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Diese
Erfindung betrifft Coriolis-Strömungsmesser
und insbesondere einen Coriolis-Strömungsmesser,
der ein gewelltes Strömungsrohr
besitzt.
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PROBLEM
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Gerade
rohrartige Coriolis-Massenströmungsmesser
sind in dem Stand der Technik bekannt. Sie können aus den Strömungsmessern
bestehen, die ein einzelnes gerades Strömungsrohr, ein zylinderförmiges Balance-Rohr,
welches das Strömungsrohr
umgibt, zusammen mit einem noch größeren zylinderförmigen Gehäuse, das
sowohl das Strömungsrohr
und als auch das Balance-Rohr einschließt. Das Balance-Rohr ist an
jedem Ende an dem Strömungsrohr
durch einen Stützstab
fest angebracht. Das Gehäuse
ist an dem Strömungsrohr
an jedem seiner Enden durch starke Endplatten befestigt. Das Strömungsrohr
erstreckt sich über
die Gehäuseenden
hinaus und wird durch Flansche an eine Rohrleitung angeschlossen.
Das Strömungsmessergehäuse stellt
einen physikalischen Schutz für
die Strömungsmesserelemente
zur Verfügung,
die innerhalb des Gehäuse
eingeschlossen sind. Diese Elemente können empfindliche Vorrichtungen,
wie Treiber, Sensoren und dazugehörige elektronische Elemente
enthalten. Es wird gewünscht,
dass diese Elemente physikalisch vor der Umgebung geschützt werden,
in der die Strömungsmesser
betrieben werden. Dieser Schutz wird durch das Gehäuse zur
Verfügung
gestellt, das vorteilhafter Weise aus einem verhältnismäßig starken Material hinreichender
Dicke hergestellt wird.
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Im
Betrieb wird das Strömungsrohr
elektromechanisch in Bezug auf das Balance-Rohr phasenverschoben
in Vibration versetzt, das zur Verfügung gestellt wird, um die
Vibrationen zu verringern, die mit einem einzelnen unbalancierten
Strömungsrohr
assoziiert sein würden.
Diese Vibration teilen eine Coriolis-Beschleunigung einem Material
mit, das das Strömungsrohr
durchströmt.
Die Reaktionskraft auf diese Coriolis-Beschleunigung resultiert
in einer geringfügigen
Auslenkung der Vibrationsmodenform des Strömungsrohrs. Diese Auslenkung
wird durch Sensoren gemessen, die an dem Strömungsrohr angeschlossen sind
oder mit diesem assoziiert sind. Die Sensoren können entweder von der Geschwindigkeitsart
oder von der Versetzungsart sein. Die Materialstromrate ist zu der
Zeit- oder der Phasenverzögerung
zwischen den Signalen, die durch zwei solche Sensoren erzeugt werden,
die entlang der Länge
des geraden Strömungsrohres
in Position gebracht werden, proportional. Es kann ebenfalls ein
einzelner Sensor verwendet werden. Ausgangssignale der Sensoren
werden einer elektronischen Vorrichtung zugeführt, die die gewünschten
Informationen, wie die Massenstromrate, für das Material in dem Strömungsrohr
ableitet.
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Es
sind ebenso gerade Dualrohr-Coriolis-Strömungsmesser bekannt. Diese
sind den einzelnen geraden Rohrströmungsmessern ähnlich,
außer
dass sie ein zweites Strömungsrohr
parallel zu dem ersten Strömungsrohr
aufweisen. Das zweite Strömungsrohr
ersetzt das Balance-Rohr der Ausführungsform mit einem Strömungsrohr.
Die zwei Strömungsrohre
werden an ihren Enden an Stromablenkverteilerrohre angeschlossen,
die den empfangenen Materialstrom auf die zwei Strömungsrohre verteilen.
Dualströmungsrohr-Messinstrumente
können
oder können
nicht Stützstäbe haben,
die Strömungsrohre
miteinander verbinden. Die Rohre des Dualrohr-Coriolis-Massenströmungsmessers
vibrieren phasenverschoben in Bezug auf einander statt phasenverschoben
mit Bezug auf ein Balance-Rohr. Anders als dieses ist ihr Betrieb
zu einem einzelnen geraden Rohrströmungsmesser identisch.
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Eine
Massenstrommessung hängt
in beiden Arten gerader Rohr-Coriolis-Strömungsmesser von der Strömungsrohrauslenkung
oder -biegung ab, die aus den Coriolis-Kräften resultiert, die durch
den Materialstrom und die gleichzeitige elektromechanische Vibration,
denen das Strömungsrohr
unterworfen ist, erzeugt werden. Es wird häufig gewünscht, dass Coriolis-Massenströmungsmesser
eine Genauigkeit haben, die sich 0,1 Prozent des Messwerts nähert. Um diese
Genauigkeit zu erzielen, ist es notwendig, dass die Auslenkung des
Strömungsrohres
nur von den erzeugten Coriolis-Kräften abhängt, anstatt durch externe
Kräfte
und Spannungen, wie solche, die durch Unterschiede in den Betriebstemperaturen
zwischen den verschiedenen Teilen des Strömungsmessers erzeugt werden,
beeinflusst zu werden. Diese Spannungen können eine nicht wünschenswerte
axiale Dehnung oder Kompression in den Strömungsrohren erzeugen.
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Eine
axiale Dehnung zeigt die Tendenz, Strömungsrohre zu versteifen und
sie weniger reaktiv auf die erzeugten Coriolis-Kräfte werden
zu lassen. Dieses ergibt eine Unterschätzung der wirklichen Strömungsinformationen,
die durch die Coriolis-Kräfte
erzeugt werden. Ebenso erweicht eine axiale Kompression das Strömungsrohr
und resultiert in einer Überschätzung der
erzeugten Coriolis-Strömungsinformationen.
Herkömmlicher Weise
haben die Hersteller von geraden Rohr-Coriolis-Strömungsmessern
die Gehäuseenden
extrem steif gebildet haben, so dass die Kräfte, die durch von außen angewandte
Lasten erzeugt werden, durch die steifen Gehäuseenden auf das Gehäuse anstatt
auf die Strömungsrohre übertragen
werden. Dieses isoliert erfolgreich Strömungsrohre von den externen
Lasten, aber die Starrheit des Gehäuses und der Gehäuseenden
verursacht Probleme, die aus der thermischen Expansion/Kontraktion
des Strömungsrohrs
und Temperaturunterschieden zwischen dem Strömungsrohr und dem Strömungsmessergehäuse resultieren.
