kann eine Spannung im Strömungsrohr 4 verursachen, die vollständig durch die elastische Verformung der Glockenmundenden 4a und 4b des Strömungsrohrs 4 und der Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , und 12₂ abgefangen werden kann, ohne Einfluss auf die Resonanzfrequenz und die Messergebnisse.
Wie sich aus dem Vorangegangenen ergibt, sind die Coriolis-Durchflussmesser (4A bis 8C) nach der vorliegenden Erfindung von der Art mit einem geraden Doppelrohr, das einen Doppelrohrbereich 3 aufweist, der aus einem Strömungsrohr 4 und einem Ausgleichsrohr 5 besteht, die jeweils an beiden Enden in jeweils gemeinsamen Verbindungsblöcken 6a und 6b koaxial gelagert sind, einem einstellbaren Gewicht 10, der am Mittelbereich des Ausgleichsrohrs 5 zum Einstellen einer natürlichen Frequenz des Ausgleichsrohrs 5 zu derjenigen des Strömungsrohrs 4 angebracht ist, einem Antriebsbe reich 7 zum Antreiben des Strömungsrohrs 4 und des Ausgleichsrohrs 5 unter einer resonanten, natürlichen Frequenz, und mit Sensoren 7 und 8 zum Feststellen einer Phasendifferenz, die proportional einer Corioliskraft ist, die auf das Strömungsrohr 4 einwirkt. Bei einem Coriolis-Durchflussmesser der Art mit koaxialen, doppelten, geraden Rohren, kann ein Strömungsrohr 4 einer hohen Steifigkeit effektiv in Schwingungen versetzt werden unter einer Frequenz mit großer Amplitude unter Verwendung des Resonanzsystems, wobei eine erhöhte Empfindlichkeit des Feststellens einer Corioliskraft, die auf das Strömungsrohr einwirkt, sichergestellt ist. Ferner ist das Strömungsrohr 4 an beiden Enden mit O-Ringen 11a₁ , 11a₂ , 11b₁ , 11b₂ aus elastischem Material oder Faltenbälgen 13a, 13b oder Glockenmundbereichen 17a (4a), 17b (4b) versehen und wird durch Blattfedern 12a₁ , 12a₂ , 12b₁ , 12b₂ gegen die innere Wand des Gehäuses gelagert, mit dem Ergebnis, dass das Strömungsrohr 4 eine verringerte Steifigkeit in Axialrichtung haben kann, genug um einen möglichen Einfluss der Metallausdehnung und – zusammenziehung unter Wärme des zu messenden Strömungsmittels zu eliminieren. Die Verwendung eines derartig konstruierten Strömungsrohrs gestattet es, dass der Coriolis-Durchflussmesser stabile Messungen der Masseströmung eines Strömungsmittels ausführen kann, ohne thermisch beeinflusst zu werden, was die Nachteile des Coriolis-Strömungsmessers eliminiert, dessen gerades Strömungsrohr an beiden Enden befestigt ist.
Andererseits werden Coriolis-Durchflussmesser für eine Strömungsmessung unterschiedlicher Arten von Strömungsmitteln eingesetzt, die unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen. Wenn ein Strömungsmittel fließt, das eine von der Raumtemperatur unterschiedliche Temperatur aufweist, reagiert das Strömungsrohr 4 sofort und bekommt die gleiche Temperatur wie das Strömungsmittel, während das Ausgleichsrohr 5 seine Temperatur langsam ändern kann mit einer Änderung der Strömungsmitteltemperatur. Aus diesem Grund kann in einem Startbereich der Young-Modul (Elastizitätsgrenze) der Materialien von Strömungsrohr 4 und Ausgleichsrohr 5 sich mit der Änderung der Strömungsmitteltemperatur ändern.
