DE69920241T2

DE69920241T2 - Coriolisströmungsmesser mit einem von der stoffdichte unabhängigen kalibrierfaktor, und verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE69920241T2
Application number: DE69920241T
Authority: DE
Inventors: Craig Brainerd Van Cleve; Paul Charles STACK; Treat Gregory LANHAM
Original assignee: Micro Motion Inc
Current assignee: Micro Motion Inc
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: KR20010085749A; JP3499826B2; HK1038962A1; BR9912981B1; KR100453257B1; AU4212999A; CA2336572C; JP2002523765A; CN1316050A; WO2000012970A1; RU2233432C2; CN1184458C; EP1110059B1; CA2336572A1; BR9912981A; DE69920241D1; HK1038962B; EP1110059A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser und im Besonderen ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Coriolis-Durchflussmesser mit einem Durchflusskalibrierfaktor, der von Materialdichte unabhängig ist.
PROBLEM
Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser sind wünschenswert, da sie den Aufwand und die Anschlussprobleme von durchflussteilenden Verteilern von Doppelröhren-Coriolis-Durchflussmessern beseitigen. Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser nach dem Stand der Technik haben einen Nachteil, da sich ändernder Dichte des gemessenen Materials die Kalibrierung oder Durchflussempfindlichkeit des Messers ändert. Es wird angestrebt, dass ein Durchflussmesser eine genaue Ausgangsinformation, wie Massendurchsatz, unabhängig von der Dichte des Materialdurchflusses erzeugt. Somit wird angestrebt, dass, wenn ein Durchflussmesser einen Massendurchsatzwert von 10 kg/Minute für ein Material mit einem spezifischen Gewicht von 1,0 (Wasser) genau ausgibt, der Messer einen Wert von 10 kg/Minute für denselben Massendurchsatz für Materialdurchflüsse anderer Dichten genau ausgibt.
Ein Durchflussmesser, der diese Fähigkeit besitzt, soll angeblich einen Kalibrierfaktor, der von der Dichte seines Materialdurchflusses unabhängig ist, oder einen flachen Kalibrierfaktor haben. Ein solcher Durchflussmesser soll außerdem angeblich eine konstante Durchflussempfindlichkeit haben, indem er denselben Massendurchsatz unabhängig von der Dichte des Materialdurchflusses genau ausgibt. Die Empfindlichkeit (s) wird definiert als Zeitverzögerung in Mikrosekunden zwischen den Geschwindigkeitssensoren des Durchflussmessers dividiert durch den Massendurchsatz (s = Δt/M .), wobei Δt der Zeitdifferenz von den Geschwindigkeitssensoren des Durchflussmessers entspricht und M . dem Massendurchsatz entspricht. Somit muss, damit ein Messer einen flachen Kalibrierfaktor oder eine konstante Durchflussempfindlichkeit hat, dieser Ausdruck für jeden Durchsatz und jede Materialdichte einen konstanten Wert haben. Er würde beispielsweise, unabhängig von der Materialdichte, einen Ausgang von einer Mikrosekunde Zeitverzögerung für einen Durchsatz von 10 kg/Minute liefern und würde, unabhängig von der Materialdichte, einen Ausgang von 10 Mikrosekunden Zeitverzögerung für einen Durchsatz von 100 kg/Minute liefern. In beiden Fällen beträgt die Messerempfindlichkeit 0,1 Mikrosekunden/kg/min. Ein Durchflussmesser mit den vorgenannten Eigenschaften wäre von Vorteil, da er die Notwendigkeit weiterer Kalibrierung oder Kompensation beseitigen oder minimieren würde.
Wechselnde Kalibrierung oder Durchflussempfindlichkeit bei Durchflussmessern wurde bisher traditionell durch den Einsatz von massiven Gegengewichtselementen (seither als Ausgleichsstäbe bekannt) minimiert. Verbleibende Änderungen der Empfindlichkeit mit der Dichte wurden durch den Einsatz von Korrekturalgorithmen auf der Basis der Resonanzfrequenz des Messers in seinem Antriebsmodus kompensiert. Der Einsatz von massiven Ausgleichsstäben besitzt Nachteile in Form von Kosten sowie dadurch, dass der Einsatz von anderen leistungssteigernden Merkmalen, wie empfindlichkeitssteigernde Ausgleichsstäbe, verhindert wird. Ein Korrekturalgorithmus besitzt den Nachteil, dass er unter Verwendung von Materialien unterschiedlicher Dichte kalibriert werden muss und er muss in einer Software ausgeführt werden. Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit eines massiven Ausgleichsstabes und eines Korrekturalgorithmus durch eine einzigartige Konstruktion des Ausgleichsstabes. Um diese Konstruktion zu verstehen, muss man zunächst verstehen, wie herkömmliche Coriolis-Durchflussmesser arbeiten.
Bei herkömmlichen Doppelröhren-Coriolis-Durchflussmessern werden die Durchflussröhren zueinander phasenversetzt in Schwingung versetzt. Die Doppeldurchflussröhren agieren als Gegengewicht zueinander, um einen dynamisch ausgeglichenen Aufbau zu erzeugen. Geschwindigkeitssensoren befinden sich an zwei Positionen entlang den Durchflussröhren, um die relative Geschwindigkeit zwischen den Durchflussröhren abzutasten. Die Geschwindigkeitssensoren befinden sich normalerweise in gleichen Abständen stromaufwärts und stromabwärts der Mittelpunkte der Röhren. Jeder Geschwindigkeitssensor besteht aus einem Magneten, der an einer Durchflussröhre befestigt ist, und einer Spule, die an der anderen befestigt ist. Die relative Bewegung der Spule durch das Magnetfeld erzeugt eine Spannung. Die sinusförmige Bewegung der schwingenden Durchflussröhren erzeugt eine sinusförmige Spannung in jedem Sensor. Wenn es keinen Materialdurchfluss gibt, sind die Spannungen von den beiden Geschwindigkeitssensoren zueinander phasengleich. Bei Materialdurchfluss werden die schwingenden Röhren durch die Coriolis-Kraft des sich bewegenden Materials deformiert, wodurch eine Phasendifferenz zwischen den beiden Sensorspannungen verursacht wird. Der Massendurchsatz ist zu dieser Phasendifferenz proportional. Es ist wichtig, zu bemerken, dass beide Durchflussröhren (bei einer gleichmäßigen Teilung des Durchflusses) gleichmäßig deformiert werden und jede Durchflussröhre an entsprechenden Positionen dieselbe Phasenverschiebung aufweist wie die andere. Die Sensormagnetgeschwindigkeit stromaufwärts besitzt dieselbe Phase wie die Spulengeschwindigkeit stromaufwärts und beide besitzen dieselbe Phase wie die von dem Magnet-Spulen-Sensorpaar erzeugte Spannung. Der Sensor stromabwärts besitzt eine andere Phase als der stromaufwärts, aber auch hier besitzt die Spule an einer Röhre dieselbe Phase wie der Magnet an der anderen. Zum Bestimmen der Zeitverzögerung, Δt, wird die Phasenverzögerung zwischen den beiden Geschwindigkeitssensoren durch die Antriebsfrequenz dividiert (in Radianten/Sek). Durch Dividieren der Zeitverzögerung durch die Messerempfindlichkeit ergibt sich der Durchsatz.
Bei Einröhren-Durchflussmessern wird die schwingende Durchflussröhre durch einen Ausgleichsstab statt durch eine andere Durchflussröhre austariert. Geschwindigkeitssensormagneten (oder -spulen) werden an dem Ausgleichsstab angebracht, als wäre er die oben beschriebene zweite Durchflussröhre. Da jedoch kein Material durch den Ausgleichsstab hindurch fließt, erfährt er keine Coriolis-Kraft oder signifikante Phasenverschiebung bei Durchfluss. Die Geschwindigkeitssensoren tasten die relative Geschwindigkeit zwischen der phasenverschobenen Durchflussröhre und dem nicht phasenverschobenen Ausgleichsstab ab. Die Durchflussröhren- und Ausgleichsstabgeschwindigkeiten an jedem Geschwindigkeitssensor können durch Geschwindigkeitsvektoren mit Phasenwinkel und -amplitude dargestellt werden. Die relative Geschwindigkeit (und Spannung aus jedem Geschwindigkeitssensor) kann durch Addieren der beiden Geschwindigkeitsvektoren bestimmt werden. Der Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektor besitzt eine Phasenverschiebung auf Grund von Materialdurchfluss. Der Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektor besitzt null Phasenverschiebung. Das Addieren dieser Vek toren ergibt die Nettophasenverschiebung bei Durchfluss des Geschwindigkeitssensors. Die Nettophasenverschiebung der Ausgangsspannung von jedem Geschwindigkeitssensor wird durch den nicht phasenverschobenen Ausgleichsstab verringert. Diese Nettophasenverschiebungsverringerung entspricht einer Verringerung der Durchflussempfindlichkeit des Durchflussmessers.
Bei herkömmlichen Einröhren-Durchflussmessern ist die Verringerung der Durchflussempfindlichkeit eine Funktion von Materialdichte. Ein Grund besteht darin, dass sich bei Änderungen der Materialdichte das Schwingungsamplitudenverhältnis zwischen der Durchflussröhre und dem Ausgleichsstab ändert, um Impuls zu erhalten und den Messer ausgeglichen zu halten. Wenn sich das Schwingungsamplitudenverhältnis ändert, ändern sich die Längen der Geschwindigkeitsvektoren. Ein Anstieg der Materialdichte führt zu sinkender Durchflussröhrenschwingungsamplitude und steigender Ausgleichsstabsschwingungsamplitude. Somit nehmen die Geschwindigkeitsvektoren für die Durchflussröhre an Länge ab und die Geschwindigkeitsvektoren für den Ausgleichsstab nehmen an Länge zu. Da die Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektoren eine Phasenverschiebung auf Grund von Materialdurchfluss aufweisen und die Ausgleichsstabvektoren keine aufweisen, führen die Änderungen der Länge zu einem phasengleichen Sinken der Summe der Geschwindigkeitsvektoren und einer abnehmenden Empfindlichkeit des Messers mit dem Anstieg der Materialdichte. Als Folge hätte ein solcher Messer einen genauen Ausgang eines Durchsatzes von 10 kg/Minute bei Wasser, jedoch könnte bei Salzwasser (höhere Dichte) bei demselben Durchsatz der Ausgang lediglich 9,9 kg/Minute betragen. Bei einem Material mit niedriger Dichte, wie Kerosin, könnte der Messerausgang 10,1 kg/Minute betragen. Diese drei unterschiedlichen Durchflusswerte beziehen sich alle auf einen tatsächlichen Durchsatz von 10 kg/Minute, aber auf Grund der Änderung der Messerempfindlichkeit mit der Materialdichte ändert sich der angegebene Durchsatz. Ein solcher Messer besitzt keinen flachen Kalibrierfaktor oder konstante Durchflussempfindlichkeit für Materialien unterschiedlicher Dichten. Der Grund dafür besteht darin, dass der Durchflussmesser eine unterschiedliche Zeitverzögerung zwischen seinen Sensoren für Materialien unterschiedlicher Dichten für denselben tatsächlichen Durchsatz aufweist.
Es gibt noch andere Gründe, warum sich die Durchflussempfindlichkeit von Einröhrenmessern mit der Materialdichte ändert. Einer dieser Gründe besteht darin, dass der Aus gleich eines Einröhren-Durchflussmesser unter Bedingungen unterschiedlicher Materialdichte extrem schwierig aufrechtzuerhalten ist. Die obige Besprechung der Änderung des Amplitudenverhältnisses zwischen der Durchflussröhre und dem Ausgleichsstab geht von der Annahme aus, dass zwischen den beiden durch die Amplitudenverhältnisverschiebung mit der Materialdichte ein perfekter Ausgleich aufrechterhalten wird. Wird das korrekte Amplitudenverhältnis für perfekten Ausgleich nicht erzielt, wird der Impuls durch eine Verschiebung der Anordnung der Knoten an den Enden des schwingenden Teils der Durchflussröhre erhalten. Diese Anordnungsverschiebung hat die Wirkung des Übertragens von Masse von der Durchflussröhre zu dem Ausgleichsstab (bei einer höheren Materialdichte), aber sie ändert außerdem die Durchflussempfindlichkeit. Die Empfindlichkeit steigt, wenn sich die Knoten zu dem Geber hin bewegen, und sinkt, wenn sich die Knoten nach außen von dem Geber weg bewegen.
Es gibt außerdem andere, weniger verständlichere Gründe für Durchflussempfindlichkeitsverschiebung mit Materialdichte. Der Grund spielt jedoch keine Rolle. Die vorliegende Erfindung kann die Änderung der Empfindlichkeit negieren, indem eine zusätzliche gleiche und entgegengesetzte Änderung der Empfindlichkeit erzeugt wird, so dass die Nettoänderung der Empfindlichkeit beseitigt wird.
EPO 831.306A1 offenbart einen herkömmlichen Coriolis-Durchflussmesser mit einer Einzeldurchflussröhre, umgeben von einem konzentrischen Ausgleichsstab. Der Ausgleichsstab ist ein zylindrisches Element mit einer einheitlichen Masse- und Steifigkeitsverteilung mit Ausnahme eines Gewichts in der axialen Mitte des Ausgleichsstabes. Der einzige Zweck des Gewichts besteht darin, die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes in dem Antriebsmodus zu verringern. Das Gewicht hat in dem zweiten Coriolis-Biegemodus keine Wirkung, da es sich an einem Nullknoten einer möglichen Coriolis-Reaktion durch den Ausgleichsstab befindet. Der Ausgleichsstab ist jedoch bei seiner zweiten Biegemodus-Frequenz, die erheblich höher als seine erste Biegemodus-Antriebsfrequenz ist, schwingungsmäßig inaktiv.
LÖSUNG
Die vorgenannten und sonstigen Probleme werden gelöst und ein Fortschritt auf dem Gebiet wird erzielt durch die vorliegende Erfindung, nach der ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser, der einen Ausgleichsstab mit einer Phasenverschiebung an dessen Geschwindigkeitssensoren aufweist, die zu dem Materialdurchsatz proportional ist, bereitgestellt werden. Des Weiteren ändert sich die Ausgleichsstabsempfindlichkeit gegenüber Materialdurchflussänderungen mit der Materialdichte auf eine solche Weise, dass die Änderung des Durchflussmessers bei der Empfindlichkeit aufgehoben wird. Zum Beispiel wird, da der Durchflussmesser nach dem Stand der Technik auf Grund von Amplitudenverhältnisänderung bei steigender Materialdichte an Empfindlichkeit gegenüber Durchfluss abnimmt, der Ausgleichsstab empfindlicher für Coriolis-Oszillationen der Durchflussröhre bei einer genau ausgleichenden Rate, so dass das Nettoergebnis ein Durchflussmesser ist, der Materialdichte gegenüber unempfindlich ist.
Sowohl bei der vorliegenden Erfindung als auch bei Einröhren-Coriolis-Durchflussmessern nach dem Stand der Technik wird der Ausgleichsstab in Bezug auf die Durchflussröhre in dem ersten Biegemodus phasenversetzt angetrieben. Die Antriebsfrequenz ist typischerweise die Resonanzfrequenz sowohl von dem Ausgleichsstab als auch von der mit Material gefüllten Durchflussröhre in dem ersten Biegemodus von beiden. Bei Einröhren-Coriolis-Durchflussmessern nach dem Stand der Technik fehlt dem Ausgleichsstab eine signifikante Reaktion auf die Coriolis-Kräfte und Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Ausgleichsstab so konstruiert, dass er auf die Coriolis-Kräfte an der Durchflussröhre durch Biegen in seinem zweiten Biegemodus reagiert.
Bei Materialdurchfluss biegt sich die schwingende Durchflussröhre in Reaktion auf die ausgeübten Coriolis-Kräfte durch. Die Antriebsschwingungen der Durchflussröhre sind im Wesentlichen in der Amplitude größer als die Coriolis-Durchbiegungen, da die Antriebsschwingungen bei der Resonanzfrequenz der mit Material gefüllten Durchflussröhre auftreten, während die Coriolis-Durchbiegungen bei einer Frequenz liegen, die weit von der Resonanzfrequenz der Durchflussröhre für die Coriolis-Durchbiegungsmodusform entfernt ist. Die Coriolis-Kräfte werden durch das durchfließende Material mit derselben Frequenz wie die Antriebsschwingungen auf die Durchflussröhre ausgeübt. Die durch Coriolis-Kraft ausgelöste Durchbiegung der Durchflussröhre besitzt jedoch dieselbe Form wie der zweite Biegemodus. Die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz der Durchflussröhre ist viel höher als die Frequenz der Ausübung der Coriolis-Kraft (die An triebsfrequenz). Somit sind, da die durch Coriolis-Kraft ausgelösten Durchbiegungen bei einer Frequenz liegen, die weit von der Resonanzfrequenz ihrer Modusform (dem zweiten Biegen) entfernt ist, die durch Coriolis ausgelösten Durchbiegungen in der Durchflussröhre sehr viel kleiner als die durch die Antriebseinrichtung ausgelösten (erster Biegemodus) Durchbiegungen. Die kleinen Coriolis-Durchbiegungen in dem zweiten Biegemodus der Durchflussröhre erzeugen die Phasenverzögerung zwischen den beiden Geschwindigkeitssensorsignalen in Reaktion auf Materialdurchfluss.