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In
den geraden Rohr-Coriolis-Strömungsmessern
(
US-Patent 4 768 384 )
können
die Temperaturunterschiede, die häufig zwischen dem Material innerhalb
des Strömungsrohres
und der Luft bestehen, die sich außerhalb des Strömungsmessergehäuses befindet,
dazu führen,
dass das Strömungsrohr
eine andere Temperatur als das Gehäuse hat. Dieses ergibt einen
Unterschied bezüglich
des Grads der thermischen Expansion des Strömungsrohres und dem des Gehäuses. Die
steifen Gehäuseenden hemmen
diese unterschiedliche Expansion und erzeugen eine axiale Kraft,
die das Strömungsrohr
axial zusammendrückt
(oder ausdehnt), was in einer hohen axialen Spannung in dem Strömungsrohr
und Fehlern in der angezeigten Strömungsrate resultiert.
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Somit
resultiert ein Temperaturunterschied zwischen einem Strömungsrohr
und seinem Gehäuse
in axialen Spannungen auf dem Strömungsrohr von entweder axialer
Kompression oder axialer Ausdehnung. Zusätzlich zum Beeinflussen der
Strömungsmessergenauigkeit
können
diese Spannungen die Spannungen des Materials übersteigen, das das Strömungsrohr
umfasst. Eine axiale Dehnungsspannung kann die Strömungsrohrenden
von den Gehäuseenden
reißen
oder kann das Strömungsrohr selbst
zerreißen.
Ebenso kann die Spannung das Strömungsrohrmaterial
dauerhaft verformen, so dass es seinen Kalibrierungsfaktor dauerhaft ändert und es
unbrauchbar macht. Wenn zum Beispiel ein Strömungsrohr aus rostfreiem Stahl
20 Zoll (50,8 cm) lang ist und 200 °F (100 °C) wärmer als das Gehäuse ist,
versucht es, sich um 0,036 Zoll mehr als das Gehäuse auszuweiten. Wenn das Gehäuse und
die Gehäuseenden
verhältnismäßig steif
sind, kann diese versuchte Expansion eine kompressive Spannung von
ungefähr
50.000 Pound pro Quadratzoll (3,22 × 108 Newton
pro Quadratmeter) in den Strömungsrohren
erzeugen. Diese Spannung kann hinreichend hoch sein, um das Strömungsrohr
nachgiebig werden zu lassen oder zu verformen. Ähnliche Bedingungen bestehen,
wenn das Strömungsrohr
kälter als
das Gehäuse
ist, außer
dass die Spannung ausdehnend anstatt zusammenpressend ist.
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Zwei
Mittel werden herkömmlicher
Weise verwendet, um thermisch verursachte Spannungen zu vermindern.
Das am meisten verbreitete von diesen (
US Patent 5 476 013 ) besteht darin,
das Strömungsrohr
aus einem Material herzustellen, das einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als
das Material hat, aus dem das Gehäuse hergestellt ist. Titan
wird gewöhnlich
für das
Strömungsrohr wegen
seines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und seiner guten Korrosionsbeständigkeit
benutzt. Rostfreier Stahl, der ungefähr zweimal den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Titans hat, wird dann für das Gehäuse benutzt.
Die Temperatur des Gehäuses
wird durch den Zustrom von Wärme
von dem heißeren
(in diesem Beispiel) Strömungsrohr und
dem Verlust von Hitze an die kühlere
Atmosphäre
bestimmt. Indem man den Übertragungsweg
von dem Strömungsrohr
zu dem Gehäuse
geeignet entwirft, wird der Strömungsmesser
so entworfen, dass die Gehäusegleichgewichttemperatur
zur Hälfte
zwischen der Strömungsmaterialtemperatur
und der Temperatur der umgebenden Luft liegt. Weil der Ausdehnungskoeffizient
des Gehäuses
zweimal der des Strömungsrohres
ist, resultiert dieses in einer axialen Spannung des Strömungsrohres,
die von der Fluidtemperatur unabhängig ist. Jedoch stellt der
Unterschied bezüglich
der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Rohr und dem
Gehäuse
sicher, dass die Rohrspannung nunmehr eine Funktion der Umgebungstemperatur
ist. An einem heißen
Tag erweitert sich das Gehäuse
mehr als das Rohr, was in einer Rohrspannung resultiert, während an
einem kalten Tag das Gehäuse
sich mehr zusammenzieht als das Rohr, was in einer Rohrkompression
resultiert. Dieser Aufbau für
die thermische Spannung handelt nur eine Empfindlichkeit gegenüber der
Fluidtemperatur für
eine Empfindlichkeit gegenüber
der Umgebungstemperatur ein.
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Ein
anderes bedeutendes Problem dabei, das Gehäuse und das Strömungsrohr
aus unterschiedlichen Materialien herzustellen, sind die Kosten
der Herstellung. Titan ist kostspielig und schwierig zu verarbeiten.
Es kann nicht wie rostfreier Stahl durch herkömmliche Prozesse geschweißt werden und
kann nur mit Schwierigkeit an das Gehäuse des rostfreien Stahls gelötet werden.
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Die
andere weit verbreitete Praxis und ein weit verbreitetes Verfahren
für das
Verringern der thermisch verursachten Rohrspannungen besteht darin,
eine geometrische Span nungsentlastung in dem Strömungsrohr zu entwerfen. Verbogene
Rohrströmungsmesser
fallen in diese Kategorie. Diese schließt solche ein, deren Strömungsrohre
u-förmig (
US Patent 4 252 028 ), v-förmig sind,
sowie alle weiteren Strömungsrohre,
die eine unregelmäßige Form haben,
die nicht gerade sind (
US Patent
4 891 991 ). Bei geraden Rohrströmungsmessern befindet sich die
Spannungsentlastung traditionsgemäß zwischen dem Gehäuseende
und einem Stützstabelement nahe
dem Gehäuseende.