Eine natürliche Frequenz f₁ des Strömungsmittelrohrs 4 und eine natürliche Frequenz f₂ des Ausgleichsrohrs 5 beim Messen einer Strömungsrate eines Strömungsmittel können wie folgt ausgedrückt werden:
wobei K eine Federkonstante, M_T eine Masse des Strömungsrohrs 4, M_L eine Masse eines Strömungsmittels unter Standarddichte, M_B eine Masse des Gewichts 10 und M_L eine Masse des Ausgleichsrohrs 5 sind.
Die Masse M_B des Gewichts ist auf einen Wert eingestellt, bei dem f₁ = f₂ gemäß den Formeln (1) und (2) ist.
Beim Coriolis-Durchflussmesser von der Art eines ausgeglichenen, geraden Doppelrohrs, wie es beispielsweise in den 7A und 7B (ohne Verwendung der Blattfedern . 12a₁ ,12a₂ ,12b₁ ,12b₂ ) sind ein Strömungsrohr 4 und ein Ausgleichsrohr 5 koaxial jeweils an beiden Enden in gemeinsamen Verbindungsblocks 6a und 6b gelagert, um einen Doppelrohrbereich 3 zu bilden, wobei vom Strömungsrohr 4 ferner beide Enden vorstehen, die jeweils einen Glockenmund 4a oder 4b aufweisen, der am Umfang an der inneren Wand 2a oder 2b eines Verbindungsflansches des äußeren Gehäuses 1 befestigt ist. Der Schwingungsmodus des Strömungsrohrs 4 wird wie folgt festgestellt:
Wie in den 13A gezeigt, vibriert das Strömungsrohr 4 im Doppelrohrbereich 3 in seitlicher Richtung mit einer Amplitude d/2, gezeigt durch eine durchgezogene Linie und eine gebrochene Linie innerhalb des Bereichs von P bis Q. Dieser Schwingungsmodus hat drei Krümmungen M im Zentrum und Na an beiden Endseiten.
Der Coriolis-Durchflussmesser gemäß 7A kann effektiv das Strömungsrohr 4 unter einer Resonanzfrequenz mit einer geringen Antriebsenergie antreiben, und der Bereich zwischen den Punkten P und Q des Strömungsrohrs 4 hat eine geringe Biegesteifigkeit und vibriert leicht. Demzufolge ist die Spannung, die in Bereichen des Strömungsrohrs nahe den Befestigungspositionen B verursacht wird, gering, was eine stabile Messung des Massestroms sicherstellt. Die Verbindungsblöcke 6a und 6b des Doppelrohrbe- Teichs 3 sind jedoch nicht an der Innenwand des äußeren Gehäuses 1 gelagert und können demzufolge sich leicht bewegen unter Wirkung einer externen Störung, was zu Variationen der Nullposition und zu einer Streuung der Messergebnisse führt.
Die 9A und 9B sind Darstellungen zum Erläutern eines weiteren Ausführungsbeispiels 6 eines Coriolis-Durchflussmessers gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei, ähnlich den Coriolis-Durchflussmessern der 7A und 7B, ein Strömungsrohr 4 und ein Ausgleichsrohr 5 jeweils koaxial an beiden Enden in gemeinsamen Verbindungsblöcken 6a und 6b gelagert sind, um einen Doppelrohrbereich 3 zu bilden, aus dem das Strömungsrohr 4 seine Glockenmundenden herauserstreckt, die an ihrem Umfang mit der Innenwand der Flansche 2₁ und 2₂ eines äußeren Gehäuses 1 befestigt sind.
In den 9A und 9B sind das Strömungsrohr 4 und das Ausgleichsrohr 5 koaxial an beiden Enden in den Verbindungsblöcken 6a und 6b gelagert und sind weiterhin gelagert an ihren inneren Bereichen nahe den Verbindungsblöcken 6a und 6b durch flache Aussteifungsstäbe 14a und 14b. Im Mittelbereich des Strömungsrohrs 4 oder des Ausgleichsrohrs 5 (im gezeigten Fall), der durch die flachen Aussteifungsstangen 14a und 14b gelagert ist, ist ein Gewicht 10 angeordnet, um den beiden Rohren die gleiche natürliche Frequenz zu verleihen. Ein Antriebsbereich 7 zum Antreiben des Strömungsrohrs 4 und des Ausgleichsrohrs 5 unter einer resonanten, natürlichen Frequenz und Sensoren 8 und 9 zum Feststellen einer Phasendifferenz proportional einer Corioliskraft, die auf das Strömungsrohr 4 einwirkt, sind ebenfalls am Ausgleichsrohrkörper 5 angeordnet.
