DE69615392T2

DE69615392T2 - Coriolis-massendurchflussmessgerät mit einem einzigen rotor und einem flexiblen sensorelement

Info

Publication number: DE69615392T2
Application number: DE69615392T
Authority: DE
Inventors: Scott Loving; Brainerd Van Cleve
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1995-11-16
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2016-11-13
Also published as: BR9611451A; PL184142B1; CN1095072C; EP0861421B1; JP2000504408A; DE69615392D1; RU2182695C2; EP0861421A1; KR19990067486A; AU7611596A; CN1201519A; PL326626A1; US5679906A; AU716754B2; CA2231544C; WO1997018445A1; CA2231544A1; KR100303984B1; MX9803631A; HK1017921A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Coriolis-Effekt-Durchflussmesser, und insbesondere einen Coriolis-Effekt-Durchflussmesser, bei dem ein Rotor als Phasenmesselement eingesetzt wird.

PROBLEM

Es ist bekannt, dass Coriolis-Effekt-Schwingröhren-Durchflussmesser eingesetzt werden, um den Durchfluss und andere Größen für Materialien zu messen, die durch eine Rohrleitung strömen. Derartige Durchflussmesser sind in den US Patenten Nr. 4,109,524 vom 29. August 1978, 4,4491,025 vom 1. Januar 1985 sowie Ee. 31,450 vom 11. Februar 1982 (sämtlich von J. E. Smith et al.) offenbart. Diese Durchflussmesser weisen eine oder mehrere Durchflussröhren auf, die gerade oder gekrümmt sind. Jede Durchflussröhre hat einen Satz Eigenschwingungen, die vom Biegungs-, Verdrehungs- oder Koppeltyp sein können. Jede Durchflussröhre wird so in Bewegung versetzt, dass sie in Resonanz in einer dieser Eigenschwingungen um einen Drehpunkt schwingt. Material strömt von einer angeschlossenen Rohrleitung an der Einlassseite des Durchflussmessers in den Durchflussmesser hinein, wird durch die Durchflussröhre bzw. -röhren hindurchgeleitet und tritt an der Auslassseite des Durchflussmessers aus.
Die Eigenschwingungen des schwingenden, mit Material gefüllten Systems werden teilweise durch die kombinierte Masse der Durchflussröhren und des in den Durchflussröhren strömenden Materials bestimmt. Wenn kein Materialfluss durch den Durchflussmesser stattfindet, schwingen alle Punkte an den Durchflussröhren aufgrund einer wirkenden Bewegungskraft mit identischer Phase. Wenn Material zu fließen beginnt, bewirken Coriolis-Beschleunigungen, dass jeder Punkt an der Durchflussröhre eine andere Phase hat. Die Phase an der Einlassseite der Durchflussröhre eilt der Bewegungsquelle nach, während die Phase an der Auslassseite der Bewegungsquelle voreilt. Sensoren sind an den Durchflussröhren angebracht, um sinusförmige Ausgangssignale zu erzeugen, die für die Bewegung der Durchflussröhren stehen. Die Phasendifferenz zwischen zwei Sensorsignalen ist proportional zur Durchflussmenge durch die Durchflussröhren.
Ein Faktor, der diese Messung erschwert, ist die Tatsache, dass die Dichte typischer Prozessmaterialien schwankt. Das bewirkt, dass die Frequenzen der Eigenschwingungen variieren. Da das Steuerungssystem des Durchflussmessers Resonanz aufrechterhält, ändert sich die Schwingungsfrequenz in Reaktion auf Änderung der Dichte. Die Durchflussmenge ist in dieser Situation proportional zum Verhältnis der Phasendifferenz zur Schwingungsfrequenz. Das obenerwähnte US Patent Nr. Re. 31,450 von Smith offenbart einen Coriolis-Durchflussmesser, bei dem es nicht erforderlich ist, sowohl die Phasendifferenz als auch die Schwingungsfrequenz zu messen. Der Quotient der Phasenverzögerung und der Schwingungsfrequenz wird bestimmt, indem die Zeitverzögerung zwischen Pegeldurchgängen (level crossings) der zwei sinusförmigen Ausgangssignale des Durchflussmessers gemessen wird. Wenn dieses Verfahren eingesetzt wird, heben die Schwankungen der Schwingungsfrequenz einander auf, und die Durchflussmenge ist proportional zur gemessenen Zeitverzögerung. Dieses Messverfahren wird im Folgenden als Zeitverzögerungs- bzw. Δt-Messung bezeichnet.
Informationen bezüglich der Eigenschaften von Material, das in einem Coriolis- Durchflussmesser fließt, müssen mit großer Genauigkeit hergeleitet werden, da häufig die Anforderung besteht, dass die hergeleitete Durchflussmengeninformation eine Genauigkeit von wenigstens 0,15% des Messwertes hat. Diese Durchflussmesser- Ausgangssignale sind sinusförmig und sind in Zeit bzw. Phase um einen Betrag verschoben, der durch die Coriolis-Kräfte bestimmt wird, die von der Messeinrichtung erzeugt werden, durch die das Material fließt. Die Signalverarbeitungsschaltung, die diese Sensorausgangssignale empfängt, misst diese Zeitdifferenz genau und erzeugt die gewünschten Eigenschaften des fließenden Prozessmaterials mit der gewünschten Genauigkeit von wenigstens 0,15% des Messwertes.
Die Funktion eines Schwingungsröhren-Coriolis-Effekt-Durchflussmessers basiert auf den Coriolis-Kräften, die erzeugt werden, wenn ein materialleitendes Element, wie beispielsweise ein Rohr bzw. eine Röhre, um eine Achse senkrecht zur Röhrenachse gedreht wird. Coriolis-Durchflussröhren werden im Allgemeinen nicht kontinuierlich in der gleichen Richtung gedreht, da eine Drehdichtung erforderlich wäre, und der Strömungswiderstand der Dichtung zu Fehlern bei der Messung der Coriolis-Kraft führen würde. Statt dessen werden die Strömungsröhren so in Schwingung versetzt, dass sie sich um eine kurze Strecke in einer Richtung um einen Drehpunkt drehen und anschließend eine entsprechende Bewegung in der entgegengesetzten Richtung ausführen. Die Coriolis- Kraft wird nicht direkt gemessen, sondern statt dessen über die Messung der daraus resultierenden Verformung der Durchflussröhren.
Ein grundlegendes Problem bei der Konstruktion mit Schwingungs-Durchflussröhren besteht darin, dass das Material enthaltende Element, d. h., die Durchflussröhre, auch ein Messelement ist, das sich in Reaktion auf die erzeugte Coriolis-Kraft verformt. Diese beiden Funktionen weisen einander widersprechende Kriterien auf. Die Materialeinschlussfunktion macht es erforderlich, dass die Durchflussröhre steif und fest genug ist, dem Materialdruck zu widerstehen. Die Funktion des Messens der Coriolis-Kraft macht es erforderlich, dass die Durchflussröhre dünn und flexibel ist und sich in Reaktion auf die Coriolis-Kräfte erheblich verformt. Messeinrichtungen, die für Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser bestimmt sind, können beide Kriterien erfüllen, indem die Wand der Durchflussröhre so dick gemacht wird, dass sie dem Materialdruck widersteht, und die Durchflussröhren so lang ausgeführt werden, dass sie trotz ihrer dicken Wände flexibel sind. Diese konstruktive Lösung funktioniert jedoch nicht bei Durchflussmessung, die für den Einsatz mit großen Rohrleitungen geeignet sind, da durch die erforderliche Durchflussröhrenlänge die Durchflussröhren groß und zu teuer würden.
Ein weiteres Problem, das auf die Doppelfunktion der Durchflussröhren zurückzuführen ist, besteht darin, dass durch den Materialdruck die Röhre versteift wird. Eine steifere Röhre reagiert weniger stark auf Coriolis-Kraft. Damit wird die Empfindlichkeit der Messeinrichtung durch Materialdrücke verringert.
Bekanntermaßen werden Dreh-Durchflussmesser eingesetzt, um die Probleme der schwingenden Coriolis-Durchflussröhren-Messeinrichtungen zu lösen. Die beiden grundlegenden Typen von Dreh-Durchflussmessern sind Drehmomentdurchflussmesser sowie Dreh-Coriolis-Durchflussmesser. Sie unterscheiden sich dadurch, dass sich bei dem Drehmomenttyp die Winkelgeschwindigkeit des Materials an konstanter radialer Position innerhalb des Durchflusskanals der Messeinrichtung ändert, während sich bei dem Dreh-Coriolis-Typ die radiale Position des Materials innerhalb des Durchflusskanals bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ändert. Beide Typen lösen die oben aufgeführten Probleme von Schwingungsröhren-Messeinrichtungen, indem die Funktionen des Materialeinschlusses und der Durchflussmessung in zwei separate Elemente getrennt werden.
Drehmomentdurchflussmesser bestehen häufig aus zwei Flügelrädern mit unterschiedlichen Flügelwinkeln. Die Flügelräder sind in einer Röhre angeordnet, wobei sich ein Flügelrad stromauf von dem anderen befindet. Die Flügelräder sind durch eine Verdrehungsfeder miteinander verbunden, die Winkelverschiebung zwischen ihnen ermöglicht. Diese Winkelverschiebung stellt eine Phasendifferenz dar, die proportional zur Veränderung des Drehimpulses des Materials ist, und kann verwendet werden, um die Durchflussmenge zu bestimmen.
Drehmomentdurchflussmesser sind in den folgenden Dokumenten dargestellt:
US Patent 2,94,487
US Patent 3,232,110
US Patent 3,877,304
US Patent 3,958,447
US Patent 4,012,957
US Patent 4,438,648
UK Patent 1,069,466
EP 0485684 B1
PCT Dokument WO 94/21990
A Survey of Mass Flowmeter von M. P. Wilson, Jr., S. 63-68.
Instrumentation Technology, September 1971
Drehmomentdurchflussmesser weisen zwei grundlegende Probleme auf. Das erste ist ihre Empfindlichkeit gegenüber dem Geschwindigkeitsprofil des einströmenden Materials in dem Durchflussmesserrohr. Diese Empfindlichkeit ist darauf zurückzuführen, dass die gemessene Größe dieser Messeinrichtungen, d. h., das Drehmoment, das Produkt aus Kraft und radialer Entfernung ist. Material, das in der Mitte des Rohrs strömt, erzeugt aufgrund des geringen Radius weniger Drehmoment an den Drehflügelsensoren als der gleiche Strom in der Nähe des Randes des Rohrs. Diese Messeinrichtungen weisen darüber hinaus Ungenauigkeiten aufgrund der Auswirkungen der Viskosität des Materials auf. Viskositätswiderstand an den Drehflügeln und der Röhrenwand verhindert das entstehende Drehmoment des Materials, das Geschwindigkeitsprofil und das Drehmoment zwischen den Drehflügeln.
Es ist weiterhin bekannt, dass Coriolis-Dreh-Durchflussmesser eingesetzt werden, um das Problem des Geschwindigkeitsprofils zu lösen. Bei diesen Messeinrichtungen wird die Coriolis-Kraft anstelle eines Drehmoments des strömenden Materials genutzt, um den Durchfluss zu messen. Diese Dreh-Coriolis-Messeinrichtungen erhalten konstante Winkelgeschwindigkeit des Materials aufrecht, wobei das Material radial bewegt wird. Auch bei diesen Messeinrichtungen werden motorgetriebene Rotoren eingesetzt, die radiale Löcher aufweisen, durch die das Material strömt. Bei einer festen Drehzahl ist das Drehmoment, das der Motor benötigt, um die Rotoren zu drehen, idealerweise proportional zur Durchflussmenge durch die radialen Löcher. Das Rotordrehmoment ist daher direkt proportional zur Durchflussmenge und zur Drehzahl. Leider wird jedoch das Rotordrehmoment aufgrund von Strömungswiderstand, der durch Dichtungen, Lager und Viskosität verursacht wird, vergrößert, so dass es zu Messfehlern kommt. Der Einsatz eines Motors führt ebenfalls zur Entstehung einer Messeinrichtung, die auf vielen Einsatzgebieten an sich nicht sicher ist. Coriolis-Dreh-Durchflussmesser sind in dem obenerwähnten Artikel von Wilson sowie in dem Artikel "Mass Rate Flowmeter Measures Gas, Liquid, or Solids in Product Engineering", S. 211, September 1953 dargestellt. Dreh-Coriolis-Durchflussmesser, für die ein Motor zum Drehen des Rotors erforderlich ist, sind dargestellt in:
US 2,877,649 A (H. A. Powers) 17. März 1959
US 2,832,218 A (R. B. White) 29. April 1958
EP 0 474 121 A (Applikations Und Technikzentrum) 11. März 1992