In dieser Position ist das Strömungsrohr
dynamisch inaktiv, und folglich beeinflusst die Natur der Spannungsentlastung
nicht die Dynamik des vibrierenden Teils des Strömungsrohres. Unter den verschiedenen
Designs der Spannungsentlastung, die verwendet werden, sind O-Ring,
Belegverbindungen (
US Patent
4 803 867 ), Metallbälge
(
US Patent 5 663 509 )
und eine Verringerung des Strömungsrohrdurchmessers,
die der Funktion einer Membrane dient. Diese Spannungsentlastungsverfahren
führen
ausreichend ihre beabsichtigte Funktion aus, aber sie haben ihre
eigenen individuellen Probleme.
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Das
primäre
Problem mit den Balg- und Belegverbindung-Designs besteht darin,
dass sie nicht leicht zu reinigen sind. Dieses ist ein bedeutendes Problem
dadurch, dass die Reinigbarkeit einer der häufigsten Gründe für Kunden dafür ist, einen
geraden Rohrströmungsmesser
zu wählen.
Strömungsmesser,
die eine Verringerung des Strömungsrohrdurchmessers
nahe den Rohrenden für
eine Spannungsentlastung verwenden, leiden häufig unter den Nachteilen eines
hohen Fluiddruckabfalls. Es gibt andere geometrische Designs, aber
sie leiden alle unter den Nachteilen wie Reinigbarkeit, Druckabfall
oder Lecken.
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Im
obigen wurden die Probleme besprochen, die mit dem thermischen Spannungsverhältnis zwischen
Strömungsrohren
und einem umgebenden Gehäuse
verbunden sind. In einem einzelnen Rohrströmungsmesser, der ein Balance-Rohr
an dem Strömungsrohr
befestigt aufweist, ist das Verhältnis zwischen
dem Balance-Rohr und dem Strömungsrohr
das selbe wie zwischen dem Gehäuse
und dem Strömungsrohr,
insofern als Temperaturunterschiede und thermische Spannungen betroffen
sind. Das Balance-Rohr wird normalerweise fest an dem Strömungsrohres
durch die Endteile der Balance-Rohre befestigt.
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So
sind die Expansionsprobleme zwischen dem Strömungsrohr und dem Balance-Rohr
die selben wie die, die oben zwischen dem Strömungsrohr und dem Gehäuse beschrieben
worden sind.
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Es
sollte auch erkannt werden, dass, obgleich es verschiedene Techniken
für die
Minderung des Problems der Strömungsrohrexpansion/-kontraktion
für die
Strömungsmesser
gibt, die starke nicht nachgebende Gehäuse haben, keine ohne Nachteile
sind. Insbesondere bleiben die Probleme thermischer Gradienten und
unterschiedlicher Umgebungstemperaturen ungelöst.
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LÖSUNG
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die oben beschriebenen Probleme und erzielt einen Fortschritt in
dem Stand der Technik, indem sie einen Strömungsmesser zur Verfügung stellt,
in dem die Strömungsrohre
von einer solchen Geometrie sind, dass sie axial in dem Bereich
nachgiebig sind, in dem sie dynamisch aktiv sind. Die axiale Nachgiebigkeit der
Strömungsrohre
ermöglicht
es ihnen, sich relativ zu dem Strömungsmessergehäuse und
dem Balance-Rohr (wenn es vorgesehen ist) mit verringerter axialer
Spannung auf den Strömungsrohren
axial zusammenzuziehen und zu erweitern. Dieses ermöglicht es,
dass das Strömungsrohr,
das Strömungsmessergehäuse und
das Balance-Rohr
aus demselben Material hergestellt werden. Des weiteren können, indem
man die nachgiebigen Bereiche in der dynamisch aktiven Region des
Strömungsrohres
lokalisiert, Strömungsmesser
hergestellt werden, die eine erhöhte
Genauigkeit hinsichtlich der zu messenden Strömung und Dichte besitzen.
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Die
Strömungsrohre
der vorliegenden Erfindung erzielen eine größere axiale Nachgiebigkeit
als Strömungsrohre
des vorherigen Stands der Technik mittels einer welligen Geometrie
in ihrer dynamisch aktiven Region eher als in ihrer dynamisch unaktiven Region.
Die Wellen sind denen auf herkömmlichen Stahlabzugskanälen dadurch ähnlich,
dass die periodische Zunahme und Abnahme im Rohrdurchmesser in der
axialen Richtung des Rohres auftritt. Wellen erhöhen die axiale Nachgiebigkeit
des Strömungsrohres,
indem sie die axiale Deformation der Strömungsrohrwand von der reinen
Dehnung oder Kompression, wie sie in einem geradwandigen Strömungsrohr gefunden
werden, zu einer Kombination von Wandverbiegung plus stark verringerter
Ausdehnung oder Kompression hin ändern.
Das Wandverbiegen des gewellten Strömungsrohres ist achsensymmetrisch, so
dass das Strömungsrohr
gerade bleibt, wenn es axial verformt wird.
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Somit
löst das
gewellte Strömungsrohr
das Problem einer thermischen Spannung, da ein umgebendes Messinstrumentengehäuse und/oder
ein Balance-Stab, das oder der eine niedrigere Temperatur als das
Strömungsrohr
hat, axial das gewellte Strömungsrohr
zusammendrücken
kann, ohne Spannungen zu erzeugen, die hinreichend sind, das Strömungsrohr
zu beschädigen
oder die Strömungsempfindlichkeit
erheblich zu ändern.
Ebenso können
ein umgebendes Strömungsrohrgehäuse und/oder
ein Balance-Rohr von höherer
Temperatur als die des Strömungsrohrs
das gewellte Strömungsrohr
ohne Beschädigung
oder Empfindlichkeitsänderung
axial ausdehnen.
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Wellen
in der dynamisch aktiven Strömungsrohrregion
haben die weiteren Vorteile einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber einem
Materialstrom im Vergleich zu einem herkömmlichen Strömungsrohr. Zusammen
mit der Fähigkeit
des gewellten Rohres, mit wenig Kraft und keiner dauerhaften Deformation axial
zusammengedrückt
zu werden, kann es mit wenig Kraft und keiner dauerhaften Deformation
verbogen werden. Das Erweichen des Strömungsrohres beim Verbiegen
hat drei Effekte auf die Empfindlichkeit des Messinstruments. Zwei
dieser Effekte annullieren sich, während der dritte die Strömungsempfindlichkeit
erhöht.
