DE69629824T2

DE69629824T2 - Vorrichtung zur Massendurchflussmessung

Info

Publication number: DE69629824T2
Application number: DE69629824T
Authority: DE
Inventors: Arne Söderholm; Olle Söderholm
Original assignee: S E G Mekanik AB
Current assignee: S E G Mekanik AB
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: US6073494A; DE69629824D1; EP0845662A1; EP0845662B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von fließendem Material, d. h. zur Erfassung der Flussrate solchen Materials, wenn es der Vorrichtung zugeführt und durch diese durchgeführt wird. Unter fließendem Material werden geteilte Feststoffe, Flüssigkeiten und Halbflüssigkeiten oder ähnliche Substanzen mit frei-fließenden Eigenschaften verstanden.
Beispiele solcher Materialien, zu deren Messung die Vorrichtung nach der Erfindung besonders geeignet ist, sind Korn, Mehl, trockene Chemikalien und andere fein geteilte Festkörper mit pulvrigem, granularem oder ähnlichem Charakter.
Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Flussmessgerät des Typs, bei dem die Massenflussrate auf die Corioliskraft anspricht. Die zu messenden Partikel sind einer tangentialen Beschleunigung in einem sich schnell drehenden Messrad ausgesetzt und das Drehmoment, das als Antwort auf die Corioliskraft beschleunigter Partikel auf die Schaufeln des Messrads ausgeübt wird, wird als Maß der Massenflussrate gemessen.
Durch eine Messung des Drehmoments und der Rotationsgeschwindigkeit des Schafts kann der Fluss gemessen werden. Üblicherweise werden diese Werte in elektrische Größen als Maß für den Fluss gewandet. Der Fluss ist gleich dem Drehmoment geteilt durch die Rotationsgeschwindigkeit des Schafts und diese erhält man mit heutiger Technologie in einfacher Weise. Das Zeitintegral des Flusses ergibt die gesamte Masse, die an dem Messrad vorbeigeströmt ist.
Ein Beispiel einer bekannten Konstruktion ist in dem U.S. Patent Nr. 2,771,773 gezeigt. In dem Patent US 2,832,218 ist der theoretische Hinter grund angegeben und in der EP 0 146 902 A2 ist die Herleitung der Gleichung enthalten. Die Gleichung lautet, dass der Massenfluss q = M/n (R₂ ² – R₁ ²), wobei M = Drehmoment, n = axiale Rotationsgeschwindigkeit, R₂ = äußerer Radius des Messrads und R₁ = innerer Radius, aus dem die Partikel oder der Fluss die Oberfläche des Messrads in oder um seine Mitte herum treffen.
Die hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Messfehler in einem Flussmessgerät vom Coriolis-Typ zu minimieren. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache, zuverlässige mechanische Ausführung bereitzustellen.
Nach der obigen Gleichung gibt es keine Korrekturkonstanten, die von den Eigenschaften des Materials, das das Messrad passiert, oder von der Form des Messrads abhängen. Jedoch wird angenommen, dass der innere Radius (R₁) eine Konstante ist. Das bedeutet, dass die Partikel das Messrad in dem gleichen Abstand von der Mitte der Achse oder gerade in der Mitte (R₁ = 0) treffen. Wenn der Materialfluss zu dem Messrad herunterkommt, werden die Partikel über die Oberfläche des Messrads verteilt. Wenn das Einlassrohr für das Messrad gerade und lang genug ist, wird die Verteilung der Materialpartikel wahrscheinlich eine konstante Verteilung haben, auch wenn sich die Flussrate ändert.
Wenn das Einlassrohr zufällig gleich neben dem Messrad eine Krümmung aufweist, oder wenn der Materialfluss pulsiert, weil er von einer Förderschnecke kommt, wird das Einlassrohr nicht über die ganze Fläche gefüllt und folgt stattdessen beispielsweise bei einer gewissen Flussrate einer Seite des Rohrs und bewegt nach und nach seinen Flächenmittelpunkt in Richtung der Mitte des Rohrs, wenn die Flussrate zunimmt. Dadurch wird sich R₁ ändern.