Anhand 13C wird der Schwingungsbetrieb des Coriolis-Durchflussmessers mit den flachen Aussteifungsstangen 14a und 14b, gezeigt in den 9A und 9B, wie folgt beschrieben:
In einer gewöhnlichen, einfachen harmonischen Schwingung schwingt ein Strömungsrohr 4, das frei an zwei getrennten Punkten P und Q unterstützt ist, mit einer konstanten Amplitude d. In diesem Falle vibriert das Strömungsrohr 4, das frei unterstützt ist, mit einer Krümmung Mb wie in 13B gezeigt. Das Strömungsrohr 4, das an einem Punkt durch jedes der Lager P und P unterstützt ist, kann stabil vibrieren, da es im Wesentlichen frei von dem Einfluss der Merkmalsänderung der Lagerbereiche ist, die auftreten kann, wenn das Strömungsrohr 4 an beiden Enden durch die Verbindungsblöcke 6a und 6b befestigt ist, wie es unter Bezugnahme auf die 13A beschrieben ist.
Die 13C zeigt einen Schwingungsmodus eines Strömungsrohrbereichs zwischen den Aussteifungsstäben 14a und 14b, die vorgesehen sind zum Lagern des Doppelrohrbereichs. Da diese Aussteifungsstäbe flache Platten sind, die das Strömungsrohr 4 jeweils an einem Punkt unterstützen, wird das Strömungsrohr 4 zwischen den Aussteifungsstäben 14a und 14b durch den Antriebsbereich 7 mit einer resonanten Frequenz einer konstanten Amplitude d angetrieben und kann mit einer Krümmung MC der einfachen harmonischen Schwingung vibrieren, wie das Strömungsrohr der 9A. Das Strömungsrohr 4 zwischen der Aussteifungsstange 14a (4b) und dem Verbindungsblock 6a (6b) kann mit einer Krümmung Nc in Antiphase relativ zur Krümmung Mc vibrieren.
Da der Abstand des Abschnittes zwischen P und C kurz ist und die dünne Platte der Aussteifungsstangen 14a und 14b als Blattfedern dienen können, die sich jeweils um die Unterstützungspunkte P und Q drehen können mit einer resonanten Schwingung des Strömungsrohrs 4 und des Ausgleichsrohrs 5, kann das Strömungsrohr stabil an den Punkten P und Q unterstützt werden und kann demzufolge effektiv mit Energiespareffekt angetrieben werden.
Die 13D zeigt einen Schwingungsmodus eines Strömungsrohrs 4, wenn eine Vielzahl von Aussteifungsstäben (14a, 14a₁ , 14b, 14b₁ ) zwischen den Verbindungsblöcken 6a und 6b vorgesehen ist, so dass das Strömungsrohr 4 (Ausgleichsrohr 5) an den Punkten P, Pa, Q und Qb unterstützt werden kann.
In diesem Falle, wie beim Fall der 13D, schwingt das Strömungsrohr 4 zwischen den inneren Aussteifungsstangen 14a und 14b mit einem einfachen, harmonischen Bewegungsmodus mit einer Krümmung Md, d.h. es kann effektiv mit einer niedrigen Antriebsenergie angetrieben werden, ohne dass sich die Unterstützungspunkte P und Q verlagern. Die Änderung der Merkmale des Strömungsrohrs wegen seiner fixierten Enden, kann graduell mit der Anzahl der verwendeten Aussteifungsstangen reduziert werden. Demzufolge kann das Strömungsrohr stabiler zwischen den Punkten P und Q schwingen, was stabile Messungen der Massenströmung sicherstellt.