Ein gleichmäßig gewelltes
Strömungsrohr
hat eine verringerte Steifheit, die in einer niedrigeren Antriebsfrequenz
resultiert. Die verringerte Frequenz hat zwei Effekte. Zuerst verringert
sie die Coriolis-Kraft für
eine gegebene Materialstromrate. Die Coriolis-Kraft ist zur Winkelgeschwindigkeit des
Rohres proportional. Das Verringern der Strömungsrohrfrequenz verringert
die Winkelgeschwindigkeit und folglich die Coriolis-Kraft. Die verringerte Kraft
resultiert in einer verringerten (durch die Strömung verursachten) Rohrdeformation.
Die verringerte durch die Strömung
verursachte Rohrdeformation würde
in einer verringerten Zeitverschiebung zwischen den Signalen resultieren,
die durch die zwei Strömungsrohr – Sensoren
erzeugt werden, außer der
Tatsache, das eine verringerte Frequenz ebenso in einer verringerten
Rohrgeschwindigkeit resultiert. Die verringerte Rohrgeschwindigkeit
resultiert in einer längeren
Zeitverschiebung für
eine gegebene Rohrdeformation. Es ergibt sich, dass die Effekte
der verringerten Rohrgeschwindigkeit (Zunahme der Zeitverschiebung)
und der verringerten Coriolis-Kraft (Abnahme der Zeitverschiebung)
sich eliminieren, was in einer Zeitverschiebung zwischen Sensoren (Strömungssignal)
resultiert, die von der Frequenz unabhängig ist.
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Der
dritte Effekt der Wellen auf die Strömungsmesserempfindlichkeit
besteht dann, dass die erhöhte
Mühelosigkeit
des Verbiegens in einer größeren Reaktion
auf die erzeugte Coriolis-Kraft resultiert. Der Nettoeffekt ist,
dass die Empfindlichkeit gegenüber
dem Materialstrom des gewellten Strömungsrohrmessinstruments erheblich
größer als
die Empfindlichkeit eines Messinstruments mit einem herkömmlichen
Strömungsrohr
ist. Der Effekt der verringerten Antriebsfrequenz wird durch den
Effekt der verringerten Rohrgeschwindigkeit annulliert. Jedoch resultiert
das erhöhte
Reaktionsvermögen
des Rohres gegenüber
der Coriolis-Kraft in einer Nettozunahme der Messinstrumentempfindlichkeit.
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Die
Positionierung von Wellen entlang dem Strömungsrohr braucht nicht gleichförmig zu
sein, und tatsächlich
gibt es einige Vorteile für
eine nichtgleichförmige
Positionierung der Wellen. Die verformte Form des Strömungsrohres,
die aus den Treibervibrationen ohne Materialstrom resultiert, ist,
als die Treibermodenform bekannt, und hat zwei Punkte, die als Krümmungspunkte
bekannt sind, an denen sich die Richtung der Strömungsrohrbiegung ändert. In
einer kurzen Region um diese Krümmungspunkte herum
gibt es keine Biegung und folglich können dort keine Biegemomente
bestehen. (Ein Biegemoment auf einem normalen geraden Rohr resultiert
immer in einem gebogenen Rohr.) Da es keine Biegemomente an den
Krümmungspunkten
der Treibermode gibt, können
Wellen dort lokalisiert werden und ihre Biegeweichheit hat wenig
Auswirkung auf die Treibermodenform oder die Strömungsrohr-Antriebsfrequenz. In
der Coriolis-Ablenkungsform jedoch erfahren diese gleichen Positionen
(Treibermoden-Krümmungspunkte)
auf dem Rohr eine große
Krümmung
und große
Biegemomente. Wellen an diesen Orten (Treibermoden-Krümmungspunkte)
resultieren folglich in einer großen Abnahme an Steifheit in
Bezug auf erzeugte Coriolis-Kräfte.
Während
der Materialströmung
wird das Rohr periodisch in der Treibermodenform ausgelenkt, während es
gleichzeitig (um 90 Grad in der Phase verschoben) durch die Coriolis-Kraft
gestört
wird. Somit resultiert die Positionierung der Wellen selektiv an
den Krümmungspunkten für die Treibermode
in einem Messinstrument mit hoher Antriebsfrequenz und hohen Coriolis-Kräften und gleichzeitig
mit hoher Empfindlichkeit gegenüber
Coriolis-Kräften.
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Die
Positionierung von Wellen an den Strömungsrohrvibrationsmode-Krümmungspunkten,
so dass sie eine geringe Auswirkung auf die Strömungsrohrsteifheit oder -frequenz
in dieser Mode haben, oder alternativ, an den hohen Strömungsrohr-Biegungspunkten,
um eine große
Auswirkung auf die Strömungsrohrsteifheit
und -frequenz zu haben, kann für
das Abstimmen von Vibrationsmoden außerhalb der Treibermode verwendet
werden.
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Zum
Beispiel tritt manchmal eine höhere
Vibrationsmode bei einer Frequenz auf, die ein Vielfaches derjenigen
der Treibermode ist. Dieses kann eine Störung in dem Strömungssignal
verursachen, das von einer Messung der Rohrstörung bei der Antriebsfrequenz
abgeleitet wird. Diese Störung
kann vermieden werden, indem man eine der Strömungsrohrfrequenzen unter Verwendung
von Wellen in einer Strömungsrohrregion,
die eine große
Biegung in einer Modenform und eine niedrige Biegung oder einen
Krümmungspunkt
in der anderen Modenform hat, verschiebt.
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Ein
anderer Vorteil der gewellten Strömungsrohre besteht darin, dass
es die Verwendung ermöglicht,
dass die Materialdichte mit größerer Genauigkeit
gemessen wird. Ein Coriolis-Messinstrument misst in der Treibermode
Dichte aus der natürlichen Frequenz
des Strömungsrohres.
Das Strömungsrohr wird
für Dichte
kalibriert, indem man die natürlichen Frequenzen
des Strömungsrohres
aufzeichnet, das zwei unterschiedliche Materialien bekannter Dichte (normalerweise
Luft und Wasser) enthält.