Der Ausgleichsstab der vorliegenden Erfindung ist an seinen Enden durch Verbindungsstäbe, die die Schwingungskräfte der Durchflussröhre auf den Ausgleichsstab übertragen, mit der Durchflussröhre verbunden. Bei Messern nach dem Stand der Technik hat der Ausgleichsstab, wie die Durchflussröhre, eine zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz, die viel größer ist als der erste Biege- oder Antriebsmodus. Da die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sehr klein sind und bei einer Frequenz auftreten, die weit von der zweiten Biegeresonanzfrequenz des Ausgleichsstabes entfernt ist, haben die durch Verbindungsstäbe auf den Ausgleichsstab übertragenen Kräfte keine signifikante Anregung des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes zur Folge. Somit weist die Durchflussröhre bei Messern nach dem Stand der Technik nur geringe Reaktion auf die Coriolis-Kräfte auf und der Ausgleichsstab weist gar keine auf.
Die vorliegende Erfindung umfasst das Verschieben der Frequenzfolge der verschiedenen Modusformen des Ausgleichsstabes. Dies kann verwirrend sein. Schwingungsmodi werden nach ihren Formen definiert, nicht nach ihrer Frequenzfolge. Eine nützliche Regel besteht darin, dass die Moduszahl der Anzahl von Knoten minus eins entspricht. Der erste Modus besitzt zwei Knoten (an den Enden). Der Zweite besitzt drei (an den Enden und in der Mitte). Der dritte Biegemodus besitzt vier Knoten usw.
Nach dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird die zweite Biegemodus-Frequenz des Ausgleichsstabes verringert, so dass sie in der Nähe des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz) sowohl der Durchflussröhre als auch des Ausgleichsstabes liegt. Der erste Biegemodus (Antriebsmodus), der sowohl bei der Durchflussröhre als auch bei dem Ausgleichsstab eine große Schwingungsamplitude aufweist, schafft es auf Grund des Unterschieds bei den Modusformen nicht, den Ausgleichsstab in dem zweiten Biegemodus anzuregen. Im ersten Biegemodus stellt sich die durchge bogene Form des Ausgleichsstabes (und der Durchflussröhre) so dar, dass die Enden keine Verschiebung aufweisen, während die Länge zwischen den Enden zunehmende Verschiebung aufweisen, wobei die maximale Verschiebung in der Mitte auftritt. In dem zweiten Biegemodus weisen die Enden und die Mitte keine Verschiebung auf, wobei die maximalen Verschiebungen ungefähr an den Längenpunkten ein Viertel und drei Viertel auftreten. Das Vorzeichen der Verschiebung ändert sich jedoch an dem Mittelpunkt, so dass eine Hälfte des Ausgleichsstabes (oder der Durchflussröhre) positive Verschiebung aufweist, während die andere Hälfte negative Verschiebung aufweist. Das Ergebnis der Differenz bei den Modusformen besteht darin, dass, während die Schwingung des ersten Biegemodus Energie in eine Hälfte des Ausgleichsstabes in dem zweiten Biegemodus hineinbringt, sie eine gleiche Energiemenge aus der anderen Hälfte des Ausgleichsstabes abzieht. Daher besteht der Nettoeffekt darin, dass der zweite Biegemodus nicht durch Schwingung in dem ersten Biegemodus angeregt wird, auch wenn die Resonanzfrequenzen in der Nähe liegen könnten.
Die Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre besitzt insofern dieselbe Form wie der zweite Biegemodus, als die Verschiebung der Durchflussröhre ein entgegengesetztes Vorzeichen auf jeder Seite des Durchflussröhrenmittelpunkts aufweist. Somit ist die Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre in der Lage, den zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes über die Kräfte, die durch die Verbindungsstäbe übertragen werden, anzuregen. Bei der vorliegenden Erfindung wird die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes eng an die Antriebsfrequenz gebracht. Die Anregung des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes durch die Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre wird ausreichend, um bei dem Ausgleichsstab signifikante Phasenverzögerung an dessen Geschwindigkeitssensorpositionen zu verursachen. Diese Phasenverzögerung zwischen den Ausgleichsstabpositionen trägt zu der Phasenverzögerung zwischen den entsprechenden Durchflussröhrenpositionen bei und ändert die Durchflussempfindlichkeit. Diese Änderung der Empfindlichkeit wird dazu verwendet, die Wirkung von Änderungen der Materialdichte auf die Durchflussempfindlichkeit des Messers zu verringern.
Nach einer ersten Ausführung der Erfindung liegt die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes unter der Antriebsfrequenz der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes. Es ist wohlbekannt, dass sich, wenn eine Resonanzfrequenz eines mechanischen Oszillators unter der Anregungsfrequenz liegt, der Oszillator gegenüber der Anregungsverschiebung in der Phase verschiebt. Als Folge nimmt der Ausgleichsstab eine Durchbiegung an, die zu der durch Coriolis ausgelösten Durchbiegung der Durchflussröhre phasenversetzt ist. Da die Anregungsquelle des Ausgleichsstabes für dessen zweiten Biegemodus die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind, steigt die Schwingungsamplitude der zweiten Biegemodus-Durchbiegungen des Ausgleichsstabes mit zunehmender Coriolis-Kraft an der Durchflussröhre. Diese phasenversetzten Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre und die zweiten Biegemodus-Durchbiegungen des Ausgleichsstabes sind additiv und ermöglichen das Verbinden eines Geschwindigkeitssensors mit der Durchflussröhre und dem Ausgleichsstab, um Ausgangssignale erhöhter Phasenverzögerung (Empfindlichkeit) im Vergleich zu der von Einröhren-Coriolis-Durchflussmessern nach dem Stand der Technik zu erzeugen.
Die Anregung des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes durch die Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre ist eine Funktion des Abstandes zwischen der Anregungsfrequenz (Antriebsfrequenz) und der Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes in seinem zweiten Biegemodus. Ein kleiner Frequenzabstand führt zu einer größeren zweiten Ausgleichstabbiegeschwingungsamplitude für einen gegebenen Durchsatz als bei einem größeren Frequenzabstand. Die Antriebsfrequenz ändert sich mit Änderungen der Materialdichte, da die Durchflussröhre das durchfließende Material enthält, während die zweite Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes relativ konstant bleibt. Somit ändert sich der Abstand zwischen der Antriebsfrequenz und der zweiten Ausgleichsstab-Resonanzfrequenz mit der Materialdichte und führt dazu, dass sich die Empfindlichkeit des Ausgleichsstabes gegenüber den Coriolis-Oszillationen der Durchflussröhre mit der Materialdichte ändert. Wenn die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes unter der Antriebsfrequenz liegt, führt steigende Materialdichte, dazu, dass die Antriebsfrequenz abnimmt und der Frequenzabstand abnimmt, was einen Anstieg der Empfindlichkeit des Ausgleichsstabes gegenüber dem Materialdurchfluss zur Folge hat. Durch korrektes Bemessen des Frequenzabstandes kann der Anstieg der Empfindlichkeit des Ausgleichsstabes mit der Materialdichte präzise der Abnahme der Empfindlichkeit des Messers auf Grund der Antriebsmodus-Schwingungsverhältnisänderung entgegenwirken.
Die Verringerung der zweiten Biegemodus-Frequenz des Ausgleichsstabes unter die Antriebsfrequenz wird durch eine physikalische Neukonstruktion des Ausgleichsstabes erreicht, die eine Neuverteilung seiner Masse und Steifigkeit umfasst. Masse wird von dem Mittelteil des Ausgleichsstabes entfernt, was dazu neigt, die Antriebsfrequenz zu erhöhen, während es nur geringe Auswirkung auf die zweite Biegemodusfrequenz hat. Das Entfernen von Masse hat nur geringe Auswirkung auf die zweite Biegemodus-Frequenz, da der zweite Biegemodus nahe der Mitte eine kleine Amplitude aufweist. Masse wird dann zu dem Ausgleichsstab nahe den Geschwindigkeitssensorpositionen hinzugefügt. Dies verringert die zweite Biegemodus-Frequenz stärker als die Antriebsfrequenz, da diese die Positionen sind, an denen die zweite Biegemodus-Schwingungsamplitude am größten ist.
Die Ausgleichsstabssteifigkeit wird dadurch modifiziert, indem sie in den Bereichen starken Biegens in dem zweiten Biegemodus in starkem Maße erweicht wird. Diese Positionen befinden sich geringfügig in Richtung der Mitte von den Geschwindigkeitssensorpositionen aus. Das Entfernen von Steifigkeit in diesen Bereichen verringert in starkem Maße die zweite Biegemodus-Frequenz, während es nur geringe Wirkung auf die Antriebsfrequenz hat, da es in dem Antriebsmodus nur geringes Biegen in diesen Bereichen gibt. Zuletzt wird die Steifigkeit in dem Mittelabschnitt des Ausgleichsstabes zwischen den weichen Bereichen erhöht, um die Antriebsfrequenz weiter zu erhöhen, wobei dies nur geringe Wirkung auf die zweite Biegefrequenz hat.
Diese physikalischen Modifizierungen des Ausgleichsstabes können gemeinsam mit den nachfolgend beschriebenen Änderungen seine zweite Biegemodus-Frequenz so verringern, dass sie niedriger ist als seine erste Biegemodus-Frequenz (Antriebsfrequenz). Wenn dies erreicht wird, werden die Coriolis-Schwingungen der Durchflussröhre von der Durchflussröhre durch die Verbindungsstäbe auf die Enden des Ausgleichsstabes übertragen. Dies löst die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab aus, die zu den Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre phasenversetzt sind. Diese Durchbiegungen werden als „coriolisartig" bezeichnet, denn sie nehmen eine Modusform an, die der einer Durchflussröhre ähnelt, wenn sie durch Coriolis-Kraft durchgebogen wird. Die Durchflussröhre und der Ausgleichsstab der vorliegenden Erfindung arbeiten somit als Doppelröhren-Coriolis-Durchflussmesser, bei dem jeder der Durchflussröhren eine Coriolis-Schwingungsreaktion annimmt, die in Bezug auf die andere Durchflussröhre pha senversetzt ist. Das Ergebnis besteht darin, dass der Einröhrenmesser der vorliegenden Erfindung die Durchflussempfindlichkeit eines Doppelröhrenmessers haben kann. Darüber hinaus besitzt, da der Änderung der Empfindlichkeit auf Grund der wechselnden Materialdichte durch eine Änderung der Empfindlichkeit des Ausgleichsstabes entgegengewirkt wird, der Einröhrenmesser der vorliegenden Erfindung eine Durchflussempfindlichkeit, die konstant und von Materialdichte unabhängig ist.
Die Phase der zweiten Biegemodus-Schwingung des Ausgleichsstabes in Bezug auf die Phase der Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre hängt von dem Verhältnis der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes zu der ersten Biegemodus-Frequenz (Antriebsfrequenz) bei der vorliegenden Erfindung ab. Die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz kann entweder geringer oder größer als die erste Biegemodus-Frequenz (Antriebsfrequenz) sein. Wenn die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz höher ist als die Antriebsfrequenz, schwingt der zweite Biegemodus des Ausgleichsstabes phasengleich zu der durch Coriolis ausgelösten Schwingung der Durchflussröhre. Dies neigt dazu, die Sensorphasenverschiebung und die Durchflussmesserempfindlichkeit zu verringern, kann jedoch immer noch dazu verwendet werden, den Messer gegenüber Änderungen bei der Materialdichte unempfindlich zu machen.
Die Durchflussmesserempfindlichkeit wird verringert, wenn die zweite Biegemodus-Frequenz über der ersten Biegemodus-Antriebsfrequenz liegt. Der Grund dafür besteht darin, dass die Coriolis-Schwingung der Durchflussröhre und die zweite Biegemodus-Schwingung des Ausgleichsstabes phasengleich sind. Die Geschwindigkeitssensoren tasten die relative Geschwindigkeit zwischen der Durchflussröhre und dem Ausgleichsstab ab, was bedeutet, dass phasengleiche Bewegungen dazu neigen, einander zu negieren. Dies kann jedoch immer noch eine nützliche Ausführung sein, um einen Messer mit einer Durchflussempfindlichkeit herzustellen, die von Änderungen der Materialdichte unabhängig ist. Wenn die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes über der Antriebsfrequenz liegt, verringert eine zunehmende Materialdichte die Antriebsfrequenz und erhöht die Beabstandung zwischen den beiden Frequenzen. Dies verringert die Reaktion des Ausgleichsstabes auf die Coriolis-Kräfte. Da aber die phasengleiche Reaktion des Ausgleichsstabes die Coriolis-Reaktion der Durchflussröhre negiert (davon subtrahiert wird), führt die verringerte Reaktion des Ausgleichsstabes zu einer erhöhten Durchflussempfindlichkeit des Messers. Diese erhöhte Durchflussempfindlich keit bei steigender Materialdichte ist erneut in der Lage, die Abnahme der Durchflussempfindlichkeit, die durch die Änderung des Schwingungsamplitudenverhältnisses zwischen Durchflussröhre und Ausgleichsstab verursacht wird, aufzuheben. Wie bei der anderen Ausführung ist es, damit die Änderung des Ausgleichsstabes bei der Durchflussempfindlichkeit die durch das Antriebsmodus-Schwingungsamplitudenverhältnis verursachte Änderung der Empfindlichkeit aufheben kann, notwendig, über den korrekten Frequenzabstand zwischen den beiden Modi zu verfügen. Wie dieser korrekte Abstand bestimmt wird, wird später besprochen.
EP 0 831 306A1 beschreibt einen Coriolis-Durchflussmesser, der in manchen Beziehungen dem der vorliegenden Anmeldung ähnlich ist. 1 zeigt die Anordnung mit einem konzentrischen Ausgleichsstab und 6 die mit einem parallel angebrachten Ausgleichsstab. In beiden Fällen besitzt der Ausgleichsstab ein mittig angebrachtes Gewicht zum Ausgleichen der natürlichen Frequenzen der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes. Es gibt keinen spezifischen Hinweis, dass ein solcher Aufbau eine signifikante Übertragungsverbindung von Schwingung von der Coriolis-Durchflussröhre über die Verbindungsstäbe zu dem Ausgleichsstab ist, um Schwingungen in dem Ausgleichsstab auszulösen. Die vorliegende Erfindung stellt einen verbesserten Messer mit gesteigerter Empfindlichkeit bereit. Dies wird mit zwei Hauptausführungen erreicht, die beide die Verwendung eines Ausgleichsstabes mit ungleichmäßiger Massen- und Steifigkeitsverteilung über seine Länge umfassen. Bei der Ausführung von 7 stellt sich die Anordnung so dar, dass die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes unter der der Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt, während bei der Ausführung von 8 die Ausgleichsstabfrequenz über der der Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt. Dies hat eine Wirkung auf die Coriolis-Schwingungen der Durchflussröhre.
Zusammenfassend umfassen das Verfahren und die Vorrichtung des Coriolis-Durchflussmessers der vorliegenden Erfindung einen Ausgleichsstab, dessen physikalische Eigenschaften es ihm ermöglichen, eine zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz zu besitzen, die in der Nähe seiner ersten Biegemodus-Frequenz (Antriebsfrequenz) liegt. Dies lässt den Ausgleichsstab auf die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre reagieren, indem er eigene coriolisartige Durchbiegungen erzeugt. Wenn die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes unter der Antriebsfrequenz liegt, sind seine durch Coriolis-Kraft ausgelösten Schwingungen zu den Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre phasenversetzt. Dies erhöht die Messerempfindlichkeit und erzeugt einen Durchflussmesser mit einer Empfindlichkeit auf Durchfluss, die unabhängig von Änderungen der Materialdichte ist. Wenn die zweite Biegemodus-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes über der Antriebsfrequenz liegt, sind seine durch Coriolis-Kraft ausgelösten Schwingungen zu den Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre phasengleich. Dies senkt die Empfindlichkeit des Messers, kann aber auch einen Durchflussmesser mit einer Empfindlichkeit auf Durchfluss, die unabhängig von Änderungen der Materialdichte ist, erzeugen.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Durchflussmessers mit einer Durchflussröhre und einem Ausgleichsstab, der im Wesentlichen parallel zu der Durchflussröhre ausgerichtet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Leiten von Material durch die Durchflussröhre;
Versetzen der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes in Schwingung bei einer Antriebsmodus-Frequenz, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes und der Durchflussröhre bei Materialdurchfluss entspricht, wobei periodische Coriolis-Durchbiegungen bei der Antriebsmodus-Frequenz in der schwingenden Durchflussröhre auf Grund des Durchflusses von Material durch die schwingende Durchflussröhre ausgelöst werden und die periodischen Coriolis-Durchbiegungen durch Durchbiegungsbereiche sowie durch Knoten ohne Durchbiegung gekennzeichnet sind;
wobei die Antriebsmodus-Frequenz von der Dichte des Materialdurchflusses abhängt und sich umgekehrt zu einer Änderung der Dichte des Materialdurchflusses ändert;
Erfassen der relativen Geschwindigkeit der Durchflussröhre in Bezug auf den Ausgleichsstab, um Signale zu erzeugen, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, und Herleiten von Informationen bezüglich des durchfließenden Materials in Reaktion auf die Erzeugung der Signale, wobei die Signale eine Amplitude haben, die sich mit der Dichte ändert;
dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsstab eine ungleichmäßige Massen- und Steifigkeitsverteilung über seine Länge hat, so dass die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes in einem Schwingungsmodus, der die gleiche Anzahl von Knoten hat wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre, nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt;
coriolisartige Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab bei der Antriebsmodus-Frequenz in Reaktion auf die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre ausgelöst werden, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes die gleiche Anzahl von Knoten wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre haben und einen coriolisartigen Schwingungsmodus darstellen, bei dem die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Amplitude proportional zur Größe der periodischen Coriolis-Kräfte an der schwingenden Durchflussröhre bei Materialdurchfluss haben; und die erzeugten Signale, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, in Bezug auf die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes erzeugt werden, und die coriolisartigen Durchbiegungen so die Amplitude der Signale ändern;
die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Schwingungsamplitude haben, die eine Funktion der Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sowie der Differenz zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes ist;
eine Änderung der Antriebsmodus-Frequenz eine Änderung des Frequenzabstandes zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus verursacht;
eine Änderung des Frequenzabstandes die Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen ändert; und
eine Änderung der Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen mit der Dichte die Änderung der Amplitude der Coriolis-Durchbiegungen mit der Dichte negiert und zu einer Durchflussempfindlichkeitsgröße führt, die unabhängig von Änderungen der Dichte des durchfließenden Materials ist.