Beim Coriolis-Durchflussmesser gemäß den 9A und 9B ist die Ausgleichseinrichtung 5 ein einziges Rohr, das koaxial am Strömungsrohr 4 angeordnet ist. Diese Ausgleichseinrichtung 5 kann jedoch auch ein festes Element (kein Rohr) sein, und eine Vielzahl von Elementen (nicht ein Einzelelement), wenn seine Parallelität zum Strömungsrohr 4 sichergestellt ist.
Die 10A und 10B sind Ansichten zum Erläutern eines weiteren Ausführungsbeispiels 7 eines Coriolis-Durchflussmessers, der keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, der sich vom Coriolis-Durchflussmesser der 9A und 9B, die einen geradlinigen Ausgleich mit Aussteifungsstangen 14a, 14b hat, durch die Verwendung einer Vielzahl von stangenähnlichen Ausgleichseinrichtungen 20a, 20b, 20c und 20d unterscheidet. Die Ausgleichseinrichtungen 20a, 20b, 20c und 20d sind vibrierende Stangenelemente, die aus dem gleichen Material und mit der gleichen Größe hergestellt wurden, um symmetrisch um die Achse des Strömungsrohres angeordnet zu werden und um jeweils an beiden Enden in gemeinsamen Verbindungsblöcken 6a und 6b befestigt zu werden. Zwischen den Verbindungsblöcken 6a und 6b werden die Ausgleichseinrichtungen jeweils in Durchgangslöchern gelagert, die in einer Antriebstragplatte 7a in der Mitte des Strömungsrohrkörpers 4 vorgesehen sind; Sensortragplatten 8a, 9b sind symmetrisch um die Antriebstragplatte 7a angeordnet, eine Aussteifungsstange 14a ist zwischen der Sensortragplatte 8a und dem Verbindungsblock 6a und eine Aussteifungsstange 14b ist zwischen der Sensortragplatten 9b und dem Verbindungsblock 6b angeordnet. Das Strömungsrohr 4 wird durch die Aussteifungsstangen 14a und 14b gelagert, die daran befestigt sind, und erstreckt sich frei durch Mittellöcher (ohne Kontakt dazu), die in den Sensortragplatten 8a, 9b und der Antriebstragplatte 7a vorgesehen sind, so dass die Schwingung des Strömungsrohrs 4 nicht durch die oben erwähnten Tragplatten begrenzt wird. Eine Antriebseinrichtung 7 ist zwischen dem Strömungsrohr 4 und der Antriebstragplatte 7a montiert, ein Sensor 8 befindet sich zwischen dem Strömungsrohr 4 und der Sensortragplatte 8a und ein Sensor 9 befindet sich zwischen dem Strömungsrohr 4 und der Sensortragplatte 9b. Die seitliche, natürliche Frequenz der einstückig montierten, stabähnlichen Ausgleichseinrichtungen 20a, 20b, 20c, 20d wird derart ausgewählt, dass sie gleich ist des Strömungsrohrs 4. Die natürliche Frequenz des Strömungsrohrs kann sich jedoch mit einer Änderung der Dichte des zu messenden Strömungsmittels ändern. Um die natürliche Frequenz des Schwingungssystems auszugleichen, ist ein einstellbares Gewicht 10 an der Antriebstragplatte 7a befestigt für eine äußere Einstellung der natürlichen Frequenz. Die Anzahl der stangenähnlichen Ausgleichseinrichtungen ist nicht auf 4 begrenzt, sondern kann zwei oder mehr betragen.