Ein Verfahren, diesen Messfehler zu reduzieren, ist aus dem U.S. Patent Nr. 2,832,218 bekannt, bei dem zwei zusammenarbeitende Messräder bei einem Massenflussmesser für Fluide eingesetzt werden. Wegen des erforder lichen mechanischen Aufbaus kann dieses Prinzip kaum für trockene Feststoffe eingesetzt werden.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, den sich aus der sich ändernden Flussverteilung ergebenden Fehler zu reduzieren und andere Fehlerquellen zu reduzieren, die sich ergeben, wenn mit dem Material umgegangen wird, und dadurch rückverfolgbare Messfehler von Massenflussmessgeräten zu reduzieren.
[Die Vorrichtung der Erfindung umfasst ein Messrad auf einer Achse, das von einem Motor angetrieben ist, und dessen Rotationsgeschwindigkeit gemessen wird. Auf der oberen Seite des Messrads endet ein Einlassrohr. Innerhalb dieses Einlassrohrs ist eine Flussverteilungseinrichtung angeordnet, die dem Zweck dient, die Position der Fluidfläche des Fluids, bevor dieses das Messrad trifft, zu symmetrisieren oder stabilisieren, und die Verteilung unabhängig von der Flussrate zu halten.]
Die Vorrichtung der Erfindung umfasst ein auf einem Schaft befestigtes Messrad, das durch einen Motor angetrieben ist und dessen Rotationsgeschwindigkeit gemessen wird, welches Messrad in einem mittleren Bereich mit dem Materialfluss in einer Richtung parallel zu dem Schaft oder in einem bestimmten Winkel dazu beaufschlagt wird und das Material radial umgeleitet weiterfließt, und das Drehmoment, das für die Rotation des Messrads erforderlich ist mittels einer Drehmoment-Messvorrichtung gemessen wird. Gemäß der Erfindung ist ein Einlassrohr für das Material mit einer Flussverteilungseinrichtung im Inneren des Rohrs versehen, mit dem Ziel, das Material an oder um den Mittelpunkt des mittleren Teils des Messrads herum zu verteilen, und der Schaft des Messrads ist mit einem sphärisch nachgiebigen Lager versehen und der Schaft des Motors ist fest mit dem Schaft des Messrads verbunden, wobei die Unterseite des Stators des Motors auf einer axialen Lagereinrichtung aufsitzt, und ein flexibler flacher Streifen sich von dem Stator zu einem Kraftmessungswandler erstreckt, so dass der flexible flache Streifen die Rotationsbewegung des Stators an den Kraftmessungswandler überträgt.
Um den mittleren oberen Teil des Messrads und um die Außenseite des Endes des Einlassrohrs herum kann ein Ring angeordnet sein, um das ganze Material zu zwingen, zu dem Messrad weiterzufließen, wodurch Verlustmaterial eliminiert wird. Um das Messrad herum kann ein kegelstumpfförmiger Flansch angeordnet sein, um die nach außen fliegenden Partikel in solche Richtungen zu lenken, dass sie nicht in das Messrad zurückprallen und dadurch zweimal gewertet werden.
Der kegelstumpfförmige Flansch ist mit einer federnden oder Impulsabsorbierenden Oberfläche versehen, wodurch die Gefahr das Granulat zu zerbrechen, reduziert wird.
Der Schaft weist in seinem Lager eine minimale Reibung auf, wodurch sein störender Einfluss auf die Drehmomentmessung minimiert und die Übertragung des Drehmoments an den Kraftmessungsumwandler optimiert wird.
Die Erfindung ist in den 1 bis 4 beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht der grundsätzlichen Gestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt;
2 einen Schnitt durch einen Teil der 1 zeigt;
3–5 Beispiele für die Flussverteilungseinrichtung zeigen;
6 und 7 Beispiele der Flussverteilung beim Auftreffen des Flusses auf das Messrad zeigen; und
8 eine schematische Ansicht eines vollständigen Flussmessgeräts ist, das Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert.