Ein anderer Aspekt umfasst das Betreiben des Durchflussmessers so, dass er auf eine Änderung der Dichte des Materialdurchflusses so anspricht, dass das Verhältnis zwischen der Antriebsmodus-Schwingungsamplitude der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes verändert wird, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer ersten Richtung zu ändern, und des Weiteren das Verhältnis zwischen der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude der Durchflussröhre und der coriolisartigen Durchbiegungs-Amplitude des Ausgleichsstabes verändert, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu ändern;
wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers erreicht wird, die im Wesentlichen unabhängig von Änderungen der Dichte des Materialdurchflusses ist.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Schwingungsamplitude haben, die sich umgekehrt zu der Größe des Abstandes der Antriebsmodus-Frequenz zu der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes ändert, und das Verfahren des Weiteren einschließt:
Verändern der Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer ersten Richtung in Reaktion auf eine Änderung des Verhältnisses der Antriebsmodus-Schwingungs-Amplitude der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes, die aus der Änderung der Dichte des Materialdurchflusses resultiert;
Verändern des Verhältnisses zwischen der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude des Durchflussmessers und der Amplitude der coriolisartigen Durchbiegung des Ausgleichsstabes in Reaktion auf die Änderung der Antriebsmodus-Frequenz, die aus der Änderung der Dichte des Materialdurchflusses resultiert, um die Durchflussempfindlichkeits größe des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu verändern;
wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine im Wesentlichen konstante Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers über einen Bereich von Dichten des Materialdurchflusses erreicht wird.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Auslösens von coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab, wobei der coriolisartige Schwingungsmodus eine Resonanzfrequenz hat, die geringer ist als die Antriebsfrequenz, und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasenversetzt zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Auslösens von coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab, wobei der coriolisartige Schwingungsmodus eine Resonanzfrequenz hat, die größer ist als die Antriebsfrequenz, und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasengleich zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab ausgelöst werden, indem:
Enden der Durchflussröhre in Reaktion auf die periodischen Coriolis-Durchbiegungen gebogen werden, um ein erstes Ende einer Verbindungsstabeinrichtung zu biegen; und
ein zweites Ende der Verbindungsstabeinrichtung in Reaktion auf Biegen des ersten Endes gebogen wird, um die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab auszulösen.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Übertragens der effektiven Federkonstante des Ausgleichsstabes von dem Ausgleichsstab auf die Verbindungsstabeinrichtung, um die Resonanzfrequenz eines zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes zu verringern.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Verringerns der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes durch Verringern der effektiven Federkonstante des Ausgleichsstabes.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Verringerns der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes durch Schaffung wenigstens eines flexiblen Teils des Ausgleichsstabes zusammen mit der Schaffung vergrößerter Masse an wenigstens einem anderen Teil des Ausgleichsstabes sowie der Schaffung eines Hohlraums in wenigstens einem Teil des Ausgleichsstabes.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Verringerns der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes durch die Schaffung flexibler Teile des Ausgleichsstabes an Positionen starken Biegemoments des Ausgleichsstabes für die coriolisartigen Durchbiegungen.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Haltens der Endknoten der schwingenden Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes in Verbindungsstabeinrichtungen, die die Durchflussröhre und den Ausgleichsstab verbinden.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass der Schritt des Haltens die Schaffung steifer Abschnitte des Ausgleichsstabes und flexibler Abschnitte des Ausgleichsstabes, die keinen steifen Abschnitt umfassen, umfasst.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass der Antriebsmodus einen ersten Biegemodus umfasst und wobei die coriolisartigen Durchbiegungen den zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes umfassen.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Verringerns der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes durch die Schaffung eines Mittelteils des Ausgleichsstabes und eines flexiblen Teils an jeder Seite des Mittelteils des Ausgleichsstabes zusammen mit der Schaffung einer vergrößerten Masse an jeder Seite des Mittelteils.
Ein anderer Aspekt umfasst den Schritt des Verringerns der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes durch die Schaffung flexibler Teile des Ausgleichsstabes an Positionen starken Biegemoments des Ausgleichsstabes und vergrößerter Masse an Positionen starker Schwingungsamplitude in dem zweiten Biegemodus.
Ein anderer Aspekt umfasst einen Coriolis-Durchflussmesser mit einer Durchflussröhre, die so eingerichtet ist, dass sie einen Materialdurchfluss aufnimmt, einem Ausgleichsstab, der im Wesentlichen parallel zu der Durchflussröhre ausgerichtet ist, und Verbindungsstabeinrichtungen, die die Durchflussröhre mit dem Ausgleichsstab verbinden, wobei der Coriolis-Durchflussmesser des Weiteren umfasst:
eine Antriebseinrichtung, die so angeordnet ist, dass sie die Durchflussröhre und den Ausgleichsstab in einem Antriebsmodus mit einer Frequenz, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der mit Material gefüllten Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes entspricht, in Phasenopposition in Schwingung versetzt, so dass periodische Coriolis-Durchbiegungen bei der Antriebsfrequenz in der schwingenden Durchflussröhre ausgelöst werden, wenn Material durch sie fließt, wobei die periodischen Coriolis-Durchbiegungen durch Durchbiegungsbereiche sowie durch Knoten ohne Durchbiegung gekennzeichnet sind;
wobei die Antriebsmodus-Frequenz von der Dichte des Materialdurchflusses abhängt und sich umgekehrt zu einer Änderung der Dichte des Materialdurchflusses ändert;
Einrichtungen zum Erfassen der Geschwindigkeit der Durchflussröhre in Bezug auf den Ausgleichsstab, um Signale zu erzeugen, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, wobei die Signale eine Amplitude haben, die sich mit der Dichte ändert;
eine Einrichtung zum Herleiten von Materialdurchfluss-Informationen in Reaktion auf Erzeugung der Signale;
dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsstab einen Aufbau hat, der eine ungleichmäßige Massen- und Steifigkeitsverteilung über die Länge des Ausgleichsstabes schafft, so dass die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes in einem Schwingungsmo dus mit der gleichen Anzahl von Knoten wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt, wobei coriolisartige Durchbiegungen in Reaktion auf die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre in dem Ausgleichsstab bei der Antriebsmodus-Frequenz coriolisartig sind und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes die gleiche Anzahl von Knoten wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre haben und einen coriolisartigen Schwingungsmodus da stellen, bei dem die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Amplitude haben, die proportional zu der Größe periodischer Coriolis-Kräfte der schwingenden Durchflussröhre bei Materialdurchfluss ist;
die coriolisartigen Durchbiegungen einen coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes definieren, der eine Resonanzfrequenz hat, die nahe genug an der Antriebsmodus-Frequenz liegt, ihr jedoch nicht entspricht, um die Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen in Reaktion auf eine Änderung der Antriebsmodus-Frequenz zu ändern, so dass die coriolisartigen Durchbiegungen die Amplitude der Signale verändern;
die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Schwingungsamplitude haben, die eine Funktion der Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre sowie der Differenz zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes ist;
die Signalerzeugungseinrichtungen die Signale, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, in Bezug auf die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes erzeugen und so die Amplitude der erzeugten Signale verändern;
wobei eine Änderung der Antriebsmodus-Frequenz eine Änderung des Frequenzabstandes zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz de coriolisartigen Schwingungsmodus verursacht;
eine Änderung des Frequenzabstandes die Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen ändert; und
eine Änderung der Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen mit der Dichte die Änderung der Amplitude der Coriolis-Durchbiegungen mit der Dichte negiert und zu einer Durchflussempfindlichkeitsgröße führt, die unabhängig von Änderungen der Dichte des durchfließenden Materials ist.
Ein anderer Aspekt umfasst Einrichtungen, mit denen der Durchflussmesser so betrieben wird, dass er auf eine Änderung der Dichte des Materialdurchflusses so anspricht, dass das Verhältnis zwischen der Antriebsmodus-Schwingungsamplitude der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes verändert wird, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer ersten Richtung zu ändern;
Einrichtungen, die auf eine Änderung der Antriebsmodus-Frequenz, die aus der Änderung der Dichte des Materialdurchflusses resultiert, ansprechen, und das Verhältnis zwischen der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude der Durchflussröhre und der coriolisartigen Durchbiegungs-Amplitude des Ausgleichsstabes verändern, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu ändern;
wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine im Wesentlichen konstante Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers erreicht wird, die im Wesentlichen unabhängig von Änderungen der Dichte des Materialdurchflusses ist.
Ein anderer Aspekt umfasst eine Einrichtung, die auf eine Änderung der Dichte des Materialdurchflusses anspricht und die strömungsabhängige Größe des Durchflussmessers in einer ersten Richtung in Reaktion auf eine Änderung des Antriebsmodus-Schwingungsamplituden-Verhältnisses der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes verändert;
eine Einrichtung, die auf eine Änderung der Dichte anspricht und die Antriebsmodus-Frequenz verändert;
eine Einrichtung, die die strömungsabhängige Größe des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung in Reaktion auf eine Änderung des Verhältnisses der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude der Durchflussröhre zu der coriolisartigen Durchbiegungs-Amplitude des Ausgleichsstabes, die aus einer Änderung der Antriebsmodus-Frequenz resultiert, verändert;
wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße in der ersten und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine im Wesentlichen konstante Materialdurchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers erreicht wird.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die Einrichtung, die den Ausgleichsstab in Schwingung versetzt, eine Einrichtung enthält, die die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab bei der Antriebsfrequenz auslöst, wobei die Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus größer ist als die Antriebsmodus-Frequenz und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasengleich zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die Einrichtung, die die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab auslöst, Kräfte, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen anzeigen, von der wenigstens einen Durchflussröhre über den Verbindungsstab auf den Ausgleichsstab ausdehnt, um die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab auszulösen.
Ein anderer Aspekt umfasst Einrichtungen, die die Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes auf einen Wert unter dem der Antriebsmodus-Frequenz verringern, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasenversetzt zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die Einrichtungen zum Verringern zusätzliche Masse in dem Ausgleichsstab in Bereichen starker Schwingungsamplitude in dem coriolisartigen Schwingungsmodus umfassen und flexible Teile des Ausgleichsstabes an Positionen starken Biegemoments in dem coriolisartigen Schwingungsmodus umfassen.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass der Antriebsmodus einen ersten Biegemodus umfasst und wobei der coriolisartige Schwingungsmodus einen zweiten Biegemodus umfasst.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die Einrichtungen zum Verringern des Weiteren einen starren Mittelteil des Ausgleichsstabes und eine zusätzliche Masse an jeder Seite des starren Mittelteils umfassen und wobei die Einrichtungen zum Verringern des Weiteren flexible Teile des Ausgleichsstabes an Positionen auf beiden Seiten des starren Mittelteils umfassen.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die Einrichtungen zum Verringern des Weiteren einen Hohlraum in dem Mittelteil zum Erhöhen der Antriebsfrequenz umfassen.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass der flexible Teil Bälge umfasst.
Ein anderer Aspekt umfasst Einrichtungen zum Reduzieren der effektiven Federkonstante des Ausgleichsstabes, um die Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes zu reduzieren.
Ein anderer Aspekt umfasst Einrichtungen zum Konzentrieren der effektiven Federkonstante der wenigstens einen Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes in dem Verbindungsstab.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die Einrichtungen zum Konzentrieren steife Elemente an dem Ausgleichsstab und flexible Elemente umfassen, die jeden Teil des Ausgleichsstabes umfassen, der kein steifes Element umfasst.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass der Endknoten der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes in dem Verbindungsstab gehalten wird.
Ein anderer Aspekt umfasst eine im Wesentlichen gerade Durchflussröhre und einen im Wesentlichen geraden Ausgleichsstab.
Ein anderer Aspekt umfasst eine Durchflussröhre mit einem gekrümmten Teil und einen Ausgleichsstab mit einem gekrümmten Teil.
Ein anderer Aspekt besteht darin, dass die coriolisartigen Durchbiegungen den zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes umfassen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorgenannten und andere Vorteile der Merkmale der Erfindung werden besser verständlich, wenn die folgende ausführliche Beschreibung davon in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird, bei denen:
1 ein Vektordiagramm eines Einröhren-Coriolis-Durchflussmessers nach dem Stand der Technik ist.
2 eine drehende Durchflussröhre offenbart.
3 eine schwingende Durchflussröhre offenbart.
4 die Coriolis-Kräfte offenbart, die auf die Durchflussröhre von 3 ausgeübt werden.
5 die Coriolis-Reaktion der Durchflussröhre von 3 offenbart.
6 einen Coriolis-Durchflussmesser mit gerader Röhre nach dem Stand der Technik offenbart.
7 und 8 die Coriolis-Schwingungskennlinien eines Einröhren-Coriolis-Durchflussmessers der vorliegenden Erfindung offenbaren.
9 und 10 Frequenzreaktionskurven des Durchflussmessers der vorliegenden Erfindung offenbaren.
11 und 12 Vektordiagramme des Einröhren-Coriolis-Durchflussmessers der vorliegenden Erfindung sind.
13 die Modusform und Biegemomente des ersten Biegemodus des Ausgleichsstabes der vorliegenden Erfindung offenbart.
14 die Modusform und Biegemomente des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes der vorliegenden Erfindung offenbart.
15 eine Ausführung der vorliegenden Erfindung offenbart.
16 und 17 die Schwingungsreaktionskennlinien des Coriolis-Durchflussmessers von 15 offenbaren.
18 eine alternative Ausführung des Coriolis-Durchflussmessers der vorliegenden Erfindung offenbart.
19, 20 und 21 die Schwingungskennlinien eines gedachten Coriolis-Durchflussmessers mit gerader Röhre offenbaren.
22, 23 und 24 Schwingungskennlinien eines möglichen Coriolis-Durchflussmessers mit gerader Röhre der vorliegenden Erfindung offenbaren.
25 eine alternative Ausführung eines Coriolis-Durchflussmessers mit gerader Röhre der vorliegenden Erfindung offenbart.
26 einen Coriolis-Durchflussmesser offenbart, der die vorliegende Erfindung umfasst und eine gekrümmte Durchflussröhre und einen umgebenden Ausgleichsstab aufweist.
27 und 28 Vektordiagramme sind, die den Betrieb eines Durchflussmessers nach dem Stand der Technik für unterschiedliche Materialdichten darstellen.
29 und 30 das Verhältnis zwischen der zweiten Schwingungsamplitude des Ausgleichsstabes und der Coriolis-Amplitude der Durchflussröhre in Bezug auf unterschiedliche Antriebsfrequenzen darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung überwinden das Problem von Änderungen bei der Durchflussempfindlichkeit auf Grund von Änderungen bei der Materialdichte in Einröhren-Durchflussmessern durch Bereitstellen eines Ausgleichsstabes, der aktiv auf die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre reagiert. Die Ausgleichsstabsreaktion schwankt mit den Änderungen bei der Materialdichte so, dass sie der Änderung der Empfindlichkeit von früheren Einröhren-Messern mit der Dichte entgegenwirkt. Um zu verstehen, wie dies erfolgt, muss man die Art der Coriolis-Kraft an der Durchflussröhre und die Verwindung, die dies in der Durchflussröhre erzeugt, verstehen und verstehen, wie die Verwindung zu Phasenverschiebung entlang der Durchflussröhre führt.
1 wird später beschrieben und ist ein Vektordiagramm der Schwingungsgeschwindigkeiten des Durchflussmessers von 6.
2 zeigt eine Röhre (202), durch die Material fließt, während sie sich gegen den Uhrzeigersinn um ihr Ende (201) dreht. Die Coriolis-Kraft pro Einheitslänge der Röhre (202) kann aus der Gleichung für Coriolis-Beschleunigung A_c und dem Newtonschen Gesetz hergeleitet werden.