LÖSUNG DES PROBLEMS

Die oben erwähnte US-Anmeldung Nr. 081404,340 löst das Problem von früheren Dreh- Coriolis-Durchflussmessern durch das Vorhandensein eines Phasenmess-Rotorsystems mit einem äußeren Rotor, einem inneren (Coriolis-) Rotor koaxial zu dem äußeren Rotor und einer flexiblen Drehstabachse, die die beiden Rotoren verbindet. Die Durchflussmenge des Materials durch den Durchflussmesser wird bestimmt, indem die Drehverschiebung zwischen dem äußeren Rotor und dem koaxialen Coriolis-Rotor gemessen wird. Beide Rotoren sitzen in einem abgedichteten Einschlussgehäuse mit einem Materialeinlass und einem Materialauslass. Der äußere Rotor weist eine ausgehöhlte Aussparung auf, in die der Coriolis-Rotor passt. Eine Abdeckplatte, die an einer oberen Seite des äußeren Rotors befestigt ist, schließt den Coriolis-Rotor ein. Material, das durch fluchtende Löcher (Durchflusskanäle) in den Rotoren strömt, bringt die Rotoren um ihre Drehachsen zum Drehen und übt ein Drehmoment auf die Rotoren aus, das proportional zur Durchflussmenge des Material ist. Dieses Drehmoment wirkt sowohl auf den äußeren als auch auf den Coriolis-Rotor. Bei einigen Ausführungen der Erfindung wirkt auf den äußeren Rotor zusätzlich zu einem Antriebsdrehmoment auch der Strömungswiderstand durch Viskosität, die Lager und die Dichtungen. Auf den Coriolis-Rotor wirkt, da er sich mit der gleichen Geschwindigkeit dreht wie der äußere Rotor, der ihn umschließt, keines dieser Strömungswiderstand-Drehmomente, sondern lediglich das Coriolis-Drehmoment. Die resultierende Winkelablenkung des Coriolis-Rotors um seine Drehachse in Bezug auf die des äußeren Rotors um seine Achse ist proportional zur Durchflussmenge des strömenden Materials.
Die Mitte des Coriolis-Rotors ist ebenfalls ausgehöhlt, so dass sie einen Fluidscherungs- Entkoppler aufnehmen kann, der an der Rotorabdeckung befestigt ist und sich mit der gleichen Geschwindigkeit dreht. Der Scherungsentkoppler gewährleistet, dass auf den Coriolis-Rotor keinerlei Kräfte aufgrund der Viskosität bzw. des Drehimpulses des Materials in der mittigen Einlass/Auslass-Öffnung wirken. Es sind Abstände auf allen Seiten des Coriolis-Rotors vorhanden, so dass er sich ungehindert koaxial in Bezug auf den äußeren Rotor drehen kann, wobei er lediglich durch seine Drehstabachse eingeschränkt ist. Fluchtende Fluiddurchflusskanäle sind in dem äußeren Rotor, dem Coriolis- Rotor und dem Materialscherungs-Entkoppler ausgebildet. In der Fludid-Austritts/Einlass-Öffnung an der Abdeckplatte laufen diese Kanäle zusammen und treten axial als ein Loch aus, durch das Material in die Messeinrichtung eintritt bzw. aus ihr austritt.
Das Doppelrotorsystem der US Anmeldung Nr. 08/404,340 leitet Informationen über die Durchflussmenge her, indem der Betrag gemessen wird, um den der Coriolis-Rotor winklig zu dem äußeren Rotor um eine gemeinsame Achse versetzt ist, die koaxial zu den beiden Rotoren ist. Bei einer ersten möglichen Ausführung, die dort offenbart ist, wird Material über einen Einlass tangential zu einer Innenfläche des Durchflussmessergehäuses aufgenommen und das Material über fluchtende radiale Kanäle in dem äußeren Rotor und dem Coriolis-Rotor geleitet. Die Kanäle in dem Coriolis-Rotor leiten das Material zu passenden fluchtenden Kanälen in dem Fluidscherungs-Entkoppler weiter, der sich mit dem äußeren Rotor dreht und den radialen Strom des Materials, wie er ihn von den Kanälen des Coriolis-Rotors empfängt, in einen axialen Strom umwandelt, der auf dem Materialauslass des Durchflussmessers wirkt. Der Fluidscherungs-Entkoppler isoliert den Coriolis-Rotor gegenüber Kräften, denen er ausgesetzt wäre, wenn das Material direkt über die Kanäle des Coriolis-Rotors zu dem Auslass der Messeinrichtung geleitet würde, um es axial der Rohrleitung zuzuführen, an die der Durchflussmesser angeschlossen ist.
Eine weitere Ausführung, die in der US Anmeldung Nr. 08/404,340 offenbart ist, umfasst einen in der Leitung angeordneten Durchflussmesser mit koaxialen konzentrischen Doppelrotoren und Materialeinlassen und -auslassen. Die Drehachse jedes Rotors ist koaxial zu dem Materialeinlass, dem Auslass und einem Stromableiter, der einen axialen Materialstrom von dem Einlass empfängt. Der empfangene Materialstrom wird tangential zum Rand des äußeren Rotors und den Löchern darin geleitet.
Bei allen Ausführungen der US Anmeldung Nr. 08/404,340 erzeugen Messspulen und Magnete Ausgangsinformationen, die die Drehverschiebung des Coriolis-Rotors in Bezug auf den äußeren Rotor anzeigen. Eine erste Gruppe von Magneten ist in dem Coriolis-Rotor eingebettet, während eine zweite Gruppe von Magneten in den äußeren Rotor eingebettet ist. Eine erste Messspule misst die Bewegung der ersten Gruppe von Magneten, während eine zweite Messspule die Bewegung der zweiten Gruppe von Magneten misst. Jede Spule erzeugt einen periodischen Wellenausgang, wobei die Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangswellen proportional zur Winkelverschiebung des Coriolis-Rotors in Bezug auf den äußeren Rotor und damit proportional zur Durchflussmenge des Materialstroms in dem Durchflussmesser ist.
Diese Teilfortsetzungsanmeldung offenbart alternative Ausführungen einer Doppelrotor- Coriolis-Durchfluss-Messvorrichtung. Die hier dargestellten alternativen Ausführungen sind von Vorteil beim Einsatz für bestimmte Zwecke. Sie lassen sich kostengünstiger herstellen und sind weniger anfällig für Schäden durch abreibende oder aggressive Materialien. Bei dem Doppelrotorsystem der oben genannten, gleichzeitig eingereichten Anmeldung werden Durchflussinformationen hergeleitet, indem der Betrag gemessen wird, um den ein innerer Rotor, der als Coriolis-Rotor bezeichnet wird, in Reaktion auf ein Materialstrom durch im Wesentlichen fluchtende Löcher bzw. Kanäle in dem Coriolis- bzw. äußeren Rotor winklig zu einem äußeren Rotor um eine gemeinsame Drehmittelpunktachse versetzt wird. In Funktion werden die beiden Rotoren aufgrund der unterschiedlichen Drehmomente, die auf jeden Rotor wirken, winklig zueinander in Bezug auf ihre gemeinsame Drehachse versetzt. Im Gleichgewicht wirken auf den äußeren Rotor Strömungswiderstands-(negative)-Drehmomente aufgrund von Dichtungen, Lagern, der Viskosität des Materials und der Materialbeschleunigung zuzüglich eines geringeren positiven Coriolis-Drehmoments. Auf den Coriolis-Rotor wirkt nur ein Coriolis-Drehmoment, das der Summe der Drehmomente an dem äußeren Rotor plus dem Drehmoment an dem Scherungsentkoppler entspricht und ihm entgegengesetzt ist. Diese einander entgegengesetzten Drehmomente bewirken, dass der Coriolis-Rotor in Bezug auf den äußeren Rotor um einen Betrag winklig versetzt wird, der proportional zur Durchflussmenge ist.
Die alternativen Ausführungen, die in der vorliegenden Anmeldung dargestellt sind, arbeiten auf der Grundlage der gleichen Prinzipien, wie sie in der erwähnten, gleichzeitig eingereichten US-Anmeldung dargestellt sind. Der Aufbau der hier offenbarten Ausführungen unterscheidet sich jedoch von dem in der gleichzeitig eingereichten Stammanmeldung. Die Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, umfasst eine sich drehende Rotorbaugruppe mit einer Rotorplatte, einem Scherungsentkoppler, radialen Durchflusskanälen und einer Rotorabdeckung, die die gleichen Funktionen erfüllen und im Wesentlichen die gleiche Form haben wie bei der vorangehenden Erfindung. Die vorliegende Anmeldung unterscheidet sich dahingehend, dass der Coriolis-Rotor und die dazugehörige Drehstange durch flexible Rippeneinrichtungen ersetzt sind, die an die Durchflusskanäle in dem Bereich, der zuvor durch den Coriolis-Rotor eingenommen wurde, angrenzen und sie begrenzen. Diese Rippen biegen sich in Reaktion auf die Coriolis-Kraft des Materials. Indem Magnete oder andere Erfassungselemente an den freien Enden dieser Rippen und eine weitere Gruppe von Magneten oder anderen Erfassungselementen an dem äußeren Rotor angebracht werden, kann eine Zeitverzögerung und damit eine Durchflussmenge bestimmt werden. Die Durchflusskanäle in dem Bereich, der durch die flexiblen Rippen gebildet wird, haben rechteckigen Querschnitt. Die Unter- und die Oberseite jedes Kanals wird durch die Rotorabdeckung und die Rotorplatte gebildet. Die Seiten der Kanäle werden durch die flexiblen Rippen gebildet. Die auf die Rippen wirkende Coriolis-Kraft ist unabhängig von der Kanalfläche, und daher können die Seiten der Kanäle aus den flexiblen Rippen entweder parallel zueinander oder radial ausgerichtet sein. Bei der bevorzugten radialen Ausrichtung sind die Durchflusskanäle und die Flügel zwischen den Durchflusskanälen keilförmig.
Jeder keilförmige Durchflusskanal lässt Material von der Mitte der Rotorbaugruppe und radial nach außen durch jeden keilförmigen Durchflusskanal zum Rand der Rotorbaugruppe strömen, und dann zu einem Auslass des Gehäuses, in dem der Rotor eingeschlossen ist. Der Durchflussmesser und seine Rotorbaugruppe können auch in entgegengesetzter Materialdurchflussrichtung betrieben werden, in der das Material in den keilförmigen Durchflusskanal am Rand der Rotorbaugruppe und axial nach innen über den keilförmigen Durchflusskanal zum Mittelteil der Baugruppe und von dort aus dem Durchflussmesser nach außen über eine Öffnung koaxial zum Mittelabschnitt der Rotorbaugruppe strömt.