Die 11A und 11B sind perspektivische Ansichten zum Erläutern von Coriolis-Durchflussmessern, die zwei stangenähnliche Ausgleichseinrichtungen verwenden, gezeigt in den 10A und 10B. Beide Ausführungsformen verwenden stangenähnliche Ausgleichseinrichtungen 20e und 20f, die symmetrisch um die Achse des Strömungsrohrs 4 in einer Ebene entlang ihrer Achse angeordnet sind, sie können jedoch unterschiedliche Schwingungsrichtungen aufweisen. Insbesondere schwingt der Coriolis-Durchflussmesser der 11A in der vertikalen Richtung in der Ebene, die drei Achsen des Strömungsrohrs 4 und der zwei Ausgleichseinrichtungen 20e und 20f aufweist, während der Coriolis-Durchflussmesser der 11B in der Richtung rechtwinklig zur oben erwähnten Ebene schwingt, die drei Achsen der drei Bestandteile aufweist. Die anderen Bestandteile des Coriolis-Durchflussmessers sind ähnlich denjenigen der Durchflussmesser gemäß der 10A und 10B.
Die 12A, 12B und 12C sind Darstellungen zum Erläutern der Schwingungsrichtungen einer Vielzahl von stangenähnlichen Ausgleichseinrichtungen. 12A zeigt Schwingungsrichtungen der Ausgleichseinrichtungen der 10A und 10B, 12B zeigt Schwingungsrichtungen der Ausgleichseinrichtungen der 11A und 12C zeigt Schwingungsrichtungen der Ausgleicheinrichtungen der 11B . Die gezeigten Schwingungsrichtungen sollten betrachtet werden von der Richtung rechtwinklig zur Oberfläche der Aussteifungsstange 14a jedes Coriolis-Durchflussmessers. In 12A schwingen die Ausgleichseinrichtungen 20a, 20b, 20c und 20d in einer Richtung -Y mit der gleichen Amplitude, während das Strömungsrohr 4 in Antiphase in einer Richtung +Y entgegengesetzt der Ausgleichseinrichtungen 20a, 20b, 20c und 20d schwingt. In 12B schwingen die Ausgleichseinrichtungen 20e und 20f mit der gleichen Amplitude in der Richtung -Y, während das Strömungsrohr 4 in der gleichen Ebene mit den Ausgleichseinrichtungen 5e und 5f schwingt, jedoch in Antiphase in der Richtung +Y. in
12C schwingen die Ausgleichseinrichtungen 20e und 20f mit der gleichen Amplitude in der Richtung -Y, während das Strömungsrohr 4 um 90 Grad bezüglich der Schwingungsebene mit den Ausgleichseinrichtungen 20e und 20f und in Antiphase in Richtung +Y schwingt.
In den Schwingungssystemen der 13A, 13B und 13C sind die Ausgleichseinrichtungen 20a bis 20f stangenähnliche Elemente, von denen jede eine reduzierte Masse aufweist, um in Resonanz mit dem Strömungsrohr 4 angetrieben zu werden. Dieses Merkmal ist wirksam, um einen Coriolis-Durchflussmesser mit reduzierter Größe zu schaffen und die Abhängigkeit der Genauigkeit der Messung vom Montagezustand des Durchflussmessers zu eliminieren. Obwohl die Ausführungsformen der 13A, 13B und 13C 2 und 4 Ausgleichseinrichtungen verwenden, kann jede Anzahl von Ausgleichseinrichtungen verwendet werden, sofern sie resonant mit dem Strömungsrohr schwingen können.
Wenn sich die Temperatur des Strömungsmittels ändert, könnte sich der Young-Modul der Elastizität ändern und demzufolge könnte sich eine Federkonstante K ändern, was zu einer Änderung der natürlichen Frequenz f₁ des Strömungsrohrs 4 (Formel 1) und der natürlichen Frequenz f₂ der Ausgleichseinrichtung 5 (Formel 2) führen könnte. Das Strömungsrohr 4 reagiert sofort, um die gleiche Temperatur wie das Strömungsmittel zu erhalten, die Ausgleichseinrichtung 5 kann jedoch ihre Temperatur langsam ändern. Im Ergebnis ändert sich die Schwingungsperiode des Doppelrohrbereichs 3 leicht und es ist Zeit erforderlich, um ein stabiles Niveau der Schwingungen zu erhalten. Demzufolge ist es unmöglich, die Ausgleichseinrichtung 5 im Hinblick auf die Temperatur des Strömungsmittels effektiv zu korrigieren, da sich die Schwingungszeit leicht ändern kann.