1 zeigt die grundsätzliche Gestaltung der Vorrichtung. Das Messrad 1 mit einer oberen Platte 18a mit einer zentralen Bohrung, einer unteren Platte 18b und einer Reihe von Schaufeln 19 zwischen diesen ist von bekannter Gestaltung. Auf der oberen Platte 18a ist ein Ring 6 angeordnet, um ein Verschütten von Material zu verhindern. Das Messrad 1 weist einen Schaft 2 auf, der durch das Lager 8 und an seinem Ende durch ein Axiallager 9 geführt ist. Die Lager sind an dem Rahmen 17 befestigt. An dem Ende des Schafts ist über eine Verbindungsstelle 2a der Motor 3 befestigt, der drehbar mit einer konzentrischen runden Scheibe 12 mit Radius R montiert ist. Über einen flachen Streifen 10 ist ein Kraftmessungswandler 11 mit bekannter Gestaltung verbunden. Der Streifen muss flexibel sein und ist an seinen Enden mit Schrauben 10a befestigt. Der flexible flache Streifen 10 ist in einer solchen Weise befestigt, dass er dem Umfang der runden Scheibe 12 folgt, um sich tangential zu dem Kraftmessungswandler hin zu erstrecken, so dass der flexible flache Streifen 10 den Kraftmessungswandler 11 frei und ohne Biegemomente in einer tangentialen Richtung bezogen auf den Radius R der runden Scheibe 12 verbindet. Der Wandler liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das proportional zur angelegten Kraft ist. In der vorliegenden Anwendung ist das Signal das Drehmoment an dem Messrad. Über dem Messrad ist ein Einlassrohr 4 angeordnet, dessen Durchmesser kleiner ist als der des Rings 6. Im Inneren des Einlassrohrs ist eine Flussverteilungseinrichtung 5 angeordnet. Der Pfad, den der Materialfluss (q) durch das Flussmessgerät nimmt, ist durch die gestrichelte Linie 20 gezeigt, wobei die radiale Richtung entlang der Schaufeln 19 des Messrads der Abstand ist, an dem die Corioliskraft auftritt. Um das Messrad herum ist ein kegelstumpfförmiger Flansch 7 angeordnet. Der Flansch ist auf einem Brett 17a auf einem Rahmen 17 befestigt. Der Flansch bricht den Materialfluss abwärts. Der Schnitt 21–21 ist ein Querschnitt durch das Messrad, wie in 2 gezeigt.
2 zeigt die Details um das Messrad 1 herum. Das Messrad 1 und das Einlassrohr 4 befinden sich in der Mitte und ganz um sie herum ist der kegelstumpfförmige Flansch 7, in dieser Ansicht aufgeschnitten dargestellt, mit einer federnden oder Impuls-absorbierenden Schicht angeordnet. Der kegelstumpfförmige Flansch 7 ist bevorzugt aus einem starren Material mit einem dem Messrad zugewandten weichen Inneren 13 gefertigt.
3–5 sind Beispiele verschiedener Gestaltungen der Flussverteilungseinrichtung 5.
3 zeigt das Einlassrohr aufgeschnitten, so dass der konisch geformte Einsatz 14 zu sehen ist. Der Materialfluss wird von den Seitenwänden des Rohrs zu dessen Mitte gezwungen, wodurch die Änderung des Mittelpunkts der Verteilung des Materialflusses beim Auftreffen auf das Messrad minimiert wird.
4 ist eine Variante der Gestaltung von 3, bei der der Einsatz 15 gegenüber dieser aus einem nachgiebigen Material gefertigt ist, so dass sich die Öffnung proportional zur Flussrate erweitert. Das Material ist schwalbenschwanzförmig 22 ausgebildet, um eine maximale Nachgiebigkeit zu erreichen. Das Einlassrohr ist entlang der mit dem Einsatz versehen Zone mit einem erweiterten Durchmesser 23 ausgestattet, um eine Verringerung der Flussrate auszuschließen.
5 zeigt im Gegensatz zu den 3 und 4 einen konisch geformten Einsatz 16, auf dessen Spitze der Fluss trifft und welche das Material zwingt, sich entlang der Seitenwände des Einlassrohrs nach außen zu verteilen. Der Einsatz ist an einer Leiste 24 befestigt, die sich durch das Rohr erstreckt.