Die Rotorbaugruppe umfasst eine Vielzahl keilförmiger Flügel, wobei jeder Flügel sowohl stationäre Elemente als auch flexible Elemente aufweist, die sich aufgrund der induzierten Coriolis-Kraft zueinander bewegen können. Jeder keilförmige Flügel ist von den angrenzenden Rotorflügeln durch Leerräume getrennt, die die keilförmigen Durchflusskanäle bilden.
Jeder keilförmige Rotorflügel enthält stationäre innere und äußere Segmente, die durch einen beweglichen Mittel-Biegeabschnitt getrennt sind. Eine untere bzw. stationäre Kante jedes Biegeabschnitts ist an der kreisförmigen Trägerplatte der Rotorbaugruppe befestigt. Die Biegewände biegen sich in Reaktion auf die erzeugten Coriolis-Kräfte wie freitragende Balken. Ein Magnet, der an der oberen bzw. freien Kante jedes Biegeelementes befestigt ist, bewegt sich mit der Biegung der Wand, an der befestigt ist. Die Magnetpositionen werden durch eine zugehörige stationäre Spule erfasst, um ein periodisches Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Phase mit einem ähnlichen periodischen Ausgangssignal verglichen wird, das von Magneten erzeugt wird, die an den nichtflexiblen Abschnitten der keilförmigen Flügel befestigt sind. Die Phasen- bzw. Zeitdifferenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden Spulen ermöglicht es, die Durchflussmenge des Materials durch den Durchflussmesser herzuleiten.
Bei einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung umfasst jeder keilförmige Flügel einen nichtflexiblen äußeren Abschnitt, dessen eines Ende bündig mit dem äußeren Rand der kreisförmigen Rotorplatte ist, und der die gleiche Funktion erfüllt wie der äußere Rotor. Jeder Rotorflügel enthält des Weiteren einen nichtflexiblen inneren Abschnitt mit einer inneren bogenförmigen Fläche, die ein Segment des bereits erwähnten Mittelabschnitts der Rotorbaugruppe bildet und die Funktion eines Scherungsentkopplers erfüllt. Der äußere Abschnitt eines Flügels ist vom inneren Abschnitt des Flügels durch ein Biegeelement getrennt, das sich in Reaktion auf die Coriolis-Kräfte biegt, die durch den Materialstrom erzeugt werden.
Das Biegeelement, das zwischen dem inneren und dem äußeren Element jedes keilförmigen Flügels angeordnet ist, umfasst ein U-förmiges Element mit Wänden, die voneinander um eine Strecke getrennt sind, die der Breite des keilförmigen Flügels entspricht, zu dem das Biegeelement gehört. Die Wände des U-förmigen Biegeelementes sind an keinem anderen Element befestigt und können sich daher in Reaktion auf die erzeugten Coriolis-Kräfte ungehindert biegen. Dadurch biegen sich die beiden Wände des U-förmigen Elementes als freitragende Balken um einen Drehpunkt an der Basis des U-förmigen Biegeelementes, wo es an der planen Unterseite des U-förmigen Biegeelementes anliegt. Eine Wand eines U-förmigen Biegeelementes bildet einen Teil der Wand eines keilförmigen Durchflusskanals, während die andere Wand des selben U-förmigen Biegeelementes einen Teil der Wand des angrenzenden keilförmigen Durchflusskanals bildet. Ein Magnet ist an dem oberen Abschnitt einer oder beider Wände jedes U-förmigen Biegeelementes befestigt. Der Magnet wird durch Coriolis-Kräfte um den gleichen Betrag verschoben wie die Wand, an der er befestigt ist. Diese Verschiebung wird durch eine zugehörige Spule erfasst, wobei das Ausgangssignal von der Spule mit einem Ausgangssignal von einer Magnet/Spulen-Kombination verglichen wird, die zu einem nichtflexiblen Abschnitt der Rotorbaugruppe gehört, um Informationen zu erzeugen, die die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen anzeigen, und damit die Durchflussmenge des Materials, das durch den Durchflusskanal strömt.
Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung umfasst die Rotorbaugruppe eine flache kreisförmige Rotorplatte und eine Vielzahl keilförmiger Durchflusskanäle, die voneinander durch V-förmige Rippenelemente getrennt sind, die jeweils eine Unterkante aufweisen, die an einer Oberfläche der Rotorplatte befestigt ist, sowie eine zweite Kante, die sich ungehindert bewegen kann. Die Enden jedes Schenkels der V-förmigen Rippe sind bündig mit dem äußeren Rand der kreisförmigen Rotorplatte. Die Spitze der V-förmigen Rippe endet in einem Mittelabschnitt der Rotorbaugruppe. So weist die kreisförmige Rotorplatte mit den an ihrer Oberseite angebrachten V-förmigen Rippen eine Vielzahl keilförmiger Durchflusskanäle auf, wobei aneinandergrenzende keilförmige Durchflusskanäle durch die Wände einer einzelnen V-förmigen Rippe getrennt sind.
Jeder Schenkel einer V-förmigen Rippe weist ein Paar Schlitze auf, die einen inneren, mittleren und äußeren Abschnitt jedes Schenkels der Rippe bilden. Die Funktion der Schlitze besteht darin, den inneren und den äußeren Abschnitt, auf die Nicht-Coriolis- Kräfte wirken, von dem mittleren Abschnitt zu trennen, auf den nur Coriolis-Kräfte wirken. Ein Magnet ist an dem freien Rand eines der mittleren Segmente jedes V-förmigen Elementes befestigt. Der Mittelabschnitt jedes V-förmigen Elementes bildet so ein Biegeelement, das sich in Reaktion auf die Coriolis-Kräfte biegt, die von dem Material erzeugt werden, das durch die Kanäle strömt. Der angebrachte Magnet biegt sich um einen Betrag, der der Biegung des Elementes entspricht, an dem er befestigt ist. Eine zu den Magneten gehörende Spule erzeugt ein periodisches Ausgangssignal, dessen Phase mit der Phase einer Magnet/Spulen-Kombination verglichen wird, die an dem nichtflexiblen Abschnitt des Rotors angebracht ist. Die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Ausgangssignalen wird verwendet, um die wirkende Coriolis-Kraft zu bestimmen und so die Durchflussmenge des Materials in den Durchflusskanälen herzuleiten.
Die Durchflusskanäle und der Erfassungsmechanismus, die durch die keilförmigen Flügel sowie die Biegeelemente der ersten beschriebenen Ausführung und die V-förmigen Elemente der zweiten Ausführung gebildet werden, bilden ein Rotorbaugruppensystem, das eine Konstruktion frei von Buchsen, Lagern und dem Drehstab hat. Diese Konstruktion lässt sich einfach herstellen und ist weniger anfällig gegenüber körnigen und aggressiven Materialien. Gleichzeitig werden mit der Konstruktion Ausgangssignale erzeugt, die die Durchflussmenge des Materials anzeigen.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die Rotorbaugruppe von einem Motor gedreht, um die Doppelfunktion einer Fluidpumpe und einer Durchfluss- Messvorrichtung zu erfüllen, die Durchflussinformationen für das Fluid erzeugt, das von der Pumpe zugeführt wird.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 und 2 veranschaulichen physikalische Kräfte, die bei dem Betrieb eines Coriolis- Durchflussmessers auftreten.
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer möglichen beispielhaften Ausführung der Erfindung.
Fig. 4 ist eine detaillierte Ansicht der Rotorbaugruppe in Fig. 3.
Fig. 5 zeigt weitere Details des Biegeelementes in Fig. 4.
Fig. 6 zeigt die Details einer alternativen Rotorbaugruppe.
Fig. 7 und 8 veranschaulichen physikalische Kräfte, die bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auftreten.
Fig. 9 offenbart ein Dehnungsmess-Biegeelement.
Fig. 10 offenbart eine Rotorbaugruppe, die in beiden Richtungen des Materialstroms betrieben werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Fig. 1 und 2 offenbaren eine Durchflussröhre 1 mit einem Block einer Fluidmasse 102, der mit einer Geschwindigkeit V strömt. In schwingenden Coriolis-Durchflussmessern ist die Drehung einer Durchflussröhre 101 um einen Drehpunkt 104 nicht kontinuierlich, sondern umfasst eine Schwingbewegung, bei der sich die Durchflussröhre 101 kurz in einer Richtung um Drehpunkt 104 und anschließend in der entgegengesetzten Richtung zurück dreht. Der Grund dafür besteht darin, dass es bei herkömmlichen Durchflussmessern aufgrund mechanischer Probleme, wie beispielsweise dem Vorhandensein der erforderlichen Dichtungen und des dadurch vorhandenen Strömungswiderstandes, der von den Dichtungen bewirkt wird, nicht möglich ist, die Durchflussröhren kontinuierlich zu drehen. Diese Einschränkung wird mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung aufgehoben.
Die Durchflussröhre 101 dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um Drehpunkt 104, wie dies mit Vektor 103 dargestellt ist. In diesem Zustand wirkt auf den Block der Fluidmasse 102 eine Coriolis-Beschleunigung AC, während er sich von Drehpunkt 104 mit einer Geschwindigkeit V wegbewegt. Es sind die Wände der Durchflussröhre 101 sowie die Kraft FC an der Wand, die es ermöglichen, dass die Coriolis-Beschleunigung auf den Block der Fluidmasse 102 wirkt.
Die erzeugte Coriolis-Kraft FC kann wie folgt ausgedrückt werden:

Gleichung 1

FC = MAC
wobei
FC = auf die Röhre wirkende Coriolis-Kraft
M = Fludimasse
AC = Coriolis-Beschleunigung.
Anhand der Gesetze der Physik kann die Coriolis-Beschleunigung AC wie folgt ausgedrückt werden:

Gleichung 2

AC = 2(ω·V)
ω = Winkelgeschwindigkeit der Durchflussröhre
V = Fluidgeschwindigkeit
Wenn Gleichung 2 in Gleichung 1 substituiert wird, kann die auf die Durchflussröhre wirkende Coriolis-Kraft wie folgt ausgedrückt werden:

Gleichung 3

F = M·2(ω·V)
Die Coriolis-Beschleunigung AC ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Tangentialgeschwindigkeit ändert, die auf den Block der Fluidmasse 102 wirkt, wenn er sich mit einer Geschwindigkeit V durch die Durchflussröhre 101 von dem Drehpunkt 104 wegbewegt. Gleichung 2 kann intuitiv erfasst werden, indem davon ausgegangen wird, dass der Fluidblock während eines Zeitintervalls δt eine endliche Strecke zurücklegt, und dass während dieses Zeitintervalls der Abstand des Fluidblocks 102 zu dem Drehpunkt 104 zunimmt. War der Fluidblock 102 ursprünglich um eine Strecke R von dem Drehpunkt 104 entfernt, dann ist der Fluidblock nach einem Zeitintervall δt um eine Strecke R + δR von Drehpunkt 104 entfernt. Die Tangentialgeschwindigkeit jedes Punktes an der Durchflussröhre ist eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit ω, mit der sich die Durchflussröhre dreht, multipliziert mit ihrem Abstand zum Drehpunkt 104. Am Ende des Intervalls δt ist der Fluidblock 102 um den Betrag δR weiter von dem Drehpunkt 104 entfernt. Wenn dies der Fall ist, so bewegt sich der Fluidblock 102 nach dem Zeitintervall δt, zu dem sein Abstand zu dem Drehpunkt R + δR beträgt, mit größerer Tangentialgeschwindigkeit als zu Beginn des Zeitintervalls, zu dem sein Abstand zu dem Drehpunkt R betrug. Diese Zunahme der Tangentialgeschwindigkeit dividiert durch das Zeitintervall δt entspricht der Coriolis-Beschleunigung AC des Blocks der Fluidmasse 102. Die radiale Geschwindigkeit V der Fluidmasse in Block 102 bleibt während dieses Zeitintervalls konstant, obwohl die Tangentialgeschwindigkeit des Blocks von Fluidmasse 102 zunimmt, wenn er sich immer weiter von Drehpunkt 104 weg bewegt.
Aus Gleichung 3 ist zu ersehen, dass die Coriolis-Kraft FC, die in Fig. 1 dargestellt ist, proportional zu der Masse M des Fluids in der Fluidröhre 101 ist, sowie zu der Winkelgeschwindigkeit ω, mit der sich die Durchflussröhre 101 um einen Drehpunkt 104 dreht, und proportional zur Geschwindigkeit V, mit der sich die Fluidmasse durch die Durchflussröhre bewegt.
Fig. 2 und die folgende Erläuterung dienen der Beschreibung der Kräfte, die auf einen sich drehenden Rotor wirken und zu ihm gehören, wenn Material durch radiale Löcher (bzw. Röhren) in dem Rotor strömt. Es ist anzumerken, dass, obwohl die radialen Löcher mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt sind, sie auch rechteckige oder jede beliebige andere Querschnittsform haben können. Bei nichtkreisförmigen Querschnitten ist der Begriff "Durchflusskanal" möglicherweise zutreffender als der Begriff "Durchflussröhre". In Fig. 2 ist Ah die Querschnittsfläche des Innenabschnitts der Durchflussröhre 101 in Fig. 1. Der Block an Fluidmasse 102 hat eine Dicke δR und eine Querschnittsfläche Ah. Die Masse dieses Blocks 102 kann mit ρAhδR ausgedrückt werden, wobei ρ der Dichte des Materials entspricht, das Block 102 bildet, Ah die Querschnittsfläche des Blocks 102 ist und δR die Dicke von Block 102 ist.

Gleichung 4

δM = ρAhδR
Dieser Ausdruck für die Differentialmasse kann in der Differentialversion von Gleichung 3 eingesetzt werden.

Gleichung 5

δFc = 2δM(ω·V)

Gleichung 6

δFc = 2ρAhδR(ω·V)
Diese Gleichung kann durch Substitution vereinfacht werden:

Gleichung 7

M = ρAhV
wodurch sich ergibt:

Gleichung 8

δFc = 2MωδR
Der untere Abschnitt von Durchflussröhre 101 befindet sich in einem Abstand R1 zu der Achse 103, auf der Drehpunkt 104 liegt. Block 102 befindet sich in einem Abstand R zu dem Drehpunkt 104, während das obere Ende der Durchflussröhre 102 sich in einem Abstand R2 zu dem Drehpunkt 104 befindet. Wenn die Röhre voll mit sich bewegendem Fluid ist, ergibt sich bei Integration von Gleichung 8 von R&sub1; zu R&sub2; die Gesamtkraft an diesem Abschnitt der Röhre aufgrund der Coriolis-Beschleunigung des Fluids darin. Gleichung 9

Gleichung 10

Fc = 2Mω(R&sub2; - R&sub1;)
Die auf den Abschnitt der Röhre wirkende Coriolis-Kraft wurde in dem vorangehenden Patent genutzt, um das auf den Coriolis-Rotor wirkende Drehmoment zu berechnen. Bei der vorliegenden Erfindung ist kein Coriolis-Rotor oder Drehstab vorhanden, mit dem das Drehmoment reagieren kann, sondern diese Kraft wirkt so, dass sie die flexiblen Rippen biegt.

BESCHREIBUNG DER Fig. 7 UND 8

Fig. 7 und 8 veranschaulichen die physikalischen Prinzipien, die der Funktion der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen. Die Erfassungselemente der vorliegenden Erfindung bestehen aus einer Reihe flexibler Rippen 804, die an einer Rotorbaugruppe 315 befestigt sind. Die Rippen sind so ausgerichtet, dass die Oberseiten der Rippen in Ebenen liegen, die die Drehachse der Rotorbaugruppe einschließen. Eine Kante 903 jeder Rippe ist an einer Fläche 902 der Rotorbaugruppe befestigt. Die Rippen 804, die Rotorplatte 315 und die Rotorbaugruppenfläche bilden radiale Durchflusskanäle. Das Material, das durch diese sich drehenden Durchflusskanäle strömt, wird Coriolis- Beschleunigung durch die Wände der Rippen ausgesetzt. Die Beschleunigungskraft (Gleichung 10) wirkt auf die Rippe als gleichmäßiger Druck. Das Material im vorderen Bereich des Kanals (wobei das Material radial nach innen strömt) hat einen höheren Druck als das Material auf der hinten liegenden Seite des Kanals (Fig. 8). Die Rippe biegt sich in Reaktion darauf, dass auf einer Seite ein größerer Druck wirkt als auf der anderen. Der Betrag der Biegung kann berechnet werden, indem die flexible Rippe 901 als gleichmäßig belasteter freitragender Balken betrachtet wird (siehe Fig. 8).
Die Gleichung für die Biegung eines gleichmäßig belasteten freitragenden Balkens ist die folgende: Gleichung 11
wobei y = Biegung des Balkenendes, F = Gesamtbelastung, L = Balkenlänge, E = Elastizitätsmodul, I = Trägheitsmoment.
Das Trägheitsmoment für einen Balken mit rechteckigem Querschnitt ist durch folgende Gleichung gegeben:

Gleichung 12

I = bh³/12
b = Balkenbreite
h = Balkendicke
Bei Substitution von Gleichung 12 in Gleichung 11 ergibt sich: Gleichung 13
Wenn der freitragende Balken die flexible Rippe der vorliegenden Erfindung ist, dann wird, wie in Gleichung 10 hergeleitet, die Belastung F die Coriolis-Kraft Fc. Die Balkenbreite b wird die Rippenbreite R&sub2;-R&sub1;. Die Balkenlänge L wird die axiale Abmessung der Rippe und die Balkendicke h wird die Rippendicke. Wenn diese Substitutionen in Gleichung 13 ausgeführt werden, ergibt sich: Gleichung 14
Gleichung 14 zeigt, dass die Biegung des Endes der flexiblen Rippe (und des dazugehörigen Magneten) direkt proportional zur Durchflussmenge ist. Die Magnetbewegung führt zu einer Winkelverschiebung (Scheitelpunkt des Winkels auf der Drehachse) zwischen den Magneten, die an den flexiblen Rippen befestigt sind, und denen, die an der Rotorbaugruppe befestigt sind. Der Wert der Winkelverschiebung kann geometrisch als dem umgekehrten Tangens der Magnetablenkung dividiert durch den Radius zu den Magneten entsprechend dargestellt werden (φ = tan&supmin;¹ y/R). Wenn die Ablenkung y verglichen mit R gering ist, dann kann die kleine Winkelnäherung (small angle approximation) tanθ = θ für die Winkelablenkung verwendet werden, so dass φ = y/R gilt. Da y proportional zu der Durchflussmenge ist, folgt, dass φ ebenfalls proportional zur Durchflussmenge ist. Die Geometrie der flexiblen Rippe verhält sich daher wie die Konstruktion der Drehfedern der vorhergehenden Erfindung.