Dichten anderer Materialien werden dann durch Interpolation (oder
Extrapolation) aus ihren natürlichen
Frequenzen bestimmt. Eine große
Strömungsrohr-Frequenzverschiebung
zwischen Luft und Wasser ergibt eine höhere Dichteauflösung als
eine kleine Frequenzverschiebung. Ein gewelltes Strömungsrohr
weist wegen des erhöhten
Einschließungsvolumens
der Welle eine größere Frequenzverschiebung
zwischen Luft und Wasser und folglich eine höhere Dichtegenauigkeit als
ein geradwandiges Rohr auf.
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Ein
anderer Vorteil des Lokalisierens der Wellen in der dynamisch aktiven
Region des Strömungsrohres
ist es, dass dieses reichlich Raum für mehrfache Wellen ohne zunehmende
Messinstrumentenlänge
erlaubt. Mehrfache Wellen ermöglichen es,
dass jede Welle kleiner ist, weil jede Welle eine geringere axiale
Nachgiebigkeit aufnehmen muss.
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Wenn
zum Beispiel ein Strömungsrohr
versucht, sich wegen thermischer Unterschiede in einem gegebenen
Maß auszudehnen/zusammenzuziehen,
und wenn es gewünscht
wird, Wellen zu verwenden, um die axiale Spannung auf dem Strömungsrohr
wegen dieser thermischen Expansion/Kontraktion zu verringern, kann
es erkannt werden, dass der Grad der Expansion/Kompression, der durch
jede Welle aufgenommen werden muss, mit der Zahl der Wellen zusammenhängt, die
verfügbar sind,
um die Expansion/Kontraktion aufzunehmen. Diese mehrfachen kleinen
Wellen werden durch einen kleineren Unterschied zwischen dem großen und dem
kleinen Durchmesser gekennzeichnet, als dieses für größere Wellen sein würde. Dieser
kleinere Unterschied ergibt eine besse re Möglichkeit, das Rohr zu reinigen,
sowie einen kleineren Druckunterschied als ein Rohr mit wenigen
großen
Wellen.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Vorteile und Ziele der Erfindung können aus der Lektüre der folgenden
ausführlichen
Beschreibung derselben in Verbindung mit den Zeichnungen besser
verstanden werden, in denen:
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1 offenbart
einen geraden Rohr-Coriolis-Strömungsmesser,
der Wellen aufweist.
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2 offenbart
einen geraden Dualrohr-Coriolis-Strömungsmesser, der gewellte Strömungsrohre
besitzt.
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3 und 4 offenbaren
einen Coriolis-Strömungsmesser,
der ein Paar von im wesentlichen u-förmig gewellte Strömungsrohre
hat, die Wellen lediglich über
nur einen Teil des Strömungsrohres besitzen.
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5 offenbart
ein Coriolis-Strömungsrohr, das
ein gewelltes Äußeres und
ein glattes nicht gewelltes Inneres hat.
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6 und 7 offenbaren
Modenformen von einigen der Vibrationsmoden, die von einem geraden
Coriolis-Strömungsrohr
von 1 angenommen werden können.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 offenbart
einen Coriolis-Strömungsmesser 100,
der ein gewelltes Strömungsrohr 110, das
von einem zylinderförmigen
Balance-Stab 104 umgeben ist, und ein Gehäuse 103,
das den Balance – Stab 104 und
das Strömungsrohr 110 umgibt,
besitzt. Die Enden des Strömungsrohrs 110 erstrecken sich
durch die Gehäuseenden 108 und
werden an Flanschen 109 befestigt, die wiederum an ein
Strömungssystem
(nicht gezeigt) befestigt werden können. Das Strömungsrohr
hat einen Einlass 114 und einen Auslass 116. Der
Einlass 114 wird durch einen Stutzen 111 mit einem
Endteil 112 von dem Strömungsrohr 110 verbunden,
während
der Auslass 116 durch einen Stutzen 111 mit einem
Endteil 117 von dem Strömungsrohr 110 verbunden
wird. Das Endteil 112 wird fest an fest an beiden Gehäuseenden 108 und
dem Endteil 113 des Balance-Stabs 104 befestigt.
Das Endteil 117 wird fest an dem rechten Gehäuseende 108 sowie
an dem rechten Ende 113 des zylinderförmigen Balance-Stabes 104 verbunden.
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Die
Magneten M sind mit Sensoren S1, S2 assoziiert und ein Treiber D
ist mit dem Strömungsrohr 110 verbunden.
Sensor-Elemente S1, S2 und das Treiberelement D werden durch Leitungen 124,125 bzw. 126 an
eine Messinstrumentelektronik 102 angeschlossen, die den
weithin bekannten Schaltkreis enthält, der erforderlich ist, um
Betriebssignale an den Treiber D über den Weg 125 zu
geben, sowie um Sensor-Signale über
Wege 124 und 126 zu empfangen, die die Coriolis-Vibrationen
des Strömungsrohres 110 anzeigen.
Die Messinstrumentelektronik 102 empfängt die Sensor-Signale und
leitet, in einer weithin bekannten Weise, Informationen betreffend
den Materialstrom durch das Strömungsrohr 110 ab.
Diese Informationen können
die Materialdichte, volumetrische Strömungsraten sowie Massenströmungsraten
einschließen
und werden auf dem Weg 123 zugeführt.
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Bei
dem Betrieb des Strömungsmessers 100 können thermische
Unterschiede zwischen dem Strömungsrohr 110,
dem umgebenden zylinderförmigen
Balance – Stab 104 und
dem umgebenden zylinderförmigen
Gehäuse 103 entstehen.
Diese thermischen Unterschiede können
axiale Spannungen in dem Strömungsrohr 110 verursachen,
da es dazu neigt, sich relativ zu dem Grad, in dem sich der Balance-Stab 104 und/oder
das Gehäuse 103 versuchen
sich wegen dieser thermischen Änderungen auszudehnen/zusammenzuziehen,
auszudehnen/zusammenzuziehen. Die dicken Enden 113 des Balance-Stabs 104 und
die dicken Enden 108 von dem Gehäuse 103 verhindern,
dass das Strömungsrohr 110 sich
axial im Verhältnis
zu dem Balance-Stab 104 und dem Gehäuse 103 ausdehnt/zusammenzieht.