Coriolis-Beschleunigung kann ausgedrückt werden als: Ac = 2(ω × ν)ω = Winkelgeschwindigkeit
ν = Materialgeschwindigkeit
Coriolis-Kraft F_c kann ausgedrückt werden als: Fc = MAc = 2M(ω × ν)M = Materialmasse
da Material M = ρAtlρ = Materialdichte
A_t = Röhrendurchflussquerschnitt
l = Röhrenlänge Fc = 2ρAtl(ω × ν)
aber: ρAt ν = M .M . = Massendurchsatz
Die Coriolis-Kraft F_c ist über die Länge der Röhre (202) gleichmäßig, da jeder Teil der Röhre (200) mit derselben Rate dreht und der Massendurchsatz über die gesamte Durchflussröhre derselbe ist.
3 zeigt eine gerade Durchflussröhre (300), die frei um jedes Ende (301 und 302) schwenkt, aber bei Translation an den Enden (301 und 302) fixiert ist. Die Durchflussröhre (300) wird durch die Antriebseinrichtung (D) in dem ersten Biegemodus bei ihrer Resonanzfrequenz, wie eine Gitarrenseite, in Schwingung versetzt, während Material durch sie hindurch fließt. Während die Durchflussröhre ihre gerade (Nullverschiebung) Position (303) nach unten durchläuft, dreht ihre linke Hälfte im Uhrzeigersinn, während ihre rechte Hälfte gegen den Uhrzeigersinn dreht. Die Drehungen nehmen bei Annäherung an die Mitte der Röhre ab. Die Mitte dreht nicht, sondern überträgt lediglich. Die räumliche Verteilung von Coriolis-Kräften auf die Durchflussröhre (300), während sie die Nullverschiebung (303) durchläuft, wird in 4 gezeigt. Die Coriolis-Kraft befindet sich in entgegengesetzten Richtungen an den beiden Hälften, da die Röhrendrehrich tungen entgegengesetzt sind. Die Coriolis-Kraft verkleinert sich in der Mitte auf null, da die Drehung der Röhre in der Mitte auf null zurückgeht.
Ein anderer großer Unterschied zwischen der schwingenden Röhre (300) von 3 und der drehenden Röhre (202) von 2 besteht darin, dass sich die schwingende Röhre (300) nicht kontinuierlich dreht, sondern anhält und die Richtung umkehrt. Bei Schwingungsrichtungsumkehr sind die Drehungen gleich null und die Coriolis-Kraft an der gesamten Durchflussröhre ist null. Das hat zur Folge, dass die Größe der Coriolis-Kräfte von 4 nach Zeit sinusförmig schwanken, wobei das Maximum auftritt, wenn die Durchflussröhrenschwingung die Nullamplitude und Höchstgeschwindigkeit durchläuft, wie in 4 gezeigt. Eine Coriolis-Kraft von null tritt an der gesamten Durchflussröhre auf, wenn die Durchflussröhre ihre maximale Schwingungsamplitude und Nullgeschwindigkeit in dem ersten Biegemodus (Antriebsmodus) erreicht. Die Frequenz der sinusförmigen Ausübung der Coriolis-Kraft auf die Durchflussröhre ist dieselbe wie die Frequenz, bei der sie in Schwingung versetzt wird; nämlich die Schwingungsfrequenz des ersten Biegemodus (Antriebsmodus) der Durchflussröhre.
Die Durchflussröhre biegt sich in Reaktion auf die periodische Coriolis-Kraft, wie in 5 gezeigt. Die durchgezogene Linie zeigt die Form (stark übertrieben), die die Röhre in Reaktion auf die Coriolis-Kraft annimmt, wenn sich die Röhre nach unten durch die Nullverschiebung in dem Antriebsmodus bewegt. Die gestrichelte Linie zeigt die Form, die die Röhre annimmt, wenn sie sich nach oben durch die Nullverschiebung in dem Antriebsmodus bewegt. Zu beachten ist, dass der einzige Punkt an der Durchflussröhre, der sich tatsächlich in diesem Moment durch Null bewegt, der Mittelpunkt der Röhre ist. Die Form von 5 ist der zweiten Biegemodus-Form ähnlich. Dies ist jedoch nur Zufall. Die Frequenz des zweiten Biegemodus der Durchflussröhre ist viel größer als die Frequenz, bei der die Coriolis-Kraft von 4 ausgeübt wird (die Frequenz des ersten Biegemodus). Da die Durchflussröhre durch Coriolis-Kräfte deutlich unter ihrer zweiten Biege-Resonanzfrequenz angeregt wird, treten diese durch Coriolis verursachte Deformation von 5 und die Coriolis-Kraft von 4 zueinander phasengleich auf. Die Durchflussröhre (300) nimmt daher die Form von 5 an, wenn sie die Nullverschiebungsachse (303) in ihrem angetriebenen Schwingungsmodus (ersten Biegemodus) kreuzt. Materialdurchfluss lässt die durch Coriolis ausgelöste Schwingung von 5 die angetriebene Schwingung von 3 überlagern. Dies wird in 6 gezeigt. Bei de Schwingungen treten bei der Antriebsfrequenz des ersten Biegemodus auf; aber sie sind zueinander um neunzig Grad phasenversetzt. Das durch Coriolis ausgelöste Verschiebungsmaximum (durchgezogene Linien) tritt auf, wenn sich der erste Biegemodus bei Nullverschiebung entlang der Achse (303) befindet. Die Coriolis-Verschiebung wird null, wenn sich der erste Biegemodus bei maximaler Verschiebung befindet (gestrichelte Linien). 6 ist insofern zu 4 analog, als sie den Zustand der Durchflussröhre darstellt, soweit Coriolis-Durchbiegungen betroffen sind, wenn die Durchflussröhre (300) die Nullachse (303) kreuzt. Zu diesem Zeitpunkt, und nur zu diesem Zeitpunkt, befinden sich die Coriolis-Kräfte und die durch Coriolis ausgelösten Durchbiegungen bei einer maximalen Amplitude. Wie bereits für 4 erläutert, nehmen die Coriolis-Kräfte ab und werden schließlich null, wenn die Durchbiegung der Durchflussröhre (300) entweder nach oben oder nach unten gerichtet ihr Maximum erreicht. Zu diesem Zeitpunkt sind die Geschwindigkeit der Durchflussröhre und ebenfalls die Coriolis-Kräfte und die resultierende Coriolis-Durchbiegung gleich null. Somit schwankt die in 5 gezeigte sinusförmige Coriolis-Reaktion sinusförmig bei der Amplitude bei der Antriebsfrequenz, wenn die Durchflussröhre (300) in ihrem ersten Biegemodus zwischen ihrer maximalen positiven und negativen Durchbiegung durch das Antriebssignal sinusförmig in Schwingung versetzt wird. Die Amplitude der in den 5 und 6 gezeigten Coriolis-Verschiebung ist zur Verdeutlichung stark übertrieben. Die Amplitude ist in Wirklichkeit viel niedriger als die Amplitude des ersten Biegemodus der Durchflussröhre (300), da der erste Biegemodus bei der Resonanzfrequenz der Durchflussröhre angetrieben wird und der Coriolis-Modus nicht. Somit sind die in sämtlichen Figuren gezeigten Coriolis-Deformationen stark übertrieben.
Die mit Materialdurchfluss verbundene Phasenverzögerung bei Messern nach dem Stand der Technik ist die Folge der Überlagerung des ersten Biegemodus (Antriebsmodus) und der Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre. In 5 ist zu erkennen, dass der rechte Geschwindigkeitssensor (SR) die Nullverschiebung vor dem linken Geschwindigkeitssensor (SL) kreuzt. Es kann gesagt werden, dass der linke Sensor und dessen Ausgangsspannung der Phase des rechten Sensors und dessen Ausgangsspannung nacheilen. Umgekehrt kann außerdem gesagt werden, dass der rechte Sensor (SR) der Phase des linken Sensors (SL) voreilt. Die Phasendifferenz (oder Zeitverzögerung) ist proportional zu der Amplitude der durch Coriolis ausgelösten Verschiebung, die wiederum proportional zu dem Massendurchsatz ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst das Verschieben der Frequenzfolge der verschiedenen Modusformen des Ausgleichsstabes. Die Schwingungsmodi werden nach ihren Formen definiert, nicht nach ihrer Frequenzfolge. Der erste Biegemodus wird nachfolgend so wie der bezeichnet, der in 3 gezeigt wird. Der zweite Biegemodus hat die in 5 gezeigte Form. Eine nützliche Regel besteht darin, dass die Moduszahl der Anzahl von Knoten minus eins entspricht. Der erste Modus besitzt zwei Knoten (an den Enden). Der Zweite besitzt drei (an den Enden und in der Mitte). Der dritte Biegemodus besitzt vier Knoten usw.
Bei herkömmlichen Einröhren-Coriolis-Durchflussmessern schwingt der Ausgleichsstab nur in dem ersten Biegemodus und weist keine Reaktion auf Coriolis-Kräfte an der Durchflussröhre auf. 6 zeigt einen Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser nach dem Stand der Technik (600) mit einer Durchflussröhre (601) und einem Ausgleichsstab (602), die durch Verbindungsstäbe (603 und 604) an den Enden des Ausgleichsstabes (602) verbunden sind. Die durchgezogenen Linien von 6 zeigen die Durchflussröhre (601) und den Ausgleichsstab (602) beim Kreuzen der Nullverschiebungsachse (303) in dem ersten Biegemodus (Antriebsmodus) mit Materialdurchfluss. An dem Ausgleichsstab (602) in 6 treten keine Coriolis-Durchbiegungen auf. Die gestrichelten Linien zeigen die Durchflussröhre und den Ausgleichsstab bei dem Außenumfang ihrer Schwingung in dem ersten Biegemodus (Antriebsmodus).
1 ist ein Vektordiagramm, dass die Schwingungsgeschwindigkeiten offenbart, die durch den herkömmlichen Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser mit gerader Röhre erzeugt werden, wie in 6 dargestellt. Die Reaktion der Durchflussröhre an dem rechten Geschwindigkeitssensor (SR) ist der Vektor (103), der eine voreilende Phase, Φ_tube, dargestellt durch den Winkel zwischen dem Vektor (103) und der reellen Achse (102), aufweist. Die Länge des Vektors (103) stellt seine Spitzengeschwindigkeit (oder Schwingungsamplitude, da sie proportional sind) dar. Seine Projektion auf der X-Achse stellt seine Momentangeschwindigkeit dar. Der Vektor (106) des Ausgleichsstabes ist zu der Achse (102) nicht phasenversetzt, da der Ausgleichsstab nicht von den erzeugten Coriolis-Kräften an der Durchflussröhre betroffen ist. Der Ausgleichsstabvektor (106) wird entlang der reellen Achse (102) gezeigt und V_Balbar benannt. Die Vektorsumme des Durchflussröhren- und des Ausgleichsstabvektors ist der Vektor (105), der einen Phasenwin kel (Φ_net) aufweist, der die kombinierten Vektoramplituden und Phasen der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes darstellt. Zu beachten ist, dass der Nettophasenwinkel aus dem rechten Sensor (SR) geringer ist als der Phasenwinkel für die Röhre allein. Die Verringerung des Phasenwinkels (und der Messerempfindlichkeit) ist eine Folge fehlender Phasenverschiebung des Ausgleichsstabes bei herkömmlichen Einröhrenmessern.
Die 27 und 28 sind Vektordiagramme für einen Messer nach dem Stand der Technik mit unterschiedlichen Amplitudenverhältnissen auf Grund einer Änderung der Materialdichte. Ein Vergleich zwischen den beiden Diagrammen wäre normalerweise sinnlos, da der Dichteunterschied eine Verschiebung der Antriebsfrequenz sowie der Durchflussröhrenphase zur Folge hat. Daher wurden die Phasenwinkel allesamt nach Frequenz „normalisiert". Dies bedeutet, dass die Phasen durch die Röhrenfrequenz geteilt wurden. Die normalisierten Phasenwinkel sind in Wirklichkeit Zeitverzögerung. Da die Coriolis-Kraft, und somit der Phasenwinkel, proportional zu der Röhrenfrequenz ist, sind die normalisierten Phasenwinkel der Durchflussröhren von der Röhrenfrequenz unabhängig. Der normalisierte Phasenwinkel der Durchflussröhre von 27 entspricht daher dem normalisierten Phasenwinkel von 28 für denselben Durchsatz und Vergleiche bekommen einen Sinn. 27 ist ein Vektordiagramm für einen Durchflussmesser mit einem relativ großen Durchflussröhrenvektor (2703) und einem relativ kleinen Ausgleichsstabvektor (2706), wie sich dies aus einem Material mit niedriger Materialdichte ergibt. Der Durchflussröhrenvektor besitzt eine normalisierte Phase von Φ_tube in Bezug auf die X-Achse (2702), während der Ausgleichsstabvektor (2706) entlang der X-Achse (2702) liegt und einen Phasenwinkel gleich null hat. Die Vektorsumme der Vektoren (2703 und 2706) ist der Vektor (2705) mit einer Geschwindigkeit von V_net und einem normalisierten Phasenwinkel Φ_net in Bezug auf die X-Achse (2702). Die Achse (2701) ist die imaginäre Achse. Das Amplitudenverhältnis Durchflussröhre/Ausgleichsstab ist die Größe des Vektors 2703 gegenüber 2706.
28 ist ein Vektordiagramm für denselben Durchflussmesser mit einem relativ kleinen Durchflussröhrenamplitudenvektor (2803) und einem relativ großen Ausgleichsstabvektor (2806) auf Grund höherer Materialdichte. Der Durchflussröhrenvektor V_tube besitzt eine normalisierte Phase von Φ_tube in Bezug auf die X-Achse (2802). Der Ausgleichsstabvektor V_balbar besitzt null Phase und ist mit der X-Achse (2802) deckungsgleich. Die Vektorsumme dieser beiden Vektoren ist der Vektor V_net (2805) mit einem normalisierten Winkel von Φ_net in Bezug auf die X-Achse (2802). Die imaginäre Achse ist 2801.
Bei einem Vergleich des Vektordiagramms von 27 mit dem von 28 wird ersichtlich, dass die normalisierte Phase des resultierenden Vektors (2705) für den Durchfluss von Material mit geringerer Dichte größer ist als die normalisierte Phase des resultierenden Vektors (2805) von 28 für einen Durchfluss von Material mit höherer Dichte. Ruft man sich nun ins Gedächtnis zurück, dass die normalisierte Phase des resultierenden Vektors bei jeder der 27 und 28 die Zeitverzögerung des Geschwindigkeitssensors des zugehörigen Durchflussmessers ist, ist zu beobachten, dass ein Durchflussmesser, der mit einem Durchfluss von Material geringerer Dichte operiert, eine größere Empfindlichkeit aufweist als derselbe Durchflussmesser, der mit einem Durchfluss von Material einer höheren Dichte operiert. Daraus ist ersichtlich, dass ein Einröhren-Durchflussmesser inhärent für leichtere Materialien (27) eine höhere Durchflussempfindlichkeit auf Grund von Amplitudenverhältnisänderung als für schwerere Materialien (28) aufweist.
Die in 7 gezeigte Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt einen Ausgleichsstab bereit, dessen Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus geringfügig unter der Antriebsfrequenz des ersten Biegemodus liegt. Die durch Coriolis ausgelöste Durchbiegung der Durchflussröhre (601) regt den zweiten Biegemodus in dem Ausgleichsstab (602) durch Verbindungsstäbe (603 und 604) an. Die Schwingungsamplitude der Schwingung des Ausgleichsstabes (602) in seinem zweiten Biegemodus ist proportional zu der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude der Durchflussröhre (601) und ist somit proportional zu dem Materialdurchsatz. Die Schwingungsamplitude des Ausgleichsstabes (602) in seinem zweiten Biegemodus in 7 ist außerdem eine Funktion des Abstandes zwischen der Frequenz des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz) und der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes. Je näher die Frequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes an der Frequenz des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz) liegt, desto größer ist die Schwingungsamplitude des Ausgleichsstabes in seinem zweiten Biegemodus. Dieses Verhältnis wird ausführlich in 9 gezeigt, die eine grafische Darstellung des Schwingungsamplitudenverhältnisses des Ausgleichsstabes in seinem zweiten Biegemodus geteilt durch die Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre gegenüber dem Verhältnis zwischen der Frequenz des ers ten Biegemodus (Antriebsfrequenz) und der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes (602) ist. Die X-Achse (902) gibt das Verhältnis zwischen der Frequenz des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz) und der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes an. Die Y-Achse (901) stellt den Verstärkungsfaktor der Coriolis-Reaktion des Ausgleichsstabes (602) dar. Wie zu sehen ist, befindet sich die in dem Ausgleichsstab (602) ausgelöste Coriolis-Reaktion bei einem Maximum, wenn das Verhältnis zwischen der Antriebsfrequenz und der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes 1,0 beträgt. Die durch Coriolis ausgelöste Reaktion (904) des Ausgleichsstabes nimmt von ihrem Maximum in Richtung Null ab, wenn das Verhältnis der beiden Frequenzen in 9 größer wird als 1,0. Die Coriolis-Reaktion des Ausgleichsstabes nimmt außerdem von ihrem Maximum ab, wenn das Verhältnis dieser beiden Frequenzen geringer wird als eins.