AUSFÜHRUNG IN Fig. 3

Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer möglichen bevorzugten beispielhaften Ausführung der Erfindung. Diese Ausführung umfasst ein zylindrisch geformtes Materialeinschlussgehäuse 301, eine Rotorbaugruppe 307, eine Rotorbaugruppenabdeckung 317 sowie eine Materialeinschlussgehäuseabdeckung 303. Einlass 302 mit Öffnung 327 bildet einen Teil von Materialeinschlussgehäuse 301. Auslass 304 mit Öffnung 337 ist über Flansch 306 an Gehäuseabdeckung 303 befestigt. In Funktion befindet sich Rotorbaugruppe 307 in Aussparung 338 des Materialeinschlussgehäuses 301. Achse 331 ist an ihrem oberen Ende an der Unterseite von Rotorbaugruppe 307 befestigt und erstreckt sich an ihrem unteren Ende drehbar durch Lager 334A, Lager 334B, Lagerschale 333 mit Sprengring 339 und Lagerschalenabdeckung 336. Rotorbaugruppe 307 dreht sich ungehindert mit Achse 331, wenn sie sich in Materialeinschlussaussparung 338 von Gehäuse 301 befindet.
Die Rotorbaugruppe 307 ist in Fig. 4 detaillierter dargestellt und umfasst eine kreisförmige Rotorträgerplatte 315 mit einer Oberseite 315A, an der eine Vielzahl keilförmiger Flügel 320 befestigt ist. Eine Vielzahl keilförmiger Durchflusskanäle 309 wird durch den Zwischenraum zwischen den keilförmigen Flügeln 320 gebildet. Jeder Flügel 320 umfasst ein äußeres Flügelelement 308 sowie ein inneres Flügelelement 310 und ein U-förmiges Biegeelement 312, das sich zwischen den Flügelelementen 308 und 310 befindet. Die äußeren Flügelelemente 308 sind so angeordnet, dass sie eine kreisförmige Struktur um den Außenabschnitt von Rotorplatte 315 herum bilden. Die Außenwand 308A jedes äußeren Flügelelementes 308 ist bündig mit dem Rand der Rotorflächenplatte 315. Der innere Flügel 310 jedes keilförmigen Flügels 320 weist die Innenfläche 310A auf, die bündig mit dem Mittelbereich 340 der Rotorträgerplatte 315 ist. Biegeelement 312 hat einen unteren Abschnitt (in Fig. 4 nicht dargestellt), der an der Oberseite 315A von Rotorplatte 315 befestigt ist.
Fig. 6 zeigt, dass das Biegelement 312 eine Seitenwand 402, eine zweite Seitenwand 403 und einen unteren Abschnitt 401 mit einer Öffnung 604 hat, die eine Schraube zum Anbringen der Unterseite von 401 an der Oberseite 315A von Rotorplatte 315 aufnimmt. Ein Magnet 344 (Fig. 3, 4 und 6) ist mit Winkel 605 an einer Seitenwand 403 von Biegelement 312 befestigt.
Die Oberseite der Rotorabdeckung 317 (Fig. 3) enthält Nabe 319, die Dichtung 321 aufnimmt, die mit einem unteren Abschnitt von Materialauslass 304 zusammen wirkt, der an der Gehäuseabdeckung 303 befestigt ist. Dichtung 321 verhindert das Austreten um die Rotorbaugruppe herum und gewährleistet, dass das Material in den Durchflusskanälen 309 strömt und eine Coriolis-Kraft auf die flexiblen Seitenwände 402 und 403 ausübt. Schrauben 313 erstrecken sich durch Öffnungen 318 in Rotorabdeckung 317 hindurch, und dienen der Anbringung der Rotorabdeckung 317 an den Oberseiten der Rotorflügel 320 über Löcher bzw. Öffnungen 311 in den Oberseiten der äußeren Flügel 308.
Die Oberseite von Gehäuseabdeckung 303 enthält Öffnung 346, die Spule 323 aufnimmt, die, wie weiter unten beschrieben, dazu dient, die Winkelverschiebung zwischen den verschiedenen Abschnitten jedes keilförmigen Flügels 320 zu bestimmen.
In Funktion sind Rotorbaugruppe 307 und die keilförmigen Flügel 320 in Aussparung 338 von Einschlussgehäuse 301 angeordnet. Gehäuseabdeckung 303 (Fig. 3) wird mit Schrauben 305 und Löchern 326 an der Oberseite von Materialeinschlussgehäuse 301 befestigt. Der zusammengesetzte Durchflussmesser wird mit einer Rohrleitung (nicht dargestellt) verbunden, wobei der Zuführabschnitt der Rohrleitung mit einem Materialeinlass 302 verbunden wird und der stromab liegende Abschnitt der Rohrleitung mit einem Materialaustritt 304 verbunden wird. Das Hindurchtreten von Material durch Öffnung 327 von Einlass 302 in Gehäuse 301 bewirkt, dass sich die Rotorbaugruppe 307 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, wenn sich das Material durch die Durchflusskanäle 309 radial nach innen auf den Mittelabschnitt 340 der Rotorbaugruppe 307 zu bewegt und sich anschließend in Fig. 3 nach oben bewegt, um aus dem Durchflussmesser an Öffnung 337 von Materialauslass 304 auszutreten.
Beim Strömen durch die sich drehenden Kanäle bewirkt Coriolis-Beschleunigung des Materials, dass sich die Wände 402 und 403 von Biegeelement 312 (Fig. 6) seitlich bewegen, so dass ihre oberen Ende in Bezug auf die vertikalen Wände 308B und 310B des äußeren Flügelelementes 308 und des inneren Flügelelementes 310 verschoben werden. Die Wände 402 und 403 biegen sich wie ein freitragender Balken um ihr unteres Ende, an dem sie in den unteren Abschnitt 401 des U-förmigen Biegeelementes 312 übergehen (Fig. 6). Jeder Magnet 344, der an den Wänden 403 befestigt ist, wird durch die erzeugten Coriolis-Kräfte seitlich verschoben. Die Felder der Magneten 344 werden von Spule 323 erfasst, wenn sich Rotorbaugruppe 307 dreht. Spule 323 ist in Öffnung 346 von Gehäuseabdeckplatte 303 angeordnet. Spule 324 (Fig. 3) ist am unteren Abschnitt 357 von Gehäuse 301 befestigt und wirkt mit Magneten 316 zusammen, die in der Unterseite von Rotorplatte 315 angeordnet sind. Die Spulen 323 und 324 erzeugen Ausgangssignale auf Wegen 353 und 352, wenn sich die Magnete 344 und 316 sowie die Rotorbaugruppe 307 drehen. Die Signale auf den Wegen 353 und 352 unterscheiden sich mit dem Strom hinsichtlich der Phase und, wenn diese phasenverschobenen Signale an Messelektronik 351 angelegt werden, können die Durchflussmenge und andere Informationen bezüglich des durchfließenden Materials bestimmt werden.
Spule 323 ist in Öffnung 346 von Abdeckung 303 am oberen Ende von Fig. 3 angeordnet. Dadurch kann die Position von Spule 323 so eingestellt werden, dass die periodischen Wellenausgänge der Spulen 323 und 324 während des strömungslosen Zustandes der Messeinrichtung zusammenfallen. Dies ist notwendig, um die Messeinrichtung zu eichen. Die Position von Spule 323 in Öffnung 346 wird mit Halteelement 348 und Schraube 349 fixiert, die in Öffnung 347 eingeschraubt werden, wobei das untere Ende von Halteelement 348 an der Oberseite von Spule 323 festgeklemmt wird, um seine weitere Bewegung zu verhindern. Beim Nullen fallen die Ausgangssignale der Spulen 323 und 324 beim strömungslosen Zustand des Durchflussmessers zusammen, wenn jedoch Material strömt, sind sie zueinander versetzt bzw. phasenverschoben. Diese Phasenverschiebung ist proportional zur Durchflussmenge des Materials, das in dem Durchflussmesser strömt und sie wird von der Messelektronik 351 genutzt, um die Durchflussmenge des Materials zu bestimmen. Die Messelektronik 351 der Messeinrichtung ist in der Technik bekannt, und kann, wenn gewünscht, das Modell Nr. RFT9739 von Micro Motion umfassen.
Motor 325 ist am unteren Ende von Achse 331 befestigt und dient dazu, die Rotorbaugruppe 307 während eines strömungslosen Zustandes des Durchflussmessers zu kalibrieren. Dies kann auch während des Herstellungsvorgangs ausgeführt werden. Bei einer alternativen motorgetriebenen Ausführung kann der Motor dazu dienen, die Rotorbaugruppe zu drehen, um zu bewirken, dass das Material von der Mittelöffnung 304 über die Rotorbaugruppe 307 und an der Randöffnung 302 durch die Messeinrichtung gepumpt wird. Das von Motor 325 auf Achse 331 und damit auf Rotorbaugruppe 307 ausgeübte Drehmoment, ermöglicht es der Rotorbaugruppe, die doppelte Funktion als Pumpe sowie als Coriolis-Durchflussmesser zu erfüllen, der die Durchflussmenge des durch die Pumpe strömenden Materials anzeigt. Bei der motorgetriebenen Pumpenalternative ist Motor 325 fest an Achse 331 angebracht. Bei der Durchflussmesser/Nichtpumpen-Alternative der Erfindung kann der Motor 325, wenn gewünscht, fest an Achse 331 angebracht werden. Als Alternative dazu kann der Motor normalerweise von Achse 331 getrennt sein, so dass ein an sich sicherer Durchflussmesser entsteht. In diesem Fall kann der Motor vorübergehend mit Achse 331 zum Kalibrieren verbunden werden, um eine Phasendifferenz von Null zwischen den Ausgangssignalen der Spulen 323 und 324 während eines strömungslosen Zustandes des Durchflussmessers herzustellen. Nach dem Kalibrieren kann der Motor dann getrennt werden.
Es wird davon ausgegangen, dass sich die Rotorbaugruppe 307, wie in Fig. 4 dargestellt, entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, und dass Material über Einlassöffnung 327 in Fig. 3 durch die Durchflusskanäle 309 zu dem Mittelabschnitt 340 der Rotorbaugruppe 307 und dann von dem Mittelabschnitt 340 nach oben und über Öffnung 337 von Auslass 304 nach außen strömt. In diesem Zustand bewirkt der Materialstrom durch die Kanäle 309, dass in die Wände 403 und 402 (Fig. 4 und 6) jedes U-förmigen Biegeelementes 312 entgegen dem Uhrzeigersinn in Bezug auf die nicht beweglichen Wände 308C, 308B, 310C und 310B ihrer dazugehörigen Flügelelemente 308 und 310 verschoben werden. Was den Strömungskanal 309 angeht, der im unteren Teil von Fig. 4 dargestellt ist, so erzeugt der Materialstrom einen Materialüberdruck auf der rechten Seite des Strömungskanals an die Biegewand 402 angrenzend in der 5-Uhr-Position und erzeugt einen relativen Materialunterdruck auf die entsprechende Biegewand 403 des U-förmigen Biegeelementes, dessen Wand 403 ungefähr an der 6-Uhr-Position in Fig. 4 angeordnet ist. Über- und Unterdrücke werden in den entsprechenden Bereichen der anderen Durchflusskanäle 309 erzeugt, die in Fig. 4 dargestellt sind. Dadurch wird der obere Abschnitt der Biegewände nach rechts bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn gebogen, was die Wände des U-förmigen Biegeelementes 312 in den 5-Uhr- und den 6- Uhr-Positionen angeht, so dass auch die Magnete 344, die an den Wänden 403 dieser U-förmigen Biegeelemente befestigt sind, nach rechts verschoben werden. Diese Verschiebung der Magnete 344 wird von Aufnehmerspule 323 erfasst und bewirkt eine Phasenverschiebung der Ausgangssignale der Spule 323 und der Spule 324 zueinander. Magnete können an jeder beliebigen Anzahl von Biegewänden angebracht werden, solange eine gleiche Anzahl an einem nicht flexiblen Abschnitt des Rotors angebracht wird. Die Anzahl der Magnete zusammen mit der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors bestimmt die Frequenz der Ausgangssignale.
Der Zwischenraum zwischen den Enden der Wände 402 und 403 jedes U-förmigen Elementes 312 und den Wänden der dazugehörigen äußeren und inneren Flügel 308 und 310 ist so gering, dass kein bemerkenswerter Strom an Material in den U-förmigen Leer- bzw. Zwischenraum hineintritt, der durch den Abstand zwischen den beiden Wänden 402 und 403 des U-förmigen Elementes 312 gebildet wird.