Das dicke Endteil 113 von dem Balance-Stab 104 verhindert zum Beispiel,
dass das Strömungsrohr 110 eine
axiale Länge
annimmt, die von der des Balance-Stabs 104 unterschiedlich
ist. Dasselbe ist in bezug auf das Verhältnis zwischen der Länge von
dem Strömungsrohr 110 und
den Gehäuseenden 108 zutreffend.
Jeder Versuch von dem Strömungsrohr,
sich um ein unterschiedliches axiales Maß als dem des Balance-Stabes 104 und/oder
des Gehäuseendes 108 auszudehnen/zusammenzuziehen,
verursacht einen axiale Spannung auf dem Strömungsrohr 110. Diese
Spannung wird stark durch Wellen 106 verringert, die sich
axial verbiegen, so dass das Strömungsrohr 110 die
gleiche Länge
wie die von den Endteilen 113 des Balance-Stabes 104 und
des Gehäuseendes 108 des
Gehäuses 103 beibehal ten
kann. Die Wellen ermöglichen
es dem Strömungsrohr 110,
sich im Einklang mit dem Balance-Stab 104 und dem Gehäuse 103 auszudehnen/zusammenzuziehen,
um größtenteils
axiale Spannungen auf dem Strömungsrohr 110 zu
beseitigen.
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Beschreibung von 2
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2 offenbart
einen Strömungsmesser 200,
der ein Paar von geraden gewellten Strömungsrohren 203 und 204 besitzt,
die innerhalb eines Gehäuses 103 enthalten
sind. Die zwei Strömungsrohre 203 und 204 verbinden
sich an einer Spitze 206, um einen Einlass 112 zu
bilden. Die zwei Strömungsrohre
verbinden sich an einer Spitze 207, um einen Auslass 117 zu
bilden. Einlässe 112 und
Auslässe 117 enden
in Flanschen 109. Das Einlassteil 112 wird mit einem
linken Gehäuseende 108 verbunden,
und das Auslassteil 117 wird an dem rechten Gehäuseende 108 befestigt.
Material, das auf der linken Seite durch den Einlass 114 hereinkommt,
fließt
nach rechts, trifft auf die Spitze 206, wo es geteilt wird
und durch die Strömungsrohre 203 und 204 fließt. Die
Ausgabe der Strömungsrohre 203 und 204 kommt
an der Spitze 207 zusammen und fließt durch den Strömungsrohrbereich 117 zu
dem Anschluss 116 und Flansch 109. Die Stromungsrohrstumpen 111,
in beiden 1 und 2, verbinden
die Gehäuseenden 108 mit
Flanschen 109. Das Strömungsrohr 200 schließt auch Sensoren
S1 und S2 und einen Treiber D zusammen mit ihren zusammenwirkenden
Magneten M ein. Die Leitungswege, welche die Sensoren und den Treiber an
die Messinstrumentelektronik, die der Messinstrumentelektronik 102 von 1 vergleichbar
ist, anschließen,
werden nicht gezeigt, um die Kompliziertheit der Zeichnung herabzusetzen.
Der dynamisch aktive Teil von den Strömungsrohren 203 und 204 ist derjenige
zwischen dem Stützstab 221 und 222.
Der statische Teil der Strömungsrohre
befindet sich auf der linken Seite des Stützstabes 221 und auf
der rechten Seite des Stützstabes 222.
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Beschreibung von 3 und 4
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3 und 4 offenbaren
einen Coriolis-Strömungsmesser 300,
der ein Paar von im wesentlichen u-förmigen Rohren 309 und 309A besitzt. In
Bezug auf 3 hat das Strömungsrohr 309 ein oberes
Element 310 und ein Paar seitliche Beine 307 und 308.
Das obere Element schließt
einen linken gewellten Teil 303 und einen rechten gewellten
Teil 304 ein. Das linke Bein schließt einen unteren geraden Teil 312,
einen Stützstab 302,
der mit dem unteren Ende des geraden Teils 312 verbunden
ist, und ein gerades Teil 305, das den unteren Teil von
dem Stützstab 302 mit
einer oberen Oberfläche
von einem Verteilerrohr 311 verbindet, ein. Das rechte
Bein schließt
Elemente entsprechend denen des Beines auf der linken Seite ein,
einschließlich
eines geraden Teils 313, eines Stützstabs 302, eines
geraden Teils 306, der die Grundfläche des rechten Stützstabes 302 mit
der oberen Oberfläche
von dem Verteilerrohr 311 verbindet. Sensoren S1 und S2
sind zusammen mit dem Treiber D, wie es in den 3 und 4 gezeigt
ist, mit den Strömungsrohren 309 und 309A verbunden.
Rohrstümpfe 111 verbinden
die Enden des Verteilerrohrs 311 mit Flanschen 109,
die es ermöglichen,
dass der Strömungsmesser 300 mit
einem Strömungssystem
(nicht gezeigt) verbunden wird.
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In 4 hat
das hintere Strömungsrohr 309A Elemente,
die denen entsprechen, die oben für das Strömungsrohr 309 in 3 beschrieben
worden sind, außer
dass jedes hintere Strömungsrohr
in 4 ein Suffix A besitzt.
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In
den 3 und 4 stellen gewellte Teile 303, 303A, 304 und 304A eine
erhöhte
Flexibilität oberer
Elemente 309, 309A zur Verfügung, ums sie nachgiebiger
und empfindlich gegenüber
den erzeugten Coriolis-Kräften,
die aus dem Zusammentreffen des Materialstromes, während die
Strömungsrohre
durch den Treiber D in Oszillation versetzt werden, auszubilden.
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Die
Strömungsrohrteile
oberhalb der Stützstäbe 302 umfassen
den dynamischen Teil von den Strömungsrohren;
die Strömungsrohrbereiche 305, 306, 305A und 306A umfassen
die statischen Teile von den Strömungsrohren.
Im Betrieb verursacht der Treiber D, wie es in dem Stand der Technik
weithin bekannt ist, dass die Strömungsrohre 310 und 310A außer Phase
in Bezug auf einander um Stützstäbe 302 als
Gelenkpunkt oszillieren. Verteilerrohr 311 von 3 wird
in 4 zum Zweck der zeichnerischen Einfachheit fortgelassen.