Aus 9 wird außerdem ersichtlich, dass die Flanke der Kurve steiler wird, wenn sich das Frequenzverhältnis von beiden Richtungen eins nähert. Somit erzeugt eine kleine Änderung der Antriebsfrequenz eine größere Änderung bei der Amplitude des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes, wenn sich das Frequenzverhältnis nahe eins befindet, als weiter entfernt zu sein. Diese Änderung der Flanke dieser Verstärkungskurve wird bei der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, zu bestimmen, wie der Frequenzabstand lauten muss, um die Änderung der Empfindlichkeit auf Grund von Änderungen des Schwingungsamplitudenverhältnisses und sonstigen Gründen aufzuheben.
Dieses Verhältnis wird nach der vorliegenden Erfindung verwendet, um einen Durchflussmesser mit einem flachen Kalibrierfaktor und konstanter Durchflussempfindlichkeit gegenüber Durchflüssen von Material unterschiedlicher Dichten zu erzielen.
7 offenbart die Ausführung, bei der die Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes niedriger ist als die Antriebsfrequenz, aber ausreichend nah an der Antriebsfrequenz liegt, so dass Coriolis-Durchbiegungen in der Durchflussröhre die coriolisartigen Schwingungen des zweiten Biegemodus in dem Ausgleichsstab anregen. Bei dieser Ausführung sind die coriolisartigen Schwingungen des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes und die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre zueinander phasenversetzt. Als Folge hat die Phase der Durchflussröhrengeschwindigkeit an dem rechten Sensor dasselbe Vorzeichen wie die Phase der Ausgleichsstabge schwindigkeit an dem rechten Sensor. Wie in 7 gezeigt, hat der Sensor (SR) sowohl an der Durchflussröhre als auch an dem Ausgleichsstab bereits die Nullverschiebungsposition gekreuzt, wenn die Antriebseinrichtung Null kreuzt. Dies ist eine voreilende Phase und wird durch einen positiven Phasenwinkel dargestellt. Die Größe des Durchflussröhrenphasenwinkels ist proportional zu der Amplitude der Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre. Die Größe des Ausgleichsstabsphasenwinkels ist proportional zu der coriolisartigen Amplitude des Ausgleichsstabes in seinem zweiten Biegemodus. Aus 7 wird ersichtlich, dass sich der Ausgleichsstab wie eine weitere Durchflussröhre verhält und die Durchflussempfindlichkeit des Messers steigert.
11 ist das Vektordiagramm für die Ausführung von 7. Bei dieser Ausführung ist die Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes niedriger als die Antriebsfrequenz. Die Geschwindigkeit in dem Antriebsmodus wird auf der X-Achse gezeigt, während die Y-Achse die imaginäre Achse ist. (Die X-Achse kann auch die Amplitude sein, da Geschwindigkeit und Amplitude in schwingenden Systemen proportional sind.) Der Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektor V_tube (1104) besitzt eine Länge, die proportional zu seiner Spitzengeschwindigkeit (oder Amplitude) in dem Antriebsmodus ist. Sie ist etwa doppelt so lang wie der Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektor (1103), V_balbar, da die Durchflussröhre eine höhere Schwingungsamplitude als der Ausgleichsstab besitzt. Die Momentangeschwindigkeiten der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes können durch die projizierten Längen ihrer Vektoren auf der X-Achse bestimmt werden. Die Summe des Durchflussröhren- und des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors ist V_net. Die Länge des V_net-Vektors (1105) stellt die relative Spitzengeschwindigkeit zwischen den beiden Komponenten (Magnet und Spule) des Geschwindigkeitssensors (SR) dar. Die relative Momentangeschwindigkeit ist die Projektion des V_net-Vektors (1105) auf der X-Achse. Die Coriolis-Durchbiegungsamplitude (oder -geschwindigkeit) des rechten Sensors (SR) der Durchflussröhre ist etwa drei Mal so groß wie die Amplitude (oder Geschwindigkeit) des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes an dem rechten Sensor (SR). Dies wird dadurch ersichtlich, dass der normalisierte Phasenwinkel für die Durchflussröhre, Φ_tube, größer ist als der für den Ausgleichsstab, Φ_balbar1 ersichtlich. Der Winkel zwischen dem V_net-Vektor (1105) und der X-Achse ist die normalisierte Nettophase, Φ_net, durch die die von dem rechten Geschwindigkeitssensor (SR) erzeugte Spannung der Nullkreuzung der Antriebseinrichtung voreilt. Der linke Geschwindigkeitssensor (SL) (in 11 nicht gezeigt) eilt der Antriebseinrichtung mit demselben normalisierten Phasenwinkel nach. Die normalisierte Phasendifferenz zwischen den Spannungssignalen der beiden Geschwindigkeitssensoren ist die Zeitverzögerung und ist proportional zu dem Massendurchsatz.
Die gestrichelten Vektoren von 11 zeigen das Ergebnis des Erhöhens der Materialdichte in dem Durchflussmesser. Die Phasenwinkel sind normalisiert (durch Frequenz geteilt), um zu ermöglichen, dass die Vektoren für beide Dichten in demselben Graphen dargestellt werden können. In 11 hat der Durchflussröhrenantriebsmodus-Amplitudenvektor (und -Geschwindigkeitsvektor) (1104) von der Position 1112 zu 1108 mit der gestiegenen Materialdichte abgenommen, während seine normalisierte Phase (Φ_tube) unverändert geblieben ist. Das Durchflussröhrenverhalten bei Änderung der Materialdichte ist dasselbe wie bei Messern nach dem Stand der Technik, wie in den 27 und 28 zu sehen ist, wobei 27 einen Durchfluss von Material darstellt, das weniger dicht ist als bei 28. Bei dem Ausgleichsstab-Amplitudenvektor (und -Geschwindigkeitsvektor) (1103) hat sich die Größe gegenüber der des längeren Vektors (1110), wie bei Messern nach dem Stand der Technik, erhöht. Jedoch hat sich der normalisierte Phasenwinkel des Ausgleichsstabes, entgegen den Messern nach dem Stand der Technik von 27 und 28, von Φ_balbar1 zu Φ_balbar2 mit dem Anstieg der Materialdichte erhöht. Der normalisierte Phasenwinkel des Ausgleichsstabvektors (1110) hat sich erhöht, da der Anstieg der Materialdichte die Antriebsmodus-Frequenz verringert hat und sie näher an die Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes bewegt hat. Dies führte zu einer größeren coriolisartigen Schwingungsamplitude in dem zweiten Biegemodus und somit zu einem größeren normalisierten Phasenwinkel Φ_balbar2.
Der Schlüssel zu der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Änderung des normalisierten Phasenwinkels des Ausgleichsstabvektors (1110) der korrekte Betrag ist, um den V_net-Vektor (1105) sowohl in der Länge an der Position (1111) als auch bei dem normalisierten Phasenwinkel Φ_net zu dem V_net-Vektor (1105) bei einem Material geringerer Dichte unverändert zu lassen. Dass der V_net-Vektor (1105) in der Länge unverändert ist, ist eine Folge der elektronischen Amplitudensteuerung des Messers, die sowohl bei der vorliegenden Erfindung als auch bei Messern nach dem Stand der Technik zu finden ist. Dass der V_net-Vektor (1105) in dem normalisierten Phasenwinkel Φ_net unverändert ist, ist die Folge der Änderung der coriolisartigen Schwingungsamplitude in dem zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes mit der Materialdichte. Diese Änderung der coriolisarti gen Schwingungsamplitude des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes ist auf die korrekte Größe bemessen, indem der Ausgleichsstab so konstruiert ist, dass sich seine coriolisartige Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus in korrektem Abstand zu der Antriebsmodus-Frequenz befindet. Bei diesem korrekten Frequenzabstand stellt sich die Flanke der Verstärkungskurve so dar, dass die Änderung der Materialdichte den Frequenzabstand verändert und die coriolisartige Schwingungsamplitude des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes um den Betrag ändert, der benötigt wird, um den V_net-Vektor (1105) unverändert zu lassen und die Empfindlichkeit des Messers unverändert zu lassen.
Die Änderung der Messerdurchflussempfindlichkeit mit der Dichte auf Grund einer Verschiebung bei dem Antriebsmodus-Schwingungsamplitudenverhältnis ist unvermeidbar. Es ist jedoch möglich, den Betrag der Durchflussempfindlichkeitsverschiebung anzupassen. Es ist einfach, zu erkennen, wie dies erfolgen kann, wenn man sich einen Durchflussmesser mit einem Ausgleichsstab vorstellt, der unendlich schwer ist (und unendlich steif, um die korrekte Resonanzfrequenz beizubehalten). Dieser Ausgleichsstab hätte eine Antriebsmodus-Schwingungsamplitude von null, um die Durchflussröhre auszugleichen. Das Ändern der Fluiddichte in dem imaginären Messer hätte keine Wirkung auf den Durchflusskalibrierfaktor, da die Ausgleichsstabsschwingungsamplitude null bliebe und die Durchflussröhrenamplitude und -phase unverändert blieben.
Bei einem realistischeren Messer mit einem Ausgleichsstab, der kaum viel schwerer als die Durchflussröhre mit Fluid ist, bleiben die Amplitude und der Geschwindigkeitsvektor des Ausgleichsstabes sehr klein. Eine sich ändernde Fluiddichte ändert die Länge des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors signifikant, aber im Vergleich zu dem Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektor bleibt der Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektor klein. Die Länge des Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektors ändert sich um denselben Betrag wie der Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektor, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Diese Längenänderung ist lediglich ein kleiner Prozentsatz des längeren Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektors. Da der Ausgleichstabgeschwindigkeitsvektor im Vergleich zu dem Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektor sehr klein bleibt, hat die Änderung der Länge des Ausgleichsstabvektors mit der Fluiddichte nur geringe Wirkung auf den Phasenwinkel des Nettogeschwindigkeitsvektors und die Messerdurchflussempfindlichkeit.
Die Änderung der Messerdurchflussempfindlichkeit mit der Änderung der Fluiddichte ist am größten, wenn die Antriebsmodus-Schwingungsamplitude der Durchflussröhre ungefähr der Antriebsmodus-Schwingungsamplitude des Ausgleichsstabes entspricht. Dies ist der Fall, der durch 27 und 28 dargestellt wird. In 27 besitzt das Fluid eine niedrige Dichte und die Durchflussröhre weist eine größere Schwingungsamplitude auf als der Ausgleichsstab. In 28 besitzt das Fluid eine hohe Dichte und der Ausgleichsstab weist eine größere Schwingungsamplitude als die Durchflussröhre auf. Aus diesen Figuren ist gut ersichtlich, dass die Änderung der Phase des Nettogeschwindigkeitsvektors groß ist, da sowohl der Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektor als auch der Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektor bei Änderung der Fluiddichte signifikanten Änderungen in der Länge unterliegen.
Zusammenfassend ist die Änderung der Durchflussempfindlichkeit auf Grund einer Änderung des Schwingungsamplitudenverhältnisses am größten, wenn die Schwingungsamplitude des Ausgleichsstabes nahezu der Schwingungsamplitude der Durchflussröhre entspricht. Die Änderung der Empfindlichkeit ist am geringsten, wenn die Ausgleichsstabsamplitude im Vergleich zu der Amplitude der Durchflussröhre sehr klein ist. Bei Messern nach dem Stand der Technik wurde die Antriebsmodus-Schwingungsamplitude des Ausgleichsstabes immer sehr klein gemacht, indem er so schwer wie wirtschaftlich möglich gemacht wurde. Dies minimiert die Wirkung der Änderung des Schwingungsamplitudenverhältnisses mit der Fluiddichte. Wie hier an anderer Stelle beschrieben wird, gibt es jedoch neben der Änderung des Antriebsmodus-Schwingungsamplitudenverhältnisses andere Ursachen dafür, dass sich die Durchflussempfindlichkeit des Messers bei Änderung der Fluiddichte ändert. Manche der anderen Ursachen ändern die Durchflussempfindlichkeit in die entgegengesetzte Richtung, wenn sich das Antriebsmodus-Schwingungsamplitudenverhältnis ändert. Es ist somit nützlich, das Verhältnis zwischen der Ausgleichsstabsmasse und der Durchflussempfindlichkeitsverschiebung zu erkennen. Die Ausgleichsstabsmasse kann dann so gewählt werden, dass die Verschiebung der Empfindlichkeit auf Grund der Änderung des Antriebsmodus-Schwingungsamplitudenverhältnisses der Verschiebung der Empfindlichkeit auf Grund von anderen Ursachen entgegengesetzt ist und diese aufhebt. Eine dieser anderen Ursachen ist die Änderung der Empfindlichkeit auf Grund der Änderung des Verhältnisses der Coriolis- Durchbiegungsamplitude gegenüber der Amplitude des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes mit einer Änderung der Dichte.
30 stellt dar, wie sich die Amplitude des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes ändert, wenn sich die Materialdichte (und somit die Antriebsfrequenz) ändert. In 30 ist die X-Achse die Frequenz und auf ihr befinden sich senkrechte Linien für die Antriebsfrequenz bei einem Material geringer Dichte (Antriebsfreq. 1), einem Material hoher Dichte (Antriebsfreq. 2) und die Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes (2. Ausgleichsstabsfreq.). Die Y-Achse ist das Verhältnis der zweiten Biegeamplitude des Ausgleichsstabes geteilt durch die Coriolis-Amplitude der Durchflussröhre. Die durchgezogene Kurve ist das Verhältnis für die zweite Biegeamplitude mit dem leichten Material mit Antriebsfrequenz 1. Die Stelle, wo die senkrechte Linie der zweiten Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes diese Kurve schneidet, bestimmt das Verhältnis zweite Amplitude des Ausgleichsstabes/Coriolis-Amplitude der Durchflussröhre. Es ist somit ersichtlich, dass die Antriebsfreq. 1 in der 2. Ausglstabsamplitude 1 resultiert. Auf ähnliche Weise ist die gestrichelte Kurve das Amplitudenverhältnis für das zweite Ausgleichsstabsbiegen mit dem dichteren Material mit Antriebsfrequenz 2. Die Antriebsfreq. 2 resultiert in der 2. Ausglstabsamplitude 2. Aus 30 ist ersichtlich, dass die Differenz bei dem Amplitudenverhältnis für eine gegebene Verschiebung der Antriebsfrequenz eine Funktion der Position der zweiten Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes in Bezug auf die Antriebsfrequenzen ist. Wenn der Abstand groß ist, ist die Änderung des zweiten Amplitudenverhältnisses des Ausgleichsstabes mit der Materialdichte klein. Wenn der Frequenzabstand klein ist (wenn die 2. Ausglstabsfreqlinie nach rechts bewegt würde), dann ist die Änderung des zweiten Amplitudenverhältnisses des Ausgleichsstabes groß.
Aus 7 ist ersichtlich, dass die Ausgleichsstabdurchbiegung in seinem zweiten Biegemodus aussieht wie die Coriolis-Durchbiegung bei einer zweiten Durchflussröhre. Somit führt ein Anstieg der zweiten Biegeamplitude des Ausgleichsstabes zu einem Anstieg der Phase des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors, gezeigt in 11. 11 zeigt außerdem, dass, wenn der Anstieg bei der Phase des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors mit der Dichte den korrekten Betrag aufweist, der Nettogeschwindigkeitsvektor bei normalisierter Phase und Amplitude unverändert bleiben kann. Das bedeutet, dass die Durchflussempfindlichkeit des Messers bei wechselnder Dichte unverändert bleiben kann. 30 zeigt, wie die Änderung der zweiten Biegeamplitude des Ausgleichsstabes mit der Dichte durch den Frequenzabstand zwischen der zweiten Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes und der Antriebsfrequenz angepasst werden kann. Ein kleiner Frequenzabstand führt zu größerem Empfindlichkeitsanstieg mit der Dichte. Somit kann durch korrektes Platzieren der zweiten Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes ein Durchflussmesser mit einem Ausgleichsstab konstruiert werden, dessen Geschwindigkeitsvektorphase den korrekten Betrag ändert, um den Nettogeschwindigkeitsvektor bei Änderung der Materialdichte unverändert zu lassen. Eine solche Konstruktion erzeugt einen Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser, der eine Durchflussempfindlichkeit aufweist, die nicht durch Materialdichte beeinflusst wird.
8 zeigt eine Ausführung, bei der die Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes über der Antriebsfrequenz liegt und sich ausreichend nah an der Antriebsfrequenz befindet, so dass die Coriolis-Durchbiegungen in der Durchflussröhre coriolisartige Schwingungen des zweiten Biegemodus in dem Ausgleichsstab anregen. Bei dieser Ausführung sind die coriolisartigen Schwingungen des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes und die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre zueinander phasengleich. Das bedeutet, dass die Phase der Durchflussröhrengeschwindigkeit an dem rechten Sensor (SR) das umgekehrte Vorzeichen der Phase des Ausgleichsstabes an dem rechten Geber aufweist. Wie in 8 gezeigt, hat der Sensor (SR) an der Durchflussröhre bereits die Nullverschiebungsposition gekreuzt, während der Sensor (SR) an dem Ausgleichsstab die Nullverschiebungsposition noch nicht gekreuzt hat. Die Durchflussröhre besitzt somit eine voreilende Phase und der Ausgleichsstab besitzt eine nacheilende Phase. Diese werden durch positive bzw. negative normalisierte Phasenwinkel in 12 dargestellt. Die Größe des normalisierten Phasenwinkels Φ_tube der Durchflussröhre ist proportional zu der Amplitude der Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre, während die Größe des normalisierten Phasenwinkels Φ_balbar des Ausgleichsstabes proportional zu der coriolisartigen Amplitude in seinem zweiten Biegemodus ist. Aus 8 ist ersichtlich, dass sich der Ausgleichsstab wie eine weitere Durchflussröhre verhält, jedoch mit negativen Coriolis-Durchbiegungen.