BESCHREIBUNG VON Fig. 5

Fig. 5 offenbart eine alternative Ausführung, bei der die keilförmigen Flügel 320 der Rotorbaugruppe 307 in Fig. 4 durch V-förmige Rippen 501 mit einer Vielzahl segmentierter Abschnitte ersetzt werden, die durch vertikale Schlitze in den Wänden jeder Rippe 501 gebildet werden. Jede derartige V-förmige Rotorrippe 501 ist von einem angrenzenden V-förmigen Element 501 durch den von einem Durchflusskanal 309 gebildeten Raum getrennt. Jede V-förmige Rippe 501 weist eine Vielzahl von Segmenten, die mit 502, 503, 504 nummeriert sind, an einem Schenkelsegment sowie 505, 506, 507 an dem anderen Schenkel des V-förmigen Elementes auf. Die Elemente 502 und 507 am äußeren Abschnitt der V-förmigen Rippe 501 entsprechen einem äußeren Flügelelement 308 in Fig. 3 und 4. Die mittleren Segmente 503 und 506 jeder V-förmigen Rippe 501 sind das funktionelle Äquivalent zu dem Biegeelement 312 in Fig. 3 und 4. Die Segmente 504 und 505 am inneren Abschnitt jedes Schenkels der V-förmigen Rippe 501 entsprechen den inneren Flügelelementen 310 eines keilförmigen Flügels 320 in Fig. 3 und 4. Ein Magnet 344 ist an einem oberen Abschnitt von Rippensegment 503 befestigt, so dass seine Biegung durch Spule 323 als Coriolis-Kräfte erfasst werden kann, die durch den Strom von Material durch keilförmige Durchflusskanäle 309 während der Funktion des Durchflussmessers erzeugt werden. Der untere Abschnitt der V-förmigen Rippen 501 ist fest in Nuten 508 von Rotorplatte 315 eingeführt.
Der Strom von Material durch die Durchflusskanäle 309 bei der Drehung von Rotor 315 erzeugt Coriolis-Kräfte, die bewirken, dass die Segmente, die die Schenkel jeder V-förmigen Rippe 501 bilden, sich biegen. Die Biegung der mittleren Rippenelemente, wie beispielsweise der Elemente 503 und 506, wird durch Magnet 344 erfasst, der an Segment 503 jeder V-förmigen Rippe befestigt ist. Der Betrag der Verschiebung der Magnete 344 ist proportional zu den erzeugten Coriolis-Kräften, die durch den Materialstrom durch Durchflusskanäle 309 verursacht werden. Die Bewegung jedes Magneten 344 wird durch die Signale erfasst, die in Spule 323 induziert werden, wenn Magneten 344 unter Spule 323 hindurchlaufen, während sich die Rotorbaugruppe 307 dreht. Die Biegung der Wände, an denen jeder Magnet 344 befestigt ist, bewirkt, dass das in Spule 323 induzierte Signal in Bezug auf das in Spule 324 induzierte Signal verschoben wird. Diese Phasenverschiebung zwischen den durch die Spulen 323 und 324 erzeugten Signalen wird an die Messelektronik 351 über Wege 352 und 353 angelegt und, wie bereits beschrieben, genutzt, um Durchflussmengen- und andere Informationen bezüglich des durch die Durchflusskanäle strömenden Materials zu erzeugen.
Die in Fig. 5 dargestellten Schlitze, die die verschiedenen Rippensegmente, wie beispielsweise die Segmente 502 und 503, voneinander trennen, können sich, wenn gewünscht, vom oberen zum unteren Ende jedes Rippenelementes erstrecken. Die Schlitze dienen dazu, die Coriolis-Erfassungsrippe von den Nicht-Coriolis-Kräften zu isolieren, denen die inneren und die äußeren Segmente ausgesetzt sind. Es ist zu erwarten, dass sich die innere und die äußere Rippe in der Nähe der Schlitze um nahezu den gleichen Betrag biegen wie die Coriolis-Rippe, und der Betrag des Austretens durch die Schlitze kann vernachlässigt werden. Das Loch 311 im oberen Ende jedes Pfostens 382 ermöglicht es, Rotorplatte 317 in Fig. 3 mit Schrauben 313 und Löchern 318 in der Rotorplatte 317 an Rotorplatte 315 in Fig. 5 zu befestigen.
Die Biegeachsen der flexiblen Rippen bei den bisher beschriebenen Ausführungen sind senkrecht zur Drehachse des Rotors. Diese Konstruktion ist notwendig, wenn der Kalibrierfaktor unabhängig von der Materialdichte sein soll. Der Grund besteht, wie in der vorangehenden Stammanmeldung mathematisch hergeleitet, darin, dass jegliche Krümmung der Durchflusskanäle in der Ebene des Rotors zu einer von der Materialgeschwindigkeit abhängigen Kraft an den Rippen wirkt, die zu Fehlern bei der Durchflussmessung führt.
In Fig. 3 und 4 üben die inneren Flügelelemente 310 eine Materialscherungs-Entkopplungsfunktion aus, durch die das Biegeelement 312 gegenüber den Kräften isoliert wird, denen es ausgesetzt wäre, wenn die inneren Flügelelemente 310 nicht vorhanden wären. Das Material, das durch die Durchflusskanäle 309 vom äußeren Rand des Durchflusskanals nach innen zum Mittelabschnitt der Rotorbaugruppe 307 strömt, weist ein Moment auf, das durch die Drehung des Durchflusskanals verursacht wird, durch den das Material fließt. Wenn sich das Material dem Mittelabschnitt der Rotorbaugruppe 307 nähert, trifft es auf den Materialaustritt/-einlass 304 auf. Die Wand der Austrittsöffnung 304 sowie das Austrittsrohr (nicht dargestellt) drehen sich nicht und verlangsamen damit die Drehung des austretenden Fluids. Wenn das Fluid ausreichend viskos ist, kann es einen Torsions-Strömungswiderstand zurück zum Mittelabschnitt der Rotorbaugruppe 307 übertragen. Die inneren Flügelelemente 310 absorbieren die mit diesem Strömungswiderstand verbundenen Kräfte. Dadurch isolieren die inneren Elemente 310 jedes Flügels die Biegeelemente 312 gegenüber den mit diesem Torsions-Strömungswiderstand verbundenen Kräften und ermöglichen so, dass die Biegeelemente 312 und ihre Wände stets nur den Coriolis-Kräften ausgesetzt sind. Dadurch wird die Genauigkeit des Durchflussmessers verbessert, indem gewährleistet wird, dass der Betrag der Biegung der Magneten 344, die an den Biegewänden befestigt sind, nur den Betrag der erzeugten Coriolis-Kräfte darstellt und umgekehrt keine Verschiebungen darstellt, die ansonsten durch viskosen Strömungswiderstand und andere Kräfte erzeugt werden würden, denen die inneren Flügelelemente 310 ausgesetzt sind.
Die äußeren Flügelelemente 308 ähneln in gewisser Weise den inneren Flügelelementen 310, da sie ebenfalls eine Entkopplungsfunktion erfüllen. Sie isolieren die Biegeelemente 312 gegenüber viskosem Strömungswiderstand am Rand der Rotorbaugruppe sowie gegenüber den Beschleunigungskräften, die auftreten, wenn das Fluid beim Eintreten in die Rotorkanäle 309 die Geschwindigkeit abrupt ändern muss. Die äußeren Flügelelemente 308 erzeugen die Kräfte, die erforderlich sind, um diese Materialstromumwandlung zu bewirken, so dass die Wände der Biegeelemente 312 nur den erzeugten Coriolis-Kräften ausgesetzt sind.
Wenn die Durchflussrichtung umgekehrt wird, so dass das Fluid in der Mitte eintritt und am Rand des Rotors austritt, so beispielsweise im Pumpbetrieb, entkoppeln die inneren Flügelelemente 310 den Biegebereich von dem viskosen Strömungswiderstand des einströmenden Materials, während die äußeren Flügelelemente 308 umkehrte Funktion ausüben, so dass die inneren Flügelelemente 310 das Fluid beschleunigen, bevor es in den Biegebereich eintritt, und die äußeren Flügelelemente 308 den Biegebereich gegenüber dem viskosen Strömungswiderstand isolieren, dem das Äußere des Rotors ausgesetzt ist.
Die Elemente 502, 504, 507 und 505 jedes V-förmigen Schenkels in Fig. 5 üben ähnliche Scherungs- und Beschleunigungs-Entkopplungsfunktionen aus, so dass Wand 503 lediglich Coriolis-Kräften ausgesetzt ist.

MOTORGETRIEBENE KOMBINATION PUMPE/DURCHFLUSSMESSER

Der Durchflussmesser der vorliegenden Erfindung kann so betrieben werden, dass er die Doppelfunktion einer Pumpe und eines Coriolis-Durchflussmessers ausübt, um die Durchflussmenge des Materialausgangs der Pumpe zu messen. Bei diesem Betrieb tritt das Material an Öffnung 304 in den Durchflussmesser in Fig. 3 ein, die in diesem Fall den Materialeinlass bildet. Das Material strömt, wie in Fig. 3 dargestellt, nach unten und radial über die Durchflusskanäle 309 nach außen und tritt aus der Durchflussmesser/Pumpen-Baugruppe an Element 302 aus, das in diesem Fall den Materialauslass der Durchflussmesser/Pumpen-Baugruppe bildet. Das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Baugruppe als Pumpe zu betreiben, wird von Motor 325 zugeführt, der mit Achse 331 und so mit Rotorbaugruppe 307 verbunden ist. Die Drehung der Rotorbaugruppe 307 im Uhrzeigersinn (von der Oberseite der Figur aus gesehen) um Achse 331 bewirkt, dass das von Einlass 304 aufgenommene Material über Durchflusskanäle 309 radial nach außen und an Auslassöffnung 302 ausströmt.
Der Strom des Materials vom Mittelabschnitt der Rotorbaugruppe 307 nach außen bewirkt, dass jeder Teilabschnitt des Materials in den Durchflusskanälen 309 eine zunehmende Tangentialgeschwindigkeit annimmt. Diese Tangentialbeschleunigung übt eine Kraft auf die Wände der Elemente aus, die die Durchflusskanäle 309 bilden. Dazu gehören die Wände 310b des inneren Flügels 310, die Wand 403 von Biegeelement 312 sowie die Wand 308b des äußeren Flügels 308. Diese Wände erzeugen die Kraft, die erforderlich ist, um dem Material die erforderliche höhere Tangentialgeschwindigkeit zu verleihen. Diese auf die Wände 403 von Biegeelement 402 wirkende Kraft bewirkt, dass die Wand der Drehung der Wände 308b von Element 308 nacheilt. Dadurch erhalten die Wände 403 eine Winkelverschiebung gegenüber der Wand 308b. Magnete 323 und 324 erfassen den Betrag der Biegung der Wände 308b und bestimmen die Durchflussmenge des Materials in der Durchflussmesser/Pumpen-Baugruppe. Diese Verschiebung zeigt die Durchflussmenge des von der Pumpe einer externen Rohrleitung oder dergleichen zugeführten Materials an, mit der Austrittsöffnung 302 verbunden ist.