Jedoch soll es verstanden werden, dass im Betrieb Material in den
Strömungsmesser 300 über einen
linken Flansch 109 und einen Strömungsmesse-Rohrstutzen 111 hereinkommt,
zu dem Verteilerrohr 311 verläuft, das den empfangenen Materialstrom
dazu veranlasst, sich zu teilen und parallel durch die Strömungsrohre 309 und 309A zu strömen. Der
Materialstrom verlässt
die Strömungsrohre
und tritt wieder in das Verteilerrohr 311 ein, in dem er
sich wieder vereinigt und verläuft
durch den rechten Strömungsrohrstutzen 111 und
das rechte Flanschelement 109 nach außen.
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Wellen 303, 304, 303A und 304A erhöhen die
Nachgiebigkeit der oberen Elemente 309, 309A der
Strömungsrohre
für die
Detektion der Coriolis-Vibrationen. Die Wellen befinden sich an
Punkten niedriger Biegungsspannung für die Antriebsfrequenzmode,
und folglich haben sie über
ein geringfügiges
Absenken wegen der geringfügigen
Massenzunahme hinaus eine geringe Wirkung auf die Antriebsfrequenz.
Jedoch umfassen, wie es im weiteren im Detail beschrieben wird,
die Wellen 303 und 304 Hochspannungspunkte für die Auslenkung
der Strömungsrohre
in Bezug auf Coriolis-Kräfte.
Die Wellen 303 und 304 werden auf den Strömungsrohren 309 und 309A in
Position gebracht, um die Biegungsfähigkeit der Strömungsrohre
in Reaktion auf die erzeugte Coriolis-Kraft zu erhöhen. Diese
erhöhte
Coriolis-Empfindlichkeit ergibt Signale von den Sensoren S1 und
S2 mit erhöhter
Stärke.
Dieses ermöglicht es
der angeschlossenen Messinstrumentelektronik 102 (von 1),
Materialstrominformationen erhöhter
Genauigkeit zu erzeugen.
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Beschreibung von 5
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5 offenbart
ein Coriolis-Strömungsrohr 501,
das äußere Wellen 502 und
einen glatten inneren Strömungskanal 504 hat.
Der Strömungskanal 504 ist
glatt, weil der Raum innerhalb des Strömungsrohres 501 zwischen
dem Äußeren der
Wand des Strömungskanals 504 und
dem inneren Wandteil 508 des Strömungsrohres mit einem Material
gefüllt
wird, das eines niedriges elastisches Modul hat. Das Material niedrigen
Moduls (wie Gummi) ermöglicht
es den Wellen, sich mit geringem Widerstand axial auszudehnen oder
zusammenzuziehen. Dieses Material füllt den inneren Teil 503 von
dem Strömungsrohr 501 und
es umfasst die inneren Wellen von dem gewellten Bereich. Dieses
Material füllt
auch den Raum 507 zwischen der äußeren Oberfläche des
Kanals 504 und der inneren Oberfläche der äußeren Wand 508.
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Die
Ausführungsform
von 5 stellt einen Strömungskanal 504 zur
Verfügung,
der glatt ist, um seine Reinigung für Anwendungen zu erleichtern,
in denen der innere Teil des Strömungsrohres
regelmäßig gesäubert werden
muss. Dieses ist in der Lebensmittelindustrie wichtig, in der ein
Strömungsmesser
für die
Strömungsmessung
unterschiedlicher Materialien benutzt werden kann. In solchen Anwendungen
ist es kritisch, dass der Strömungsmesser nach
Beendigung der Verarbeitung von einem Material vor der Verarbeitung
eines anderen Materials gesäubert
wird. Die Ausführungsform
von 5 erfüllt diese
Zielsetzung, indem sie ein gewelltes Strömungsrohr 501 zur
Verfügung
stellt, das einen glatten Strömungskanal
enthält 504,
der durch ein nachgiebiges Material in den inneren Bereichen 503 und 507 des
Strömungsrohrs 501 umgeben
wird. Die Ausführungsform
von 5 stellt einen glatten inneren Strömungskanal 504 unter
Beibehalten der Vorteile von den Wellen 502 zur Verfügung, so
dass das Strömungsrohr 501 auf
die gleiche Weise wie das Strömungsrohr 110 von 1 flexibel
ist. Das Strömungsrohr 501 ist
axial nachgiebig, so dass es eine festgelegte axiale Gesamtlänge beibehalten
kann, während
es einem großen
Bereich von thermischen Betriebsbedingungen unterworfen ist.
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Beschreibung von 6 und 7
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6 offenbart
die ersten drei Vibrationsmoden eines geraden Strömungsrohres
wie 110 von 1. Die erste Mode, oder die
Treibermode, wird als Element 601 gezeigt. Element 602 stellt
die zweite Vibrationsmode dar, die zufällig in der Form der Coriolis-Ablenkungsmode sehr ähnlich ist.
Element 603 stellt die dritte Vibrationsmode dar. In Bezug
auf Element 601 weist das Strömungsrohr 110 Wellen 620 und 621 an
Strömungsrohrsegmenten 604 und 605 auf.
Strömungsrohrsegment 608 ist
mit einem Treiber D verbunden (nicht in 6 gezeigt),
der Treibersignale von einem assoziierten Elektronikelement 102 empfängt, das
in 1, nicht aber in 6, gezeigt
wird. Diese Betriebssignale versetzen das Strömungsrohr in der ersten Biegungsmode
oder Treibermode, die durch das Element 601 dargestellt wird,
in Oszillation. Bei dieser Mode hat das Strömungsrohr 110 einen
Punkt maximaler Ablenkung 608 und Krümmungspunkte 604 und 605.
Diese Krümmungspunkte
sind dort, wo die Rohrbiegung ihr Vorzeichen ändert. Sie sind im wesentlichen
gerade und für
einen kleinen Abstand auf jeder Seite von der Mitte des Krümmungspunktes,
der durch + – Symbole
dargestellt wird, von Biegemomenten frei. Der maximale Ablenkungspunkt 608 ist
dem Schnitt von gestrichelten Linien 631 mit dem Strömungsrohr 110 nahe.
Die rechte Seite von dem Strömungsrohr 110 weist
auch einen Krümmungspunkt 605 auf,
der dem Schnitt der gestrichelten Linie 632 mit dem Strömungsrohr 110 nahe
ist. Das Strömungsrohr 110 ist im
wesentlichen in einem kleinem Abstand auf jeder Seite von dem + – Symbol
gerade, das einen Krümmungspunkt
darstellt. Weil der nahe Krümmungspunkt 605 des
Strömungsrohres 110 sowie 604 verhältnismäßig frei
von Biegemomenten sind, haben Wellen 620, 621 nahe
den Krümmungspunkten 604 und 605 eine
geringe Wirkung auf die Antriebsfrequenz.