Wenn sich eine Temperatur des zu messenden Strömungsmittels von t₁ auf t₀ über eine Zeit T ändert, ändert sich eine Temperatur des Strömungsrohrs 4 sofort von t₁ zu t₀ in Abhängigkeit mit der Strömungsmitteltemperatur T₀, und der Elastizitätsmodul des Materials des Strömungsrohres verändert sich und die Federkonstante verändert sich. Demzufolge wird die natürliche Frequenz f₁ des Strömungsrohres sich gemäß der Formel (1) ändern, und die Schwingungszeit wird auf einer Konstanten gehalten, wenn die Temperatur konstant ist. Diese Zeit kann als Zeit A ausgedrückt werden.
Wenn die Ausgleichseinrichtung 5 aus einem konstanten elastischen Material (wie beispielsweise Ni span C) hergestellt wurde, ändert sich der Elastizitätsmodul der Ausgleichseinrichtung nicht mit einer Änderung der Temperatur, die natürliche Frequenz f₂ ist konstant gemäß der Gleichung (2) und demzufolge kann die Zeit konstant sein, wenn sich die Strömungsmitteltemperatur ändert. Diese Schwingungsdauer wird als Zeit B ausgedrückt. Demzufolge kann sich die Schwingungsdauer des Doppelrohrbereichs 3, der aus dem Strömungsrohr 4 und der Ausgleichseinrichtung 5 besteht, ändern in Abhängigkeit von der Zeit A und der Zeit B. Da das Strömungsrohr 4 seine Temperatur in Abhängigkeit mit der Strömungsmitteltemperatur t ändern kann, wird die Strömungsmitteltemperatur t festgestellt und eine genaue Zeitdauer t bestimmt.
Unter Verwendung der Ausgleichseinrichtung 5 aus einem konstanten, elastischen Material ist es möglich, auf eine Änderung der Strömungsmitteltemperatur ohne Verzögerung zu reagieren, einfach indem man nur die Zeitdauer für die Strömungsmitteltemperatur korrigiert, und akkurat die Strömungsmitteldichte gemäß der korrigierten Zeitdauer bestimmt. Die Anwendung der Ausgleichseinrichtung 5 aus einem Material mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise Invar, das eine konstante Länge über eine Änderung der Strömungsmitteltemperatur und eine Änderung der Umgebungstemperatur konstant halten kann, gestattet es, dass der Coriolis-Durchflussmesser effektiv die Massenströmung und die Dichte eines Strömungsmittels mit einer hohen Reaktionszeit effektiv bestimmt, nach dem gleichen Verfahren wie oben erwähnt.