BESCHREIBUNG VON Fig. 9

Fig. 3, 4, 5 und 6 offenbaren Magneten 344, die an Biegeelementen 312 und 503 angeordnet sind, sowie Magnete 316, die an der Unterseite der Rotorbaugruppe 307 angeordnet sind. Die Magnete wirken mit Spulen 323 und 324 zusammen und erzeugen sinusförmige Wellen, deren Zeitverschiebung zueinander die Durchflussmenge des durch die Durchflusskanäle 309 fließenden Materials anzeigt. Fig. 9 offenbart ein alternatives Biegeelement, bei dem ein Dehnungsmessstreifen 944, der an Seitenwand 902 angebracht ist, Ausgangssignale erzeugt, die den Betrag der Biegung von Seitenwand 902 in Reaktion auf die erzeugten Coriolis-Kräfte anzeigen. Diese Ausgangssignale zeigen darüber hinaus zusammen mit der Drehzahl der Rotorbaugruppe, wie in Gleichung 14 dargestellt, die Durchflussmenge des in den Durchflusskanälen 309 fließenden Materials an.
Biegeelement 312 in Fig. 9 und sein Dehnungsmessstreifen 944 stellen eine alternative zu dem Biegeelement 312 und seinem Magneten 344 in Fig. 6 dar. Der Ausgang des Dehnungsmessstreifens 944 wird über Leiter 909, Schleifringe 906 und 907, Leiter 908 und 905 sowie Weg 352 zu Messelektronik 351 geleitet. Messelektronik 351 spricht auf die von Dehnungsmessstreifen 944 und Drehzahlmesser 911 über Weg 912 empfangenen Signale an und erzeugt Durchfluss- und andere Ausgangsinformationen analog zum Ansprechen auf die Phasendifferenz zwischen den Signalen von den Spulen 323 und 324. Drehzahlmesser 911 ist mit Welle 331 in Fig. 3 verbunden, um die Drehzahlinformation zu erzeugen, die erforderlich ist, wenn ein Dehnungsmessstreifen als Sensor eingesetzt wird.
Wenn ein Durchflussmesser mit den Dehnungsmessstreifen 312 in Fig. 9 eingesetzt wird, ist Motor 325 in Fig. 3 nicht für Kalibrierzwecke erforderlich, da das Dehnungsmessstreifen-Biegeelement 312 für einen strömungsfreien Zustand kalibriert werden kann, indem die Messelektronik 351 eingestellt wird, wenn sich Rotorbaugruppe 307 nicht dreht. Die Messelektronik 351 kann intern eingestellt werden, um jegliches Rest- Ausgangssignal zu löschen, das möglicherweise von Dehnungsmessstreifen 344 erzeugt wird, wenn Rotorbaugruppe 307 im Ruhezustand ist. Der Motor 325 in Fig. 3 wäre natürlich erforderlich, um Rotorbaugruppe 307 mit einem Dehnungsmessstreifen- Biegeelement 312 zu drehen, wenn der Durchflussmesser als Pumpe betrieben wird.
Die Dehnungsmessstreifen 944 können vom piezoelektrischen Typ sein, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude proportional zur Biegung des Dehnungsmessstreifenelementes 944 ist. Als Alternative dazu kann Dehnungsmessstreifenelement 944 einen Widerstands-Dehnungsmessstreifen umfassen, dessen Widerstand sich mit der Biegung ändert. Beide Typen des Dehnungsmessstreifens können gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, und versetzen mit ihrem Einsatz Messelektronik 351 in die Lage, Ausgangssignale zu empfangen, die für den Grad der Biegung des Biegeelementes und damit für die Durchflussmenge des durch die Durchflusskanäle 309 fließenden Materials stehen.

BESCHREIBUNG VON Fig. 10

Bei der Ausführung von Fig. 3 bis 9 sind die Durchflusskanäle 309 radial und erstrecken sich zwischen dem Mittelabschnitt 340 der Rotorbaugruppe 307 und dem äußeren Rand der Rotorbaugruppe.
Da die Durchflusskanäle 309 in Fig. 4 durch den Zwischenraum zwischen benachbarten Flügelelementen 320 gebildet werden, sind die Wände dieser Flügelelemente einschließlich des äußeren Flügelelementes 308 ebenfalls radial. Eine Rotorbaugruppe mit radialen Durchflusskanälen funktioniert wie beschrieben, wenn Element 302 in Fig. 3 einen Einlass bildet und Element 304 einen Auslass bildet. Bei diesem Betrieb strömt Material an Öffnung 302 von Einlass 302 in den Durchflussmesser, fließt nach innen in Durchflusskanälen 309 zum Mittelabschnitt 340 des Durchflussmessers und anschließend über Öffnung 337 nach oben und tritt am Auslass 304 aus dem Durchflussmesser aus. Bei diesem Betrieb bewirkt das axiale Moment des Fluids des Materials, das in den Durchflussmesser eintritt, eine Winkeldrehung der Rotorbaugruppe 307, wenn das Material in den äußeren Abschnitt jedes Durchflusskanals 309 eintritt und sich auf die Mitte des Durchflussmessers zu bewegt.
Die Ausführung in Fig. 3 bis 9 können nicht als Durchflussmesser betrieben werden, wenn es sich bei Element 302 um einen Einlass handelt und Element 304 der Auslass ist, oder im Pumpenbetrieb, wenn 302 ein Einlass ist und 304 ein Auslass. Diese Beschränkung besteht, da es das Moment des einströmenden Fluids ist, das Rotorbaugruppe 307 in Drehung versetzt.
Die Ausführung in Fig. 3 bis 9 kann nicht als Durchflussmesser in der umgekehrten Richtung betrieben werden, wenn Element 304 der Einlass ist und Element 302 der Auslass ist, ohne dass ein Motor die Rotorbaugruppe 307 dreht. Der Grund dafür besteht darin, dass die Bewegung des strömenden Materials in dieser Richtung nicht die Kräfte erzeugen würde, die erforderlich sind, um Rotorbaugruppe 307 zu drehen. Bei einer derartigen Ausführung tritt das Material in Öffnung 337 von Element 304 ein, bewegt sich nach unten zum Mittelabschnitt der Rotorbaugruppe 307 des Durchflussmessers und strömt von dort auf einem radialen Weg nach außen zum Rand der Rotorbaugruppe und von dort durch Öffnung 327 von Element 302. Durch die radiale Bewegung des Materials nach außen durch die Durchflusskanäle 309 werden keine Winkelkräfte auf die Wände der Flügel 320 in Fig. 3 ausgeübt.
Fig. 10 offenbart eine alternative Ausführung einer Rotorbaugruppe 1007, die mit der Rotorbaugruppe 307 in Fig. 3 vergleichbar ist und die als Durchflussmesser in beiden Richtungen des Materialstroms arbeiten kann. Gemäß dieser Ausführung kann ein Durchflussmesser mit einer Rotorbaugruppe des in Fig. 10 dargestellten Typs mit Element 302 als Einlass und Element 304 als Auslass betrieben werden, oder kann, als Alternative dazu, in umgekehrter Richtung betrieben werden, wobei das Material in Element 304 eintritt, durch die Durchflusskanäle 309 der Rotorbaugruppe in Fig. 10 nach außen fließt und an Element 302 aus dem Durchflussmesser austritt.
Die Rotorbaugruppe in Fig. 10 gleicht der in Fig. 4 bis auf die Tatsache, dass die äußeren Flügelelemente 1008 in Fig. 10 mit radial gekrümmten Wänden dargestellt sind. Die inneren Flügelelemente 310 und die Biegeelemente 312 sind identisch mit den entsprechend gekennzeichneten inneren Flügelelementen und Biegeelementen in Fig. 4. Die äußeren Flügelelemente 308 in Fig. 4 werden jedoch zusammen mit ihren geraden radialen Wänden durch die äußeren Flügelelemente 1008 ersetzt, die, wie in Fig. 10 dargestellt, gekrümmte Wände 1008C und 1008B haben. Diese Wände sind so gekrümmt, dass das Material, das von dem Mittelabschnitt 340 der Rotorbaugruppe nach außen strömt, auf die Wände 1008C der äußeren Flügelelemente 1008 wirkende Kräfte erzeugt, so dass sich die Rotorbaugruppe entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Eine Rotorbaugruppe des in Fig. 10 dargestellten Typs ermöglicht, wenn sie einen Teil einer Durchflussmesserstruktur des in Fig. 3 dargestellten Typs umfasst, Funktion des Durchflussmessers, wenn es sich bei Element 302 um den Einlass und bei Element 304 um den Auslass handelt. Die gekrümmten Wände 1008C der äußeren Flügelelemente 1008 ermöglichen es des Weiteren, einen Durchflussmesser, bei dem die Rotorbaugruppe in Fig. 10 zum Einsatz kommt, so zu betreiben, dass Material an Element 304 in den Durchflussmesser eintritt, zur Mitte der Rotorbaugruppe nach unten strömt und dann zum Rand der Rotorbaugruppe nach außen strömt und an Element 302 aus dem Durchflussmesser austritt. Wenn Material in dieser Richtung strömt, bewirken die von dem strömenden Material auf die Wände 1008C der äußeren Flügelelemente 1008 ausgeübten Kräfte, dass sich die Rotorbaugruppe 1007 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und Ausgangssignale erzeugt, die genutzt werden können, um die Durchflussmenge und andere Informationen über das in dem Durchflussmesser fließende Material herzuleiten.
Es versteht sich ausdrücklich, dass die beanspruchte Erfindung nicht auf die Beschreibung der bevorzugten Ausführung beschränkt ist, sondern andere Abwandlungen und Veränderungen innerhalb des Schutzumfangs der erfindungsgemäßen Idee einschließt.

Claims

1. Coriolis-Durchflussmesser, der umfasst:

ein Materialeinschlussgehäuse (301) mit einem Einlass (303) und einem Auslass (304);

eine Rotorbaugruppe (307), die in dem Gehäuse angeordnet ist und einen radial außen liegenden Rand sowie einen Mittelabschnitt aufweist;

wobei die Rotorbaugruppe Durchflusskanäle (309) aufweist, die Material von dem Einlass zu dem Auslass durch die Rotorbaugruppe zwischen dem radial außen liegenden Rand und dem Mittelabschnitt leiten;

wobei die Rotorbaugruppe und die Durchflusskanäle sich in Reaktion auf von Material beim Hindurchtreten durch die Durchflusskanäle von dem Einlass zu dem Auslass empfangene Energie um eine Mittelachse drehen;

jeder Durchflusskanal eine untere Fläche (401), eine obere Fläche (317) und ein Paar beabstandeter Randelemente (402, 403) aufweist, die zwischen der unteren und der oberen Fläche angeordnet sind;

eine freitragende Einrichtung (312), die einen Wandabschnitt jedes Durchflusskanals bildet;

eine erste Kante der freitragenden Einrichtung;

eine Einrichtung (401), die die erste Kante fest mit der Rotorbaugruppe verbindet;

wobei die freitragende Einrichtung sich in Reaktion auf Coriolis-Kräfte in dem durch den Durchflusskanal hindurchtretenden Material in einem bogenförmigen Weg um die erste Kante biegt;

der Betrag der Biegung der freitragenden Einrichtung eine Menge des Materialdurchflusses durch den Durchflussmesser darstellt; und

eine Sensoreinrichtung (323, 324), die den Betrag der Biegung erfasst, um Durchflussinformationen für das durch die Kanäle hindurchtretende Material herzuleiten.

2. Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei:

die Rotorbaugruppe eine obere Platte (317) und eine untere Platte (315) im Wesentlich senkrecht zu der Mittelachse hat;

die Durchflusskanäle im Wesentlichen V-förmig sind;

die freitragende Einrichtung (312) von einer oberen Fläche der unteren Platte auf einer Linie ansteigt, die von der Mittelachse zu dem äußeren Rand verläuft;

sich die freitragende Einrichtung in einem bogenförmigen Weg um die erste Kante herum biegt, so dass es zu einer Drehverschiebung eines freien Endabschnitts der freitragenden Einrichtung in Bezug auf die erste Kante kommt;

die obere Fläche der unteren Platte der Rotorbaugruppe die untere Fläche des Durchflusskanals bildet.

3. Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoreinrichtung Signale an eine Messelektronik (351) anlegt, die den Betrag der Biegung der freitragenden Einrichtung anzeigen; und

die Messelektronik Informationen einschließlich der Durchflussmenge des Materials in Reaktion auf den Empfang der Signale von dem Sensor herleitet.

4. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Durchflusskanal eine Vielzahl keilförmiger Flügel (308, 310) umfasst, die an der oberen Fläche der unteren Platte der Rotorbaugruppe befestigt sind, wobei die Flügel voneinander beabstandet sind, so dass Durchflusskanäle gebildet werden, die jeweils zwischen einem unterschiedlichen Paar der Flügel angeordnet sind;

jeder keilförmige Flügel umfasst:

ein radial außen liegendes Flügelelement (308), eine freitragende Einrichtung (312) sowie ein radial innen liegendes Flügelelement (310);

wobei das radial außen liegende Flügelelement (308) eine radial außen liegende Fläche (308) und eine radial innen liegende Fläche (308B, 308C) aufweist und die radial außen liegende Fläche bündig mit dem äußeren Rand der Rotorplatte ist;

das radial innen liegende Flügelelement (310) eine radial am weitesten innen liegende Fläche (310A) im Mittelabschnitt der Rotorplatte aufweist und des Weiteren eine radial am weitesten außen liegende Fläche aufweist, die von der Innenfläche des radial außen liegenden Flügelelementes beabstandet ist;

die freitragende Einrichtung (312) zwischen der Innenfläche des radial außen liegenden Flügelelementes und der äußersten Fläche des radial innen liegenden Flügelelementes angeordnet ist.

5. Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 4, wobei das radial außen liegende Flügelelement Seitenwände (1008B, 1008C) aufweist, die in einer tangentialen Richtung gekrümmt sind, so dass sich die Rotorbaugruppe um die Mittelachse dreht, wenn Material von dem Mittelabschnitt durch die Durchflusskanäle nach außen fließt.

6. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, wobei die freitragende Einrichtung ein im Wesentlichen U-förmiges Kanalelement (312) umfasst, das ein im Wesentlichen flaches unteres Element (401) aufweist, das ein Paar (402, 403) sich nach oben erstreckender seitlicher Schenkel verbindet, wobei das untere Element an der oberen Fläche der unteren Rotorplatte befestigt ist und die seitlichen Schenkel die Wandabschnitte der Durchflusskanäle bilden; und

die Sensoreinrichtung (344) an wenigstens einem der Schenkel befestigt ist, um eine bogenförmige Bewegung des Schenkels in Bezug auf das untere Element zu erfassen.

7. Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 2, wobei die Durchflusskanäle eine Vielzahl im Wesentlichen V-förmiger Flügel (501) umfassen, die an der Oberseite der unteren Rotorplatte befestigt sind, und wobei jeder der V-förmigen Flügel beabstandet ist, so dass die Durchflusskanäle (309) zwischen entsprechenden der V-förmigen Flügel gebildet werden;

jeder der V-förmigen Flügel umfasst:

einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel, wobei jeder der Schenkel des Weiteren umfasst:

ein radial außen liegendes Element (502), eine freitragende Einrichtung (503) und ein radial innen liegendes Element (504);

wobei das radial außen liegendes Element eine radial außen liegende Kante und eine radial innen liegende Kante hat und die außen liegende Kante mit dem äußeren Rand der unteren Rotorplatte bündig ist;

das radial innen liegende Element eine radial am weitesten innen liegende Kante im Mittelabschnitt der unteren Rotorplatte aufweist und des Weiteren eine radial außen liegende Kante aufweist, die von der Innenkante des radial außen liegenden Elementes beabstandet ist;

die freitragende Einrichtung (503) zwischen der radial innen liegenden Kante des radial außen liegenden Elementes und der radial außen liegenden Kante des radial innen liegenden Elementes angeordnet ist;

eine Oberkante der freitragenden Einrichtung sich in Reaktion auf die Coriolis- Kräfte, die erzeugt werden, wenn das Material durch die Durchflusskanäle geleitet wird, in einem bogenförmigen Weg in Bezug auf die erste Kante der freitragenden Einrichtung bewegt; und

jeder der Schenkel einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweist, die sich vertikal von einer Oberkante des Schenkels zu einem Unterkantenabschnitt des Schenkels in der Nähe der oberen Fläche der unteren Rotorplatte (315) erstrecken;

sich der erste Schlitz zwischen dem radial außen liegenden Element und der freitragenden Einrichtung befindet;

sich der zweite Schlitz zwischen der freitragenden Einrichtung und dem radial innen liegenden Element befindet.

8. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 6, wobei die Sensoreinrichtung einen Dehnungsmessstreifen (944) umfasst, der an der freitragenden Einrichtung befestigt ist, um eine bogenförmige Bewegung einer Oberkante der freitragenden Einrichtung in Bezug auf die erste Kante der freitragenden Einrichtung anzuzeigen.

9. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 6, wobei die Sensoreinrichtung einen Magneten (344) enthält, der an der freitragenden Einrichtung (503) befestigt ist, um eine bogenförmige Bewegung einer Oberkante der freitragenden Einrichtung in Bezug auf die erste Kante der freitragenden Einrichtung anzuzeigen.

10. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1, 3, 6 oder 9, wobei die Sensoreinrichtung umfasst:

Spulen (323, 324), die an dem Materialeinschlussgehäuse (301) und an einer oberen Abdeckung (303) des Gehäuses angeordnet sind; und

Magnete (344, 316), die an der unteren Rotorplatte und an der freitragenden Einrichtung angeordnet sind;

wobei die Spulen eine stationäre Spule (324) und eine bewegliche Spule (323) umfassen;

die Magnete einen ersten Satz Magnete (344) umfassen, der an der freitragenden Einrichtung angebracht ist, sowie einen zweiten Satz Magnete (316), der an der unteren Rotorplatte (315) befestigt ist;

die Spulen und die Magnete periodische Ausgangssignale erzeugen, die eine Phasendifferenz aufweisen, die die Bewegung der Sensoreinrichtung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position anzeigt.

11. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 7, wobei die Durchflusskanäle enthalten:

eine Materialscherungs-Entkopplungseinrichtung, die an der Rotorbaugruppe zwischen dem Materialeinlass und dem Materialauslass angebracht ist;

wobei sich die Materialscherungs-Entkopplungseinrichtung zusammen mit der Rotorbaugruppe um die Drehachse dreht;

die Materialscherungs-Entkopplungseinrichtung einen empfangenen, sich drehenden radialen Materialstrom in einen axialen Strom umwandelt, der zu dem Materialauslass geleitet wird, oder einen empfangenen axialen Materialstrom in einen sich drehenden radialen Materialstrom umwandelt.

12. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Durchflussmesser des Weiteren umfasst:

einen Motor (325), der mit der Rotorbaugruppe (307) verbunden ist, um die Rotorbaugruppe um die Mittelachse zu drehen und dem Material eine höhere Tangentialgeschwindigkeit zu verleihen, die über die durch den Materialstrom bewirkte hinaus geht;

wobei die Rotorbaugruppe auf die höhere Tangentialgeschwindigkeit anspricht und den Durchfluss des Materials in den Durchflusskanälen verstärkt und damit den Durchsatz des Materials durch den Durchflussmesser erhöht.

13. Coriolis-Durchflussmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Durchflussmesser des Weiteren umfasst:

einen Motor (325), der die Rotorbaugruppe (307) um die Mittelachse dreht, um dem Material eine höhere Tangentialgeschwindigkeit zu verleihen;

wobei die Durchflusskanäle (309) und die Rotorbaugruppe auf die höhere Tangentialgeschwindigkeit und darauf ansprechen, dass das Material geleitet wird und die Rotorbaugruppe gedreht wird und eine Pumpwirkung verursachen, durch die das Material in den Durchflusskanälen zu dem Materialauslass gepumpt wird;

die Sensoreinrichtung (323, 324) Ausgangssignale erzeugt, die die Durchflussmenge des von der Rotorbaugruppe gepumpten Materials anzeigen.

14. Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Durchflussmessers mit einem Einlass, einem Auslass und einer Rotorbaugruppe (307), die in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Rotorbaugruppe eine Vielzahl von Durchflusskanälen (309) aufweist;

eine freitragende Einrichtung (312), die einen Wandabschnitt der Strömungskanäle bildet und eine erste Kante aufweist, die fest mit der Rotorbaugruppe verbunden ist;

wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Durchleiten von Material durch Durchflusskanäle vom Einlass zum Auslass;

Drehen der Rotorbaugruppe und der Durchflusskanäle um eine Mittelachse herum unter Nutzung der Energie, die von dem Materialfluss in den Durchflusskanälen stammt;

Erzeugen von Biegung der freitragenden Einrichtung in Bezug auf die erste Kante der freitragenden Einrichtung in Reaktion auf erzeugte Coriolis-Kräfte, die mit dem Materialfluss durch die Durchflusskanäle und der Drehung der Rotorbaugruppe um die Mittelachse herum einhergehen;

Erzeugen von Signalen (352, 353), die den Betrag der Biegung darstellen; und

Verarbeiten der Signale, um Durchflussinformationen bezüglich des Materials herzuleiten.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Verarbeitens den Schritt des Herleitens von Durchflussmengeninformationen des Materials einschließt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Coriolis-Durchflussmesser eine erste Spuleneinrichtung (323) enthält, die an der Rotorbaugruppe angeordnet ist, sowie eine erste Magneteinrichtung (344), die an der freitragenden Einrichtung (403) angebracht ist;

wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Biegen der freitragenden Einrichtung in Reaktion auf Coriolis-Kräfte, die von dem durch die Kanäle fließenden Material erzeugt werden;

Bewegen der ersten Magneteinrichtung (344), die an der freitragenden Einrichtung befestigt ist, auf einem bogenförmigen Weg in Bezug auf die erste Kante um einen Betrag, der für die Biegung steht;

Betreiben der ersten Spuleneinrichtung (323), um ein erstes Signal zu erzeugen, das eine Drehung der ersten Magneteinrichtung um die Mittelachse darstellt;

Betreiben einer zweiten Magneteinrichtung (316), die an der Rotorbaugruppe befestigt ist, und einer zweiten Spuleneinrichtung (324), die an der Rotorbaugruppe befestigt ist, um ein zweites Signal zu erzeugen, das eine Drehung der zweiten Magneteinrichtung um die Mittelachse darstellt;

Bestimmen einer Positionsverschiebung zwischen der ersten Magneteinrichtung und der zweiten Magneteinrichtung anhand der Signale; und

Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal, die von der ersten Spuleneinrichtung und der zweiten Spuleneinrichtung erzeugt wurden;

wobei die Phasendifferenz die Durchflussinformation über das Material darstellt.

17. Verfahren nach Anspruch 14 in Kombination mit dem folgenden Schritt:

Betreiben eines Motors (325), der mit der Rotorbaugruppe (307) verbunden ist, um die Rotorbaugruppe um die Drehachse zu drehen und eine höhere Tangentialgeschwindigkeit des Materials zu erzeugen;

wobei die Rotorbaugruppe auf die Drehung und die höhere Tangentialgeschwindigkeit des Materials anspricht und eine Pumpwirkung des Materials in den Durchflusskanälen erzeugt und so den Durchfluss von Material in den Durchflusskanälen und den Durchsatz des Materials durch den Coriolis-Durchflussmesser verstärkt.