6 und 7 sind Ansichten, die zeigen, in welcher Weise das Material die Oberfläche des Messrads trifft. 6 entspricht dabei den in den 3 und 4 illustrierten Situationen. Das Materialgebiet ist mit Punkten markiert und der mittlere Wert des Radius R₁ wird kurz und fast konstant sein. 7 entspricht der in 5 illustrierten Situation. Das Material ist zu einem Ring ausgebreitet und R₁ wird einen größeren Wert annehmen als in 6, jedoch konstant sein.
8 ist eine schematische Ansicht des Flussmessgeräts. Der Motor 3 mit den Einzelheiten der Drehmomentmessung ist auf der Bodenplatte 32 angeordnet. Die als Trichter ausgebildete Verkapselung 26 sitzt auf Stützpfeilern 31. In einem teilweisen Schnitt des Gehäuses ist das Lager 8 für den Schaft 2 mit einem umgebenden Schutzrohr 30 und Verstrebungen 29 für das Lager gezeigt. Das Einlassrohr 4 mit der im Inneren angeordneten Flussverteilungseinrichtung 5 (nicht gezeigt) sitzt auf dem Deckel 28. Das Auslassrohr 27 ist ein Teil des Trichters 26.

Claims

Vorrichtung zur Massenflussmessung, insbesondere eines Schüttguts oder eines Fluids, unter Benutzung des Coriolis Messprinzips, mit einem Messrad (1) auf einem Schaft (2), das durch einen Motor (3) angetrieben ist und dessen Rotationsgeschwindigkeit gemessen wird, welches Messrad mit dem Materialfluss in einem mittleren Bereich in einer Richtung parallel zu dem Schaft (2) oder in einem bestimmten Winkel dazu beaufschlagt wird und das Material radial umgeleitet weiterfließt, und das Drehmoment, das für die Rotation des Messrads (1) erforderlich ist mittels einer Drehmoment-Messvorrichtung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlassrohr (4) für das Material mit einer Flussverteilungseinrichtung (5) im Inneren des Rohrs versehen ist, mit dem Ziel, das Material an oder um den Mittelpunkt des mittleren Teils des Messrads (1) herum zu verteilen, dass der Schaft (2) des Messrads mit einem sphärisch nachgiebigen Lager versehen ist und dass der Schaft des Motors (3) fest mit dem Schaft (2) des Messrads verbunden ist, dass die Unterseite des Stators des Motors (3) auf einer axialen Lagereinrichtung (9) aufsitzt, und dass ein flexibler flacher Streifen (10) sich von dem Stator zu einem Kraftmessungswandler (11) erstreckt, so dass der flexible flache Streifen die Rotationsbewegung des Stators an den Kraftmessungswandler (11) überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussverteilungseinrichtung (5) einen Trichter (14; 15) umfasst, dessen kleinste Öffnung in die Richtung des Materialflusses gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung (22) des Trichters (15) proportional zur Flussrate elastisch oder nachgiebig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussverteilungseinrichtung (5) die Gestalt eines Kegels (16) hat, dessen Spitze sich mit dem Fluss trifft, so dass sie das Material entlang der Seitenwände des Einlassrohrs (4) nach außen verteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible flache Streifen (10) mit einer runden Scheibe (12) oder dem Teil einer runden Scheibe mit einem Radius (R) verbunden ist, wobei die runde Scheibe konzentrisch zu dem Schaft (2) angeordnet ist und den Motor (3) trägt, und dass der flexible flache Streifen (10) in einer solchen Weise befestigt ist, dass er dem Umfang der runden Scheibe (12) folgt, um sich tangential zu dem Kraftmessungswandler (11) zu erstrecken, so dass der flexible flache Streifen (10) den Kraftmessungswandler (11) frei und ohne Biegemomente in einer tangentialen Richtung bezogen auf den Radius (R) der runden Scheibe (12) verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um den mittleren Teil der Oberseite des Messrads (1), um das Einlassrohr (4) ein Verlusteliminierungsring (6) angeordnet ist, dass um das Messrad ein loser oder befestigter kegelstumpfförmiger Flansch (7) angeordnet ist, und dass zumindest die Innenseite des Flansches mit einer federnden oder Impuls-absorbierenden Oberfläche (13) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Flansch (7) aus einem starren Material mit einem dem Messrad (1) zugewandten weichen Inneren (13) gefertigt ist.