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Das
Element 602 stellt die Coriolis-Ablenkungs-Modenform des
Strömungsrohrs 110 dar,
wie sie aus dem Zusammentreffen der Treibermoden-Vibrationen, die
durch den Treiber D angelegt werden, und dem Material, das durch
das Strömungsrohr 110 strömt, resultieren.
Die Coriolis-Ablenkungs-Modenform, die durch Element 602 dargestellt
wird, ist verglichen mit Element 601 stark übertrieben,
da Coriolis-Ablenkungen in der Amplitude weitaus kleiner als die
Treibermodenvibrationen sind. In Bezug auf die Coriolis-Ablenkungs-Modenform 602 ist
das Segment 606 gekrümmt,
ist das Segment 609 gerade und von Biegemomenten frei,
während
das Segment 611 gekrümmt
ist. Die gekrümmten
Segmente 606 und 611 unterliegen einem maximalen
Biegemoment, und folglich erweicht die Bereitstellung von den Wellen 620 und 621 das
Strömungsrohr 110,
um seine Biegungsnachgiebigkeit zu erhöhen. Diese erhöht die Ablenkempfindlichkeit
des Strömungsrohrs 110 gegenüber den
erzeugten Coriolis-Kräfte.
Dieses wiederum stellt verstärkte
Signale von den Sensoren S1 und S2 (1) zu der
Messinstrumentelektronik 102 zur Verfügung, um es ihr zu ermöglichen,
Materialstrominformationen von größerer Genauigkeit zu erzeugen.
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Das
Vorangehende hat die Positionierung der Wellen nahe den Rohrpositionen
beschrieben, die die gestrichelten Linien 632 und 633 schneiden. In 6 ist
die Antriebsfrequenz von Element 601 unbeeinflusst, da
Wellen 620, 621 sich in den geraden Segmenten 604, 605 des
Strömungsrohres
befinden. Diese Positionierung stellt eine maximale Coriolis-Empfindlichkeit
von Element 602 zur Verfügung, da die Wellen 620 621 sich
an den maximalen Biegungssegmenten 606 und 611 der
Coriolis-Antwort befinden.
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Element 603 von 6 veranschaulicht
die Ablenkungsform der dritten Vibrationsmode des Strömungsrohres 110.
In Element 603 haben die Positionen der Wellen 620, 621 eine
geringe Auswirkung auf die dritte Vibrationsmode, da sich die Wellen
in den geraden Segmenten 607, 612 der Strömungsrohrantwort
befinden.
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Es
passiert manchmal bei dem Gebrauch der Coriolis-Strömungsmesser,
dass eine Vibrationsmode einer höheren
Frequenz bei oder nahe der Frequenz der umgebenden Vibrationen ist,
die das Strömungsmesser
umgeben. Diese umgebenden Vibrationen können von Pumpen oder Fabrikmaschinerie resultieren,
und sie sind häufig
Vielfache von den 60 Hz (50 Hz in Europa) der Stromfrequenz. Diese Übereinstimmung
einer natürlichen
Rohrfrequenz und umgebenden Vibrationen ist nicht wünschenswert und
kann unerwünschte
Vibrationen in dem Strömungsrohr
des Coriolis-Strömungsmessers
verursachen. Dieses kann die Genauigkeit der Strömungsinformationen nachteilig
bewirken, die durch das Strömungsmesser
erzeugt werden. Anordnungen des vorherigen Stands der Technik verwendeten
spezielle Ausrüstungen,
wie Stoßdämpfer und
dergleichen, um den Coriolis-Strömungsmesser
von diesen unerwünschten
Vibrationen zu isolieren.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
den Gebrauch von Wellen, die selektiv auf einem Strömungsrohr
positioniert werden, um eine Vibrationsfrequenz des Strömungsrohrs
abzustimmen, so dass seine höheren
Moden nicht mit der Frequenz der umgebenden Vibrationen übereinstimmen.
Dieses wird in 7 veranschaulicht, worin die
Wellen 720 und 721 so in Position gebracht werden,
dass sie die Frequenz der dritten Vibrationsmode von dem Strömungsrohr 110,
wie sie durch Element 703 gezeigt wird, ändern.
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Es
sei angenommen, dass die Reaktion des Strömungsrohres 110, die
durch Element 703 gezeigt wird, in der gleichen Frequenz
wie ein allgemeines umgebendes Störrauschen ist (300 Hz), und
dass es gewünscht
ist, die Frequenzen des Strömungsrohres zu
verschieben, um das umgebende Störrauschen dabei,
unerwünschte
Vibrationen der dritten Vibrationsmode 703 hinzuzufügen, zu
minimieren. In diesem Fall werden die Wellen 720, 721 an
die Positionen gesetzt, die den Schnitt von Linien 732 und 733 mit
dem Strömungsrohr 110 enthalten.
Die Antriebsfrequenz von 701 wird ein wenig gesenkt, da
die Wellen 720, 721 sich nunmehr nahe einem gekrümmten Segment
des Strömungsrohres
befinden. In Bezug auf Element 702 haben Wellen bei 706 und 711 eine geringe
Wirkung auf die Coriolis-Empfindlichkeit, da sie an den Krümmungspunkten
auftreten. In Bezug auf Element 703 sind die Wellen 720, 721 an
den Maxima 707 und 712 der Rohrkrümmung und
der Biegemomente. Dieses erweicht das Strömungsrohr in dieser Vibrationsmode
und senkt die natürliche
Frequenz der Mode (280 Hz), um sie verglichen mit den Strömungsrohrpositionen,
die mit den gestrichelten Linien 634 und 635 in 6 assoziiert
sind, besser von der Frequenz zu isolieren, die mit umgebenden Störgeräuschen verbunden
ist (300 Hz).
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Es
soll sich ausdrücklich
verstehen, dass die beanspruchte Erfindung nicht auf die Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform
beschränkt
sein soll, sondern andere Modifikationen und Abänderungen innerhalb des Bereichs
der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, umfasst.