12 ist das Vektordiagramm für die in 8 dargestellte Ausführung. Bei dieser Ausführung liegt die Frequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes über der Antriebsfrequenz. Die Geschwindigkeit im Antriebsmodus wird auf der X-Achse darge stellt, während die Y-Achse die imaginäre Achse ist. Der Durchflussröhrengeschwindigkeitsvektor (1204), V_tube, besitzt an der Position (1212) eine Länge, die proportional zu seiner Spitzengeschwindigkeit (oder Amplitude) in dem Antriebsmodus ist. Sie ist etwa doppelt so lang wie der Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektor (1203), V_balbar, da die Durchflussröhre eine höhere Schwingungsamplitude in dem Antriebsmodus besitzt als der Ausgleichsstab. Die Momentangeschwindigkeiten der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes können durch die projizierten Längen ihrer Vektoren auf der X-Achse bestimmt werden. Die Summe des Durchflussröhren- und des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors ist (1205) V_net. Die Länge des V_net-Vektors (1205) stellt die relative Spitzengeschwindigkeit zwischen den beiden Komponenten des Geschwindigkeitssensors (SR) dar. Die relative Momentangeschwindigkeit ist die Projektion des V_net-Vektors auf der X-Achse.
Die Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude (oder -Geschwindigkeit) des rechten Sensors (SR) (1204) der Durchflussröhre ist etwa drei Mal so groß wie die coriolisartige zweite Biegeamplitude (1203) (oder -geschwindigkeit) des Ausgleichsstabes an dem rechten Sensor (SR). Dies wird daraus ersichtlich, dass der normalisierte Phasenwinkel, Φ_tube, für die Durchflussröhre größer ist als der normalisierte Phasenwinkel, Φ_balbar, für den Ausgleichsstab. Es ist zu beachten, dass der normalisierte Phasenwinkel, Φ_balbar, des Ausgleichsstabvektors negativ ist. Dies ist die Folge davon, dass die zweite Biege-Resonanzfrequenz über der Antriebsfrequenz liegt. Der normalisierte Phasenwinkel Φ_net zwischen dem V_net-Vektor (1205) und der X-Achse ist die Nettozeitverzögerung, mit der die von dem rechten Geschwindigkeitssensor (SR) erzeugte Spannung der Nullkreuzung der Antriebseinrichtung voreilt. Der linke Geschwindigkeitssensor (SL) (in 11 nicht gezeigt) eilt der Antriebseinrichtung mit derselben Zeitverzögerung nach. Die Zeitdifferenz zwischen den Spannungssignalen der beiden Geschwindigkeitssensoren ist proportional zu dem Massendurchsatz.
Die gestrichelten Vektoren in 12 zeigen das Ergebnis des Erhöhens der Materialdichte in dem Durchflussmesser. Auch hier sind die Phasenwinkel normalisiert (durch Frequenz geteilt), um zu ermöglichen, dass die Vektoren für beide Dichten in demselben Graphen dargestellt werden können. Aus 12 ist ersichtlich, dass der Antriebsmodus-Amplitudenvektor (und -Geschwindigkeitsvektor) (1204) der Durchflussröhre in der Größe von dem der Position 1212 zu dem der Position 1208 mit der gestiegenen Materi aldichte abgenommen hat, während seine normalisierte Phase (Φ_tube) unverändert geblieben ist. Der Ausgleichsstab-Amplitudenvektor (und -Geschwindigkeitsvektor) (1203) in dem Antriebsmodus hat sich zu dem größeren Vektor (1210) vergrößert. Jedoch hat sich der normalisierte Phasenwinkel des Ausgleichsstabes, entgegen den Messern nach dem Stand der Technik und entgegen der Ausführung von 7, von Φ_balbar1 zu Φ_balbar2 mit dem Anstieg der Materialdichte verringert (näher an die X-Achse bewegt). Der normalisierte Phasenwinkel des Ausgleichsstabes hat sich verringert, da der Anstieg der Materialdichte die Antriebsmodus-Frequenz verringert hat und sie weiter von der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes wegbewegt hat. Dies führte zu einer kleineren coriolisartigen Schwingungsamplitude in dem zweiten Biegemodus und somit zu einem kleineren normalisierten Phasenwinkel. Da jedoch der Phasenwinkel negativ ist, führt die Verringerung zu einer Verstärkung der Messerempfindlichkeit.
Der Schlüssel zu der Ausführung mit der zweiten Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes über der Antriebsfrequenz, wie bei den Ausführungen der 7 und 12, besteht darin, dass die Änderung des normalisierten Phasenwinkels des Ausgleichsstabes mit der Dichteänderung der Betrag ist, der benötigt wird, um den V_net-Vektor (1205) sowohl in der Länge als auch bei dem normalisierten Phasenwinkel unverändert zu lassen. Der V_net-Vektor (1205) ist in der Länge unverändert auf Grund der elektronischen Amplitudensteuerung des Messers, die sowohl bei der vorliegenden Erfindung als auch bei Messern nach dem Stand der Technik zu finden ist. Der V_net-Vektor (1205) ist in seinem normalisierten Phasenwinkel unverändert auf Grund der Änderung der zweiten Biegeamplitude des Ausgleichsstabes mit der Materialdichte. Diese Änderung der Amplitude des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes ist auf die erforderliche Größe bemessen, indem der Ausgleichsstab so konstruiert ist, dass sich seine Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus in korrektem Abstand zu der Antriebsmodus-Frequenz befindet. Bei korrektem Frequenzabstand stellt sich die Flanke der Verstärkungskurve so dar, dass die Änderung der Materialdichte den Frequenzabstand ändert und die Amplitude des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes ändert, und zwar um den Betrag, der benötigt wird, um den V_net-Vektor (1205) unverändert zu lassen und die Empfindlichkeit des Messers unverändert zu lassen.
29 stellt dar, wie die zweite Biegeamplitude des Ausgleichsstabes sich ändert, wenn sich die Materialdichte (und somit die Antriebsfrequenz) ändert. 29 ist dasselbe wie 30, nur liegt hier die zweite Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes über der Antriebsfrequenz statt unter ihr. Wie in 30 ist die durchgezogene Kurve das Verstärkungsverhältnis für den Ausgleichsstab bei dem leichten Material mit Antriebsfrequenz 1. Die Stelle, wo die senkrechte Linie der zweiten Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes diese Kurve schneidet, bestimmt das Verhältnis zweite Amplitude des Ausgleichsstabes/Coriolis-Amplitude der Durchflussröhre. Es ist somit ersichtlich, dass die Antriebsfreq. 1 in der 2. Ausglstabsamplitude 1 resultiert. Auf ähnliche Weise ist die gestrichelte Kurve das Amplitudenverhältnis für das zweite Ausgleichsstabbiegen mit dem dichteren Material mit Antriebsfrequenz 2. Antriebsfreq. 2 resultiert in der 2. Ausglstabsamplitude 2. Aus 29 wird ersichtlich, dass, wenn die Materialdichte steigt und die Antriebsfrequenz sinkt, der Abstand zwischen der Antriebsfrequenz und der zweiten Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes zunimmt. Dies führt zu einer Abnahme der zweiten Biegeamplitude des Ausgleichsstabes. Somit ist in 29 die Ausgleichsstabsamplitude 2 (für Material höherer Dichte) niedriger als die Ausgleichsstabsamplitude 1. Die Abnahme der Amplitude führt zu einer Abnahme der Größe des Phasenwinkels des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors. Da jedoch der Phasenwinkel negativ ist, ist die Abnahme der Größe ein Ansteigen der Phase des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors. Dieser Anstieg der Ausgleichsstabphase (Sinken der negativen Phase) mit der Materialdichte ermöglicht es, dass der Nettovektor in der Länge und bei der normalisierten Phase unverändert bleibt. In 29 ist, wie in 30, die Differenz bei dem Amplitudenverhältnis für eine gegebene Verschiebung der Antriebsfrequenz eine Funktion der Position der zweiten Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes in Bezug auf die Antriebsfrequenzen. Ist der Abstand groß, ist die Änderung des zweiten Amplitudenverhältnisses des Ausgleichsstabes mit der Materialdichte klein. Ist der Frequenzabstand klein (wenn die 2. Ausglstabsfreqlinie nach links bewegt würde), dann ist die Änderung des zweiten Amplitudenverhältnisses des Ausgleichsstabes groß. Somit kann durch Konstruieren des korrekten Frequenzabstandes die Änderung der Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektorphase so eingestellt werden, dass ein konstanter Nettovektor erzeugt wird.
Zusammenfassend ist in 8 ersichtlich, dass die Ausgleichsstabdurchbiegung in seinem zweiten Biegemodus wie negative Coriolis-Durchbiegung in einer zweiten Durch flussröhre aussieht. Somit führt ein Sinken der zweiten Biegeamplitude des Ausgleichsstabes zu einer Abnahme der negativen Phase des in 12 gezeigten Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors. 12 zeigt außerdem, dass, wenn die Abnahme der negativen Phase des Ausgleichsstabgeschwindigkeitsvektors mit der Dichte den korrekten Betrag aufweist, der Nettogeschwindigkeitsvektor bei der normalisierten Phase und der Amplitude unverändert bleiben kann. Das bedeutet, dass die Durchflussempfindlichkeit des Messers mit sich ändernder Dichte unverändert bleiben kann. 29 zeigt, wie die Änderung der zweiten Biegeamplitude des Ausgleichsstabes mit der Dichte durch den Frequenzabstand zwischen der zweiten Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes und der Antriebsfrequenz angepasst werden kann. Somit kann durch korrektes Platzieren der zweiten Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes ein Durchflussmesser mit einem Ausgleichsstab konstruiert werden, dessen Geschwindigkeitsvektorphase den korrekten Betrag ändert, um den Nettogeschwindigkeitsvektor bei Änderung der Materialdichte unverändert zu lassen. Eine solche Konstruktion erzeugt einen Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser, der eine Durchflussempfindlichkeit aufweist, die nicht durch Materialdichte beeinflusst wird.
Die vorliegende Erfindung weist daher zwei Ausführungen auf. Bei einer Ausführung liegt die zweite Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes unter der Antriebsfrequenz und bei der anderen liegt sie über der Antriebsfrequenz. Bei beiden Ausführungen wird der zweite Biegemodus des Ausgleichsstabes durch die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre angeregt. Bei beiden Ausführungen ist der Betrag der Anregung des Ausgleichsstabes eine Funktion des Abstandes zwischen der zweiten Resonanzfrequenz und der Antriebsfrequenz. Bei beiden Ausführungen kann ein korrekter Abstand so gewählt werden, dass die Durchflussempfindlichkeit des Messers von Materialdichte unabhängig wird.
KONSTRUKTIONSDETAILS
Die vorgenannte Beschreibung befasste sich mit dem gewünschten Verhältnis der Frequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes zu der Antriebsfrequenz des ersten Biegemodus. Bei einer Ausführung befindet sich die Frequenz des zweiten Biegemodus unter der Antriebsfrequenz des ersten Biegemodus, so dass sich die Messerdurchflussempfindlichkeit nicht mit der Materialdichte ändert. Dass die Frequenz des zweiten Biegemodus unter der Antriebsfrequenz des ersten Biegemodus liegt, ist eine einzigartige Situation, die manche als unmöglich bezeichnen würden. Es folgen die Konstruktionsdetails, mit denen dies erreicht wird.
Die beiden Faktoren, die die Resonanzfrequenz einer schwingenden Struktur bestimmen, sind Masse und Federkonstante. Die Gleichung für die Resonanzfrequenz lautet:
wobei:
k = Federkonstante
M = Masse
Um die Frequenz des zweiten Biegemodus unter die Frequenz des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz) zu bringen, müssen Änderungen an dem herkömmlichen Ausgleichsstab vorgenommen werden, die sowohl dessen erste Biegemodus-Frequenz (Antriebsfrequenz) erhöhen als auch dessen zweite Biegemodus-Frequenz verringern. Das Erhöhen von Masse und Verringern der Federkonstante (Steifigkeit) dienen jeweils dem Verringern von Frequenz. Um die Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus so zu verringern, dass sie unter der ersten Biegemodus-Antriebsfrequenz liegt, müssen die Masse und die Steifigkeit des Ausgleichsstabes in Bereichen verändert werden, in denen sie in einem Modus mehr Bedeutung haben als in dem anderen. Das Ändern der Masse in Bereichen niedriger Schwingungsamplitude hat nur geringe Wirkung. In ähnlicher Form hat das Ändern der Steifigkeit, k, in Bereichen niedrigen Biegemoments nur geringe Wirkung.
Die 13 und 14 zeigen die Modusformen und Biegemomentdiagramme des ersten und zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes (1301). Um k in dem zweiten Biegemodus zu erweichen (verringern), ohne k in dem ersten Biegemodus zu erweichen, kann die Steifigkeit des Ausgleichsstabes (1301) in den Bereichen verringert werden, in denen sein Biegemoment in dem ersten Biegemodus nahe null ist und in dem zweiten Biegemodus hoch ist. Die gestrichelten Linien (i und ii) der 13 und 14 zeigen diese beiden Positionen als 1306 und 1308. Das Verringern der Steifigkeit, k, des Aus gleichsstabes (1301) an den Positionen (1306 und 1308) hat wenig Wirkung auf die Frequenz des ersten Biegemodus von 13, da die Durchflussröhre relativ gerade ist und an diesen Positionen in dem ersten Biegemodus ein geringes Biegemoment aufweist. Somit hat das Verringern der Steifigkeit an den Positionen (1306 und 1308) keine Wirkung auf die Frequenz des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz). Jedoch besitzen, wie in 14 gezeigt, die Positionen (1306 und 1308) ein hohes Biegemoment für den zweiten Biegemodus. Somit wird durch das Verringern der Steifigkeit oder Federkonstante des Ausgleichsstabes an seinen Positionen (1306 und 1308) die Frequenz des zweiten Biegemodus verringert.
Die erste Biegemodus-Frequenz des Ausgleichsstabes (1301) kann erhöht werden, indem seine Steifigkeit in den Bereichen, in denen er ein hohes Biegemoment in seinem ersten Biegemodus aufweist und in denen der zweite Biegemodus ein Biegemoment nahe null aufweist, erhöht wird. Die Linie iii von 14 zeigt diese Position als 1307. Eine Untersuchung der 13 und 14 ergibt, dass an der Position (1307) der Ausgleichsstab (1301) ein hohes Biegemoment in seinem ersten Biegemodus von 13 aufweist und ein niedriges Biegemoment in seinem zweiten Biegemodus von 14 aufweist. Somit besitzt ein Ausgleichsstab, der eine erhöhte Steifigkeit in dem Bereich 1307 aufweist, eine höhere Antriebsfrequenz, während die Frequenz des zweiten Biegemodus von 14 unbetroffen bleibt.
Um die Frequenz des zweiten Biegemodus in Bezug auf die Frequenz des ersten Biegemodus weiter zu verringern, kann die Masse des Ausgleichsstabes (1301) in den Bereichen erhöht werden, die eine große Amplitude in dem zweiten Biegemodus und eine niedrige Amplitude in dem ersten Biegemodus aufweisen. Dies sind die Positionen i und ii in den 13 bis 17. Außerdem erhöht das Verringern der Masse des Teils des Ausgleichsstabes (1301) an der Linie iii in den 13 bis 17 die Antriebsfrequenz, ohne die Frequenz des zweiten Biegemodus zu beeinflussen. Wie in den 13 und 14 ersichtlich, ist die Schwingungsamplitude des ersten Biegemodus an der Position (1307) groß, während die Schwingungsamplitude für den zweiten Biegemodus, wie in 14 gezeigt, niedrig ist. Somit erhöht das Entfernen von etwas Masse von der Position (1307) des Ausgleichsstabes die Antriebsfrequenz, beeinflusst aber nicht die Frequenz des zweiten Biegemodus.
15 zeigt eine Ausführung dieser Konstruktion. Die Steifigkeit des Ausgleichsstabes (1503) wird verringert, indem Material von den Teilen (1508 und 1509) an jeder Seite seines Mittelbereichselementes (1506) entfernt wird. Das erhöht die Antriebsfrequenz nur geringfügig, während es die zweite Biegefrequenz beträchtlich verringert. Masse (1504 und 1505) wird außerdem außerhalb des Bereiches verringerter Steifigkeit (1508 und 1509) zu dem Ausgleichsstab (1503) hinzugefügt. Dies verringert die Frequenz des zweiten Biegemodus noch weiter. Masse wird von dem Mittelteil (1506) des Ausgleichsstabes (1503) entfernt, wodurch ein Hohlraum (1507) zurückbleibt. 16 zeigt die resultierende Antriebsmodus-Form und 17 zeigt die resultierende zweite Coriolis-Biegemodus-Form für den Durchflussmesser von 15.
