DE9117157U1 - Vorrichtung zum Erfassen und Dosieren von Massedurchflüssen - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Erfassen und Dosieren von Massedurchflüssen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Massedurchflüssen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Derartige Vorrichtungen kommen beispielsweise zum Einsatz in Produktions- und Prüfanlagen der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Kunststoff-, Getränke-, Lebensmittel- und Futtermittelindustrie sowie der Papierindustrie. Ein weiteres Einsatzgebiet betrifft die Forschung in Industrie und Hochschule.

Bei einem bekannten Massedurchfluß-Erfassungsgerät der eingangs angegebenen Art {DE-A-3 6 32 851) sind zwei flüssigkeitsdurchströmte Meßrohre vorgesehen, die an je ein Verteilerstück angeschlossen sind, das über je einen kurzen rohrförmigen Ansatz mit dem Innenrand einer ringförmigen Membran verbunden ist. Der Außenrand der Membran ist mit einem Haltering verbunden, der in der Haltebuchse des Trägerrohrs eingespannt ist. Die Meßrohre und die Verteilerstücke bilden somit ein mechanisches Schwingungssystem, das schwingend in dem als Trägerrohr ausgebildeten Gehäuse befestigt ist. Die Meßrohre werden dort über den Schwingungserreger zu Biegeschwingungen angeregt, die zu einer periodischen Verkürzung und Streckung des Abstandes zwischen den beiden Verteilerstücken führen. Zur Schwingungsentkopplung ist

daher eine aufwendige Membrananordnung erforderlich, die zusätzlich als Durchgangsrohr zwischen Prozeßrohrleitung und Meßrohr