Claims

Coriolis-Durchflussmesser mit einem zylindrischen, äußeren Gehäuse (1) mit Verbindungsflanschen (2₁ , 2₂ ) an jedem Ende, einem Doppelrohrbereich (3), der an beiden Enden befestigt ist und koaxial innerhalb des äußeren Gehäuses (1) angeordnet ist, derart, dass er radial fest aber axial beweglich ist, wobei der Doppelrohrbereich (3) ein inneres Rohr (4) aufweist, das einer Strömung gestattet, durch die Verbindungsflansche (2₁ , 2₂ ) hinein und heraus zu fließen, einem geradlinigen Ausgleichsrohr (5), das an beiden Enden am inneren Strömungsrohr (4) befestigt ist und mit einem Gewicht (10) versehen ist, das daran befestigt ist, um seine seitliche, natürliche Frequenz an die seitliche, natürliche Frequenz des inneren Strömungsrohrs (4) anzupassen, einer Antriebseinrichtung (7) zum Versetzen des inneren Strömungsrohrs (4) und des Ausgleichsrohrs (5) in Resonanzschwingungen in einer Schwingungsrichtung, und einer Fühlereinrichtung zum Feststellen einer Phasendifferenz proportional einer auf das innere Strömungsrohr (4) einwirkenden Corioliskraft, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelrohrbereich (3) an Schwingungsknoten durch rechteckige Blattfedern (12a₁ ,12a₂ ,12b₁ ,12b₂ ) unterstützt ist, von denen jede eine Ebene parallel zur Schwingungsrichtung aufweist, und sich in Radialrichtung des Doppelrohrbereichs (3) rechtwinklig zur Schwingungsrichtung erstreckt, wobei die Blattfedern (12a₁ ,12a₂ ,12b₁ ,12b₂ ) zwischen dem Ausgleichsrohr (5) und dem zylindrischen, äußeren Gehäuse (1) angeordnet sind und zwei Blattfederelemente aufweisen, die sich von diametral gegenüberliegenden Seiten des Ausgleichsrohrs (5) erstrecken.
Coriolis-Durchflussmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuse (1) und der Doppelrohrbereich (3) weiterhin an Schwingungsknoten durch flüssigkeitsdichte O-Ringe (11a₁ ,11a₂ ,11b₁ ,11b₂ ) unterstützt sind.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Strömungsrohr (4) des Doppelrohrbereichs (3) seine beiden Enden in Richtung auf die Verbindungsflanschseiten (2₁ , 2₂ ) von denjenigen Punkten aus erstreckt, wo das Ausgleichsrohr (5) an dem inneren Strömungsrohr (4) befestigt ist, und an jedem sich erstreckenden Ende mit einem ersten Ende eines flexiblen Rohrs (13a, 13b) verbunden ist, das eine größere Flexibilität in Axialrichtung als in einer Richtung rechtwinklig zu seiner Achse aufweist, wobei das zweite Ende des flexiblen Rohrs mit dem Verbindungsflansch (2₁ , 2₂ ) verbunden ist, und wobei das zweite Ende des flexiblen Rohrs an einer Flanschöffnung des äußeren Gehäuses (1) befestigt ist.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Strömungsrohr (4) des Doppelrohrbereichs (3) seine beiden Enden von denjenigen Punkten, an denen das Ausgleichsrohr (5) mit dem inneren Strömungsrohr (4) befestigt ist, bis zu den entsprechenden Verbindungsflanschen (2₁ , 2₂ ) erstreckt, wobei jede Erstreckung ein radial expandiertes Ende (4a, 4b; 17a, 17b) aufweist, dessen Umfang an der Flanschwandung an der Flanschöffnung befestigt ist.
Coriolis-Durchflussmesser gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckungsenden des Doppelrohrbereichs (3), die mit den Verbindungsflanschen (2₁ , 2₂ ) des äußeren Gehäuses (1) verbunden sind, an Stellen nahe des Flanschs unterstützt sind.
Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Gewichts (10) einstellbar ist.
Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsrohr (4) und das Ausgleichsrohr (5) koaxial an beiden Enden in Verbindungsblöcken (6a, 6b) gelagert sind und ebenfalls mit ihren inneren Bereichen nahe den Verbindungsblöcken (6a, 6b) gelagert sind durch einen oder mehrere Aussteifungsstäbe (14a, 14b).
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei ein Paar von Aussteifungsstäben (14a, 14b) zwischen den beiden entsprechenden Stellen, die das Ausgleichsrohr (5) und das innere Strömungsrohr (4) befestigen, angeordnet sind, um das Ausgleichs- und das Strömungsrohr zu lagern, und wobei die Antriebseinheit (7) zum Versetzen des Strörnungsrohrs und des Ausgleichsrohrs (5) in Resonanzschwingungen zwischen dem Paar von Aussteifungsstäben (14a, 14b) angeordnet ist.