18 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, bei der Bälge (1808 und 1809) zum Verringern der Ausgleichsstabssteifigkeit verwendet werden. Die Ausführung von 18 ist der von den 15, 16 und 17 insofern ähnlich, als sie ein Mittelelement (1806) besitzt, das mit dem Element (1506) in 15 vergleichbar ist. Die Ausführung von 18 besitzt des Weiteren einen Bereich verringerter Masse (1807), der mit dem Element (1507) in 15 vergleichbar ist. Es besitzt außerdem zusätzliche Massen (1504 und 1505), die mit den zusätzlichen Massen von 15 vergleichbar sind. Die flexiblen Bälge (1808 und 1809) von 18 besitzen verringerte Steifigkeit, die mit den Elementen (1508 und 1509) von 15 vergleichbar ist. Diese Eigenschaften der Ausführung von 18 dienen dazu, die Antriebsfrequenz zu erhöhen und die Frequenz des zweiten Biegemodus zu verringern, und zwar auf dieselbe Weise wie dies bei der Ausführung von 15 der Fall ist.
Diese Konstruktionsmerkmale, die für die 15 bis 18 beschrieben wurden, können die zweite Biegemodus-Frequenz des Ausgleichsstabes (1503) bestenfalls auf die Frequenz des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz) herunterbringen. Dies kann durch die Annahme dargestellt werden, dass der Mittelabschnitt des Ausgleichsstabes (1503) keine Masse besitzt und die Bereiche verringerter Steifigkeit des Ausgleichsstabes keine Steifigkeit aufweisen. In diesem extremsten Fall kann der Mittelabschnitt des Ausgleichsstabes vollständig vernachlässigt werden und der Ausgleichsstab (1503) verhält sich wie zwei unabhängige Freiträger (1511) (19). Die erste Biegemodus-Form (Antriebsmodus-Form) sieht dann wie 20 aus und die zweite Coriolis-Biegemodus-Form sieht wie 21 aus. Es gibt keinen Unterschied bei den Ausgleichsstabformen zwischen dem Antriebsmodus und dem zweiten Biegemodus, außer, dass in dem Antriebsmodus von 20 die beiden Ausgleichsstabträgerenden (1511) phasengleich sind und sie in dem zweiten Biegemodus von 21 zueinander phasenversetzt sind. Da die Stabenden nicht verbunden sind, macht ihr Phasenverhältnis zueinander bei ihren Resonanzfrequenzen keinen Unterschied. Somit besitzt der zweite (phasenversetzte) Biegemodus von 21 eine Frequenz, die dem ersten (phasengleichen) Biegemodus von 20 entspricht.
Das letzte Konstruktionsmerkmal, das dazu benötigt wird, die Frequenz des zweiten Biegemodus unter die Antriebsfrequenz zu senken, kann durch Verändern der Federsteifigkeit des Ausgleichsstabes erreicht werden, so dass er in dem zweiten Biegemodus weniger Steifigkeit aufweist als in dem ersten Biegemodus. Das Wesen dieses Konstruktionsmerkmals besteht darin, dass der Ausgleichsstab extrem steif gemacht wird (abgesehen von den beiden Zonen verringerter Steifigkeit (1508 und 1509) von 22), so dass der größte Teil des Biegens in dem Verbindungsstab (1502) auftritt. Die Nettosteifigkeit des Ausgleichsstabes (1503) wird dann eine Funktion des Schwingungsamplitudenverhältnisses zwischen Ausgleichsstab (1503) und Durchflussröhre (1501). Der Ausgleichsstab wird in Elementen (1511) steif gemacht. Dies hat die Wirkung des Entfernens der effektiven Federkonstante von dem Ausgleichsstab (1503) und des Konzentrierens der Federkonstante in dem Verbindungsstab (1502), so dass die Federkonstante an die Endknoten angrenzt. Das Bewegen der Knotenposition kann dann eine signifikante Wirkung auf die effektive Federkonstante des Ausgleichsstabes haben.
In 22 besitzen die Durchflussröhre (1501) und der Ausgleichsstab (1503) gleiche Antriebsmodus-Schwingungsamplituden. 23 zeigt dieselbe Antriebsmodus-Schwingungsamplitude des Ausgleichsstabes in Verbindung mit einer Schwingungsamplitude der Durchflussröhre nahe null. In beiden Figuren besitzt der Verbindungsstab (1502) eine stationäre Knotenfläche (2201) zwischen der Durchflussröhre (1501) und dem Ausgleichsstab (1503). Die stationäre Knotenfläche (2201) ist eine Nullschwingungsfläche und schwingt weder mit der Durchflussröhre noch mit dem Ausgleichsstab. In 22 befindet sich die stationäre Knotenfläche (2201) auf Grund der gleichen Schwingungsamplituden ungefähr auf halbem Weg zwischen der Durchflussröhre (1501) und dem Ausgleichsstab (1503). In 23 besitzt die Durchflussröhre (1501) eine viel niedrigere Schwingungsamplitude (und eine größere Masse) und daher befin det sich die stationäre Knotenfläche (2201) in dem Verbindungsstab (1502) sehr nahe an der Durchflussröhre (1501). Was die Dynamik des Systems betrifft, kennzeichnet die stationäre Knotenfläche (2201) das Ende des Federkonstantenbereichs des Ausgleichsstabes (1503) in jedem Verbindungsstab (1502). Die kürzere effektive Federkonstante des Ausgleichsstabes (1503) von 22 verleiht ihm eine höhere effektive Steifigkeit als bei der längeren effektiven Federkonstanten des Ausgleichsstabes (1503) von 23. Bei dem größten Teil der Federkonstantenfunktion des Ausgleichsstabes (1503), die den Verbindungsstäben (1502) innewohnt, führt ein höheres Durchflussröhre/Ausgleichsstab-Amplitudenverhältnis zu einem kürzeren und steiferen Federkonstantenbereich des Ausgleichsstabes als bei einem niedrigeren Amplitudenverhältnis. Somit kann das Konstruieren des Messers, so dass er ein höheres Durchflussröhre/Ausgleichsstab-Amplitudenverhältnis in dem ersten Biegemodus (Antriebsmodus) als in dem zweiten Coriolis-Biegemodus aufweist, zu einem zweiten Coriolis-Biegemodus mit niedrigerer Resonanzfrequenz als der erste Biegemodus (Antriebsmodus) führen. Dies wird nachfolgend erläutert.
Das Schwingungsamplitudenverhältnis in dem Antriebsmodus wird durch die Masse und Steifigkeit der beiden schwingenden Elemente bestimmt. Wenn die Durchflussröhre (1501) und der Ausgleichsstab (1503) gleiche Resonanzfrequenzen haben (und das müssen sie bei einem dynamisch ausgeglichenen Durchflussmesser), gilt das folgende Verhältnis:
Außerdem hat der Satz von der Erhaltung des Impulses Bestand: MtVt = MhhVhh
Mit diesen beiden Sätzen kann bewiesen werden, dass das Schwingungsamplitudenverhältnis die Umkehr des Massenverhältnisses ist und außerdem das Massenverhältnis und das Steifigkeitsverhältnis gleich sein müssen:
Daher muss, damit der Ausgleichsstab (1503) eine niedrigere Schwingungsamplitude hat als die Durchflussröhre (1501), der Ausgleichsstab eine größere Masse und Steifigkeit als die Durchflussröhre haben.
Die Antriebsfrequenz wird auf die folgende Weise über die zweite Coriolis-Biegemodus-Frequenz erhöht. Es wird ein hohes Schwingungsamplitudenverhältnis in dem ersten Biegemodus zwischen Durchflussröhre (1501) und Ausgleichsstab (1503) hergestellt. Dies erfolgt dadurch, dass der Ausgleichsstab (1503) und seine Elemente (1511) im Vergleich zu der Durchflussröhre (1501) schwer und steif gemacht werden. Das Ergebnis ist, dass die stationäre Knotenfläche (2201) in dem Verbindungsstab (1502) nahe an dem Ausgleichsstab (1503) liegt. Dadurch wird die Federkonstante des Ausgleichsstabes (1503) (in dem Antriebsmodus) hoch. In dem zweiten Coriolis-Biegemodus wird jedoch das Amplitudenverhältnis umgekehrt. Die Coriolis-Durchbiegungsamplitude der Durchflussröhre ist niedrig, da sie nicht bei ihrer Resonanzfrequenz durch die Coriolis-Kraft angetrieben wird. Die Ausgleichsstabamplitude in dem zweiten Biegemodus ist groß, da sie durch die Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre (1501) bei oder nahe ihrer zweiten Biegemodus-Resonanzfrequenz angeregt wird. Das Durchflussröhre/Ausgleichsstab-Schwingungsamplitudenverhältnis in dem zweiten Coriolis-Biegemodus ist somit niedrig und führt dazu, dass die stationären Knotenflächen nahe an der Durchflussröhre (1501) liegen. Das macht die Federkonstanten des Ausgleichstabes relativ lang und die Federkonstante des Ausgleichsstabes in dem zweiten Coriolis-Biegemodus niedrig. Dies verringert die zweite Biegemodus-Frequenz. Der zweite Coriolis-Biegemodus mit dem niedrigen Amplitudenverhältnis wird in 24 gezeigt. Da das Schwingungsamplitudenverhältnis in dem Antriebsmodus hoch ist und in dem zweiten Coriolis-Biegemodus niedrig ist, sind die Federkonstanten des Ausgleichsstabes (die dem Verbindungsstab (1502) innewohnen) in dem Antriebsmodus steifer als in dem zweiten Coriolis-Biegemodus. Damit kann der zweite Biegemodus tatsächlich eine niedrigere Frequenz haben als der erste Biege-Antriebsmodus.
Zusammenfassend gibt es vier Konstruktionsmerkmale, die ermöglichen, dass die zweite Biegefrequenz des Ausgleichsstabes unter der Antriebsfrequenz liegt. Das Erste be steht darin, dass die Steifigkeit auf beiden Seiten seines Mittelbereichs (1506) verringert wird. Dies verringert die zweite Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes. Dies erfolgt durch Elemente (1508 und 1509), die flexibel sind und eine niedrige Federkonstante aufweisen. Zweitens wird die Masse des Ausgleichsstabes (1503) in dessen Mittelbereich (1506) verringert und unmittelbar außerhalb der Bereiche verringerter Steifigkeit (1508 und 1509) erhöht. Dies erhöht die Antriebsfrequenz und verringert die zweite Biegemodus-Frequenz des Ausgleichsstabes. Drittens wird der Ausgleichsstab (1503) in seinen Trägerelementen (1511) steif gemacht, so dass ein großer Teil der Federkonstante des schwingenden Aufbaus in dem Verbindungsstab (1502) auftritt. Dies lässt die Federsteifigkeit des Ausgleichsstabes eine Funktion des Schwingungsamplitudenverhältnisses zwischen der Durchflussröhre und dem Ausgleichsstab werden. Viertens weiden die relative Masse und Steifigkeit der Durchflussröhre (1501) und des Ausgleichsstabes (1503) so hergestellt, dass das Schwingungsamplitudenverhältnis (Durchflussröhre/Ausgleichsstab) in dem Antriebsmodus größer ist als in dem zweiten Coriolis-Biegemodus. Dies ermöglicht, dass der zweite Biegemodus des Ausgleichsstabes eine geringfügig niedrigere Resonanzfrequenz hat als der erste Biegemodus (Antriebsmodus). Es muss nicht notwendig sein, sämtliche dieser Konstruktionsmerkmale einzusetzen, um die zweite Ausgleichsstabfrequenz unter die Antriebsfrequenz zu bringen. Es ist lediglich erforderlich, genügend von diesen Merkmalen einzusetzen, um die Frequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes (1503) so unter die Antriebsfrequenz zu bringen, dass es dafür ausreicht, dass die Durchflussempfindlichkeit des Messers von der Materialdichte unabhängig bleibt.
Die andere Ausführung der vorliegenden Erfindung, und zwar diejenige, bei der die Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus über der Antriebsfrequenz platziert wird, wird durch die Verwendung derselben Konstruktionstechniken erzielt, die für die erste Ausführung beschrieben wurden. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die zweite Biege-Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes nicht ebenso stark verringert werden muss. Sie muss etwas verringert werden, da der zweite Biegemodus normalerweise eine Resonanzfrequenz aufweist, die so viel höher ist als die Antriebsfrequenz, dass er nicht signifikant durch die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre (die bei Antriebsfrequenz auftreten) angeregt wird. Um die Verringerung um den kleineren Betrag bei dieser Ausführung zu vollziehen, ist es erforderlich, nur ein paar der Konstruktionstechniken anzuwenden oder sie gemäßigt anzuwenden.
Die vorangegangenen beschriebenen Ausführungen der Erfindung besitzen die Form einer geraden Einzelröhre mit einem parallelen Ausgleichsstab neben der Durchflussröhre. Dies erfolgte nur zur Verdeutlichung der erfinderischen Konzepte. Die Prinzipien und Konstruktionsmerkmale der Erfindung lassen sich ebenso gut auf einen Einröhren-Coriolis-Durchflussmesser mit gerader Röhre und einem konzentrischen Ausgleichsstab (25) sowie auf Einröhren-Durchflussmesser mit gekrümmter Röhre (26) und konzentrischen Ausgleichsstäben anwenden. Die bevorzugte Ausführung ist die gerade Einzelröhre mit konzentrischem Ausgleichsstab von 25. Bei 25 und 26 wurde zur Verdeutlichung die vordere Hälfte des Ausgleichsstabes entfernt, so dass die Durchflussröhre zu sehen ist. 25 ist die einfachste und kompakteste Ausführung.
Die Ausführung von 25 ähnelt der der 22 bis 24, wobei jedoch der Ausgleichsstab (2503) in Bezug auf die Durchflussröhre (2501) konzentrisch ist und sie umgibt. Der Ausgleichsstab (2503) ist an seinen Enden durch Verbindungsstäbe (2502) mit der Durchflussröhre (2501) verbunden. Der Mittelteil des Ausgleichsstabes (2503) ist auf Grund des Hohlraums (2507) leicht. Die Abschnitte (2508 und 2509) besitzen verringerte Steifigkeit. Der Ausgleichsstab (2503) besitzt außerdem zusätzliche Masseelemente (2504 und 2505), die den Elementen (1504 und 1505) in den 22 bis 24 entsprechen. Diese Konstruktion der Ausführung von 25 lässt die Frequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes (2503) unter der Frequenz des ersten Biegemodus (Antriebsfrequenz) liegen und bietet dieselben Vorteile, die zuvor für die Ausführung der 22 bis 24 beschrieben wurden. Der Ausgleichsstab (2503) umfasst Endabschnitte (2511) und den Mittelabschnitt (2506).
26 offenbart eine Ausführung, die in den meisten Beziehungen der von 25 ähnlich ist, wobei jedoch die Durchflussröhre (2601) und ihr umgebender konzentrischer Ausgleichsstab (2603) nicht gerade sind, sondern stattdessen von horizontal nach oben gekrümmt sind an Teilen (2615 und 2616), von denen sie sich nach oben erstrecken, bis sie in den Bereichen (2617 und 2618) von vertikal zu horizontal übergehen. Der Mittelteil (2606) des Verbindungsstabes (2603) besitzt einen Bereich geringer Masse (2607), der einen Hohlraum und längliche Elemente (2608 und 2609) umfasst, die zusätzlich eine niedrige Federkonstante aufweisen. Die Elemente (2604 und 2605) bieten auf dieselbe Weise zusätzliche Masse wie die Elemente (2504 und 2505) der Ausführung von 25 und auf dieselbe Weise wie die Elemente (1504 und 1505) bei der Ausführung von 22 bis 24.
In 25 gibt das Messerelektronikelement (2420) über den Pfad (2423) Antriebssignale an die Antriebseinrichtung (D) ab, die mit einem angrenzenden Magneten (M) zusammenwirkt, um die Durchflussröhre (2501) und den Ausgleichsstab (2503) bei einer Resonanz-Antriebsfrequenz zueinander phasenversetzt in Schwingung zu versetzen. Bei Materialdurchfluss in der schwingenden Durchflussröhre werden Coriolis-Kräfte auf die Durchflussröhre ausgeübt, um ihren linken Teil in Bezug auf ihren rechten Teil phasenversetzt durchzubiegen, wie dies auf dem Gebiet wohlbekannt ist. Diese Coriolis-Durchbiegungen werden durch den linken Sensor (SL) und den rechten Sensor (SR) erfasst. Signale, die die Coriolis-Durchbiegungen darstellen, werden über die Pfade (2421 und 2422) an die Messerelektronik (2420) abgegeben, die die Signale auf die herkömmliche Weise verarbeitet, um Ausgangsinformationen bezüglich des durchfließenden Materials zu erzeugen. Diese Informationen werden an den Pfad (2424) abgegeben und können Materialdichte, Materialdurchsatz usw. enthalten. In 25 umfassen die Antriebseinrichtung (D), der linke Sensor (SL) und der rechte Sensor (SR) jeweils das Spule-Magnet-Paar, wobei die Magnete mit M bezeichnet und an der Durchflussröhre in der Nähe der Spule (SL, D und SR) von jedem Spule-Magnet-Paar angebracht werden.
Die Ausführung von 26 steht auf ähnliche Weise mit einem Elektronikelement (nicht gezeigt) in Verbindung, das mit der Messerelektronik (2420) vergleichbar ist. Die Ausführung von 26 besitzt in ähnlicher Form eine Antriebseinrichtung (D), einen linken Sensor (SL) und einen rechten Sensor (SR) (allesamt nicht gezeigt) in der Ansicht von 26, da die Durchflussröhre in einer Ebene quer zu der Darstellung von 26 schwingt. Bei dieser Ansicht sind nur der linke Magnet (M), der in Verbindung mit dem Sensor (SL) (nicht gezeigt) steht, und der mittige Magnet (M), der in Verbindung mit der Antriebseinrichtung (D) (nicht gezeigt) steht, und der rechte Magnet (M), der in Verbindung mit dem Sensor (SR) (nicht gezeigt) steht, in 26 sichtbar.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Coriolis-Durchflussmessers mit einer Durchflussröhre (2501) und einem Ausgleichsstab (2503), der im Wesentlichen parallel zu der Durchflussröhre ausgerichtet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Leiten von Material durch die Durchflussröhre; Versetzen der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes in Schwingung bei einer Antriebsmodus-Frequenz, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes und der Durchflussröhre bei Materialdurchfluss entspricht, wobei periodische Coriolis-Durchbiegungen bei der Antriebsmodus-Frequenz in der schwingenden Durchflussröhre aufgrund des Durchflusses von Material durch die schwingende Durchflussröhre ausgelöst werden und die periodischen Coriolis-Durchbiegungen durch Durchbiegungsbereiche sowie durch Knoten ohne Durchbiegung gekennzeichnet sind; wobei die Antriebsmodus-Frequenz von der Dichte des Materialdurchflusses abhängt und sich umgekehrt zu einer Änderung der Dichte des Materialdurchflusses ändert; Erfassen der relativen Geschwindigkeit der Durchflussröhre in Bezug auf den Ausgleichsstab, um Signale zu erzeugen, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, und Herleiten von Informationen bezüglich des durchfließenden Materials in Reaktion auf die Erzeugung der Signale, wobei die Signale eine Amplitude haben, die sich mit der Dichte ändert; dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsstab eine ungleichmäßige Massen- und Steifigkeitsverteilung über seine Länge hat, so dass die Resonanzfre quenz des Ausgleichsstabes in einem Schwingungsmodus, der die gleiche Anzahl von Knoten hat wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre, nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt; coriolisartige Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab bei der Antriebsmodus-Frequenz in Reaktion auf die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre ausgelöst werden, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes die gleiche Anzahl von Knoten wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre haben und einen coriolisartigen Schwingungsmodus darstellen, bei dem die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Amplitude proportional zur Größe der periodischen Corioliskräfte an der schwingenden Durchflussröhre bei Materialdurchfluss haben; und die erzeugten Signale, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, in Bezug auf die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes erzeugt werden, und die coriolisartigen Durchbiegungen so die Amplitude der Signale ändern; die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Schwingungsamplitude haben, die eine Funktion der Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sowie der Differenz zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes ist; eine Änderung der Antriebsmodus-Frequenz eine Änderung des Frequenzabstandes zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus verursacht; eine Änderung des Frequenzabstandes die Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen ändert; und eine Änderung der Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen mit der Dichte die Änderung der Amplitude der Coriolis-Durchbiegungen mit der Dichte negiert und zu einer Durchflussempfindlichkeitsgröße führt, die unabhängig von Änderungen der Dichte des durchfließenden Materials ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren einschließt: Betreiben des Durchflussmessers so, dass er auf eine Änderung der Dichte des Materialdurchflusses so anspricht, dass das Verhältnis zwischen der Antriebsmodus-Schwingungsamplitude der Durchflussröhre (2501) und des Ausgleichsstabes (2503) verändert wird, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer ersten Richtung zu ändern, und des Weiteren das Verhältnis zwischen der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude der Durchflussröhre und der coriolisartigen Durchbiegungs-Amplitude des Ausgleichsstabes verändert, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu ändern; wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers erreicht wird, die im Wesentlichen unabhängig von Änderungen der Dichte des Materialdurchflusses ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Schwingungsamplitude haben, die sich umgekehrt zu der Größe des Abstandes der Antriebsmodus-Frequenz zu der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes ändert, und das Verfahren des Weiteren einschließt: Verändern der Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer ersten Richtung in Reaktion auf eine Änderung des Verhältnisses der Antriebsmodus-Schwingungs-Amplitude der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes, die aus der Änderung der Dichte des Materialdurchflusses resultiert; Verändern des Verhältnisses zwischen der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude des Durchflussmessers und der Amplitude der coriolisartigen Durchbiegung des Ausgleichsstabes in Reaktion auf die Änderung der Antriebsmodus-Frequenz, die aus der Änderung der Dichte des Materialdurchflusses resultiert, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu verändern; wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine im Wesentlichen konstante Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers über einen Bereich von Dichten des Materialdurchflusses erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt des Auslösens von coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab (2503) einschließt, wobei der coriolisartige Schwingungsmodus eine Resonanzfrequenz hat, die geringer ist als die Antriebsfrequenz, und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasenversetzt zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt des Auslösens von coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab (2503) einschließt, wobei der coriolisartige Schwingungsmodus eine Resonanzfrequenz hat, die größer ist als die Antriebsfrequenz, und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasengleich zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab (2503) ausgelöst werden, indem: Enden der Durchflussröhre in Reaktion auf die periodischen Coriolis-Durchbiegungen gebogen werden, um ein erstes Ende einer Verbindungsstabeinrichtung (2502) zu biegen; und ein zweites Ende der Verbindungsstabeinrichtung in Reaktion auf Biegen des ersten Endes gebogen wird, um die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab (2503) auszulösen.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt des Übertragens der effektiven Federkonstante des Ausgleichsstabes (2503) von dem Ausgleichsstab auf die Verbindungsstabeinrichtung umfasst, um die Resonanzfrequenz eines zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt der Verringerns der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes (2503) durch Verringern der effektiven Federkonstante des Ausgleichsstabes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, das des Weiteren den Schritt des Verringerns der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes (2503) durch Schaffung wenigstens eines flexiblen Teils des Ausgleichsstabes zusammen mit der Schaffung vergrößerter Masse (2504, 2505) an wenigstens einem anderen Teil des Ausgleichsstabes sowie der Schaffung eines Hohlraums (2507) in wenigstens einem Teil des Ausgleichsstabes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren des Weiteren den Schritt des Verringerns der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes durch die Schaffung flexibler Teile des Ausgleichsstabes (2503) an Positionen starken Biegemoments des Ausgleichsstabes für die coriolisartigen Durchbiegungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt des Haltens der Endknoten der schwingenden Durchflussröhre (2501) und des Ausgleichsstabes (2503) in Verbindungsstabeinrichtungen (2502), die die Durchflussröhre und den Ausgleichsstab verbinden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Haltens die Schaffung steifer Abschnitte (2511, 2506) des Ausgleichsstabes (2503) und flexibler Abschnitte (2508, 2509) des Ausgleichsstabes, die keinen steifen Abschnitt umfassen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmodus einen ersten Biegemodus umfasst und wobei die coriolisartigen Durchbiegungen den zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes (2503) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 13, das des Weiteren den Schritt des Verringerns der Frequenz des zweiten Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes (2503) durch die Schaffung eines Mittelteils (2506) des Ausgleichsstabes und eines flexiblen Teils (2508, 2509) an jeder Seite des Mittelteils des Ausgleichsstabes zusammen mit der Schaffung einer vergrößerten Masse (2504, 2505) an jeder Seite des Mittelteils umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das des Weiteren den Schritt des Verringerns der Resonanzfrequenz des zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes durch die Schaffung flexibler Teile (2508, 2509) des Ausgleichsstabes an Positionen starken Biegemoments des Ausgleichsstabes und vergrößerter Masse (2504, 2505) an Positionen starker Schwingungsamplitude in dem zweiten Biegemodus umfasst.
Coriolis-Durchflussmesser mit einer Durchflussröhre (2501), die so eingerichtet ist, dass sie einen Materialdurchfluss aufnimmt, einen Ausgleichsstab (2503), der im Wesentlichen parallel zu der Durchflussröhre ausgerichtet ist, und Verbindungsstabeinrichtungen (2502), die die Durchflussröhre mit dem Ausgleichsstab verbinden, wobei der Coriolis-Durchflussmesser des Weiteren umfasst: eine Antriebseinrichtung (D), die so angeordnet ist, dass sie die Durchflussröhre und den Ausgleichsstab in einem Antriebsmodus mit einer Frequenz, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der mit Material gefüllten Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes entspricht, in Phasenopposition in Schwingung versetzt, so dass periodische Coriolis-Durchbiegungen bei der Antriebsfrequenz in der schwingenden Durchflussröhre ausgelöst werden, wenn Material durch sie fließt, wobei die periodischen Coriolis-Durchbiegungen durch Durchbiegungsbereiche sowie durch Knoten ohne Durchbiegung gekennzeichnet sind; wobei die Antriebsmodus-Frequenz von der Dichte des Materialdurchflusses abhängt und sich umgekehrt zu einer Änderung der Dichte des Materialdurchflusses ändert; Einrichtungen (SL, SR) zum Erfassen der Geschwindigkeit der Durchflussröhre in Bezug auf den Ausgleichsstab, um Signale zu erzeugen, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, wobei die Signale eine Amplitude haben, die sich mit der Dichte ändert; eine Einrichtung (2420) zum Herleiten von Materialdurchfluss-Informationen in Reaktion auf Erzeugung der Signale; dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsstab (2503, 2603) einen Aufbau hat, der eine ungleichmäßige Massen- und Steifigkeitsverteilung über die Länge des Ausgleichsstabes schafft, so dass die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes in einem Schwingungsmodus mit der gleichen Anzahl von Knoten wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt, wobei coriolisartige Durchbiegungen in Reaktion auf die Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre in dem Ausgleichsstab bei der Antriebsmodus-Frequenz coriolisartig sind und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes die gleiche Anzahl von Knoten wie die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre haben und einen coriolisartigen Schwingungsmodus darstellen, bei dem die Resonanzfrequenz des Ausgleichsstabes nahe an der Frequenz der periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre liegt, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Amplitude haben, die proportional zu der Größe periodischer Coriolis-Kräfte der schwingenden Durchflussröhre bei Materialdurchfluss ist; die coriolisartigen Durchbiegungen einen coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes definieren, der eine Resonanzfrequenz hat, die nahe genug an der Antriebsmodus-Frequenz liegt, ihr jedoch nicht entspricht, um die Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen in Reaktion auf eine Änderung der Antriebs modus-Frequenz zu ändern, so dass die coriolisartigen Durchbiegungen die Amplitude der Signale verändern; die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes eine Schwingungsamplitude haben, die eine Funktion der Coriolis-Durchbiegung der Durchflussröhre sowie der Differenz zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes ist; die Signalerzeugungseinrichtungen (SL, SR) die Signale, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre darstellen, in Bezug auf die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes erzeugen und so die Amplitude der erzeugten Signale verändern; wobei eine Änderung der Antriebsmodus-Frequenz eine Änderung des Frequenzabstandes zwischen der Antriebsmodus-Frequenz und der Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus verursacht; eine Änderung des Frequenzabstandes die Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen ändert; und eine Änderung der Amplitude der coriolisartigen Durchbiegungen mit der Dichte die Änderung der Amplitude der Coriolis-Durchbiegungen mit der Dichte negiert und zu einer Durchflussempfindlichkeitsgröße führt, die unabhängig von Änderungen der Dichte des durchfließenden Materials ist.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, der enthält: Einrichtungen (2501, 2503), mit denen der Durchflussmesser so betrieben wird, dass er auf eine Änderung der Dichte des Materialdurchflusses so anspricht, dass das Verhältnis zwischen der Antriebsmodus-Schwingungsamplitude der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes verändert wird, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer ersten Richtung zu ändern; Einrichtungen (2501, 2503), die auf eine Änderung der Antriebsmodus-Frequenz, die aus der Änderung der Dichte des Materialdurchflusses resultiert, ansprechen, und das Verhältnis zwischen der Coriolis-Durchbiegungs-Amplidude der Durchflussröhre und der coriolisartigen Durchbiegungs-Amplitude des Ausgleichsstabes verändern, um die Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu ändern; wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine im Wesentlichen konstante Durchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers erreicht wird, die im Wesentlichen unabhängig von Änderungen der Dichte des Materialdurchflusses ist.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, der des Weiteren umfasst: eine Einrichtung (2503), die auf eine Änderung der Dichte des Materialdurchflusses anspricht und die strömungsabhängige Größe des Durchflussmessers in einer ersten Richtung in Reaktion auf eine Änderung des Antriebsmodus-Schwingungsamplituden-Verhältnisses der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes verändert; eine Einrichtung (2501), die auf eine Änderung der Dichte anspricht und die Antriebsmodus-Frequenz verändert; eine Einrichtung, die die strömungsabhängige Größe des Durchflussmessers in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung in Reaktion auf eine Änderung des Verhältnisses der Coriolis-Durchbiegungs-Amplitude der Durchflussröhre zu der coriolisartigen Durchbiegungs-Ampitude des Ausgleichsstabes, die aus einer Änderung der Antriebsmodus-Frequenz resultiert, verändert; wobei die Änderungen der Durchflussempfindlichkeitsgröße in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung bewirken, dass eine im Wesentlichen konstante Materialdurchflussempfindlichkeitsgröße des Durchflussmessers erreicht wird.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, wobei die Einrichtung (D), die den Ausgleichsstab in Schwingung versetzt, eine Einrichtung enthält, die die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab bei der Antriebsfrequenz auslöst, wobei die Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus größer ist als die Antriebsmodus-Frequenz und die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasengleich zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 18, wobei die Einrichtung (D), die die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab (2503) auslöst, Kräfte, die die periodischen Coriolis-Durchbiegungen anzeigen, von der wenigstens einen Durchflussröhre über den Verbindungsstab (2502) auf den Ausgleichsstab ausdehnt, um die coriolisartigen Durchbiegungen in dem Ausgleichsstab auszulösen.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, der des Weiteren Einrichtungen (2511, 2504, 2505, 2508, 2509, 2507, 2506) umfasst, die die Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes auf einen Wert unter dem der Antriebsmodus-Frequenz verringern, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen des Ausgleichsstabes phasenversetzt zu den periodischen Coriolis-Durchbiegungen der Durchflussröhre sind.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 21, wobei die Einrichtungen zum Verringern zusätzliche Masse (2504, 2505) in dem Ausgleichsstab (2503) in Bereichen starker Schwingungsamplitude in dem coriolisartigen Schwingungsmodus umfassen und flexible Teile (2508, 2509) des Ausgleichsstabes an Positionen starken Biegemoments in dem coriolisartigen Schwingungsmodus umfassen.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 21, wobei der Antriebsmodus einen ersten Biegemodus umfasst und wobei der coriolisartige Schwingungsmodus einen zweiten Biegemodus umfasst.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 22, wobei die Einrichtungen zum Verringern des Weiteren einen starren Mittelteil (2506) des Ausgleichsstabes und eine zusätzliche Masse (2504, 2505) an jeder Seite des starren Mittelteils umfassen und wobei die Einrichtungen zum Verringern des Weiteren flexible Teile (2508, 2509) des Ausgleichsstabes an Positionen auf beiden Seiten des starren Mittelteils umfassen.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 24, wobei die Einrichtungen zum Verringern des Weiteren einen Hohlraum (2507) in dem Mittelteil zum Erhöhen der Antriebsfrequenz umfassen.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 24, wobei der flexible Teil Bälge (1808, 1809) umfasst.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 22, der des Weiteren Einrichtungen (2508, 2509) zum Reduzieren der effektiven Federkonstante des Ausgleichsstabes umfasst, um die Resonanzfrequenz des coriolisartigen Schwingungsmodus des Ausgleichsstabes zu reduzieren.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, der des Weiteren Einrichtungen (2508, 2509) zum Konzentrieren der effektiven Federkonstante der wenigstens einen Durchflussröhre und dem Ausgleichsstab in dem Verbindungsstab umfasst.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 28, wobei die Einrichtungen zum Konzentrieren steife Elemente (2511, 2506) an dem Ausgleichsstab und flexible Elemente (2508, 2509) umfassen, die jeden Teil des Ausgleichsstabes umfassen, der kein steifes Element umfasst.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, wobei der Endknoten der Durchflussröhre und des Ausgleichsstabes in dem Verbindungsstab gehalten wird.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, der eine im Wesentlichen gerade Durchflussröhre (2501) und einen im Wesentlichen geraden Ausgleichsstab (2503) umfasst.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, der eine Durchflussröhre (2601) mit einem gekrümmten Teil (2615) und einen Ausgleichsstab (2603) mit einem gekrümmten Teil (2611) umfasst.
Coriolis-Durchflussmesser nach Anspruch 16, wobei die coriolisartigen Durchbiegungen den zweiten Biegemodus des Ausgleichsstabes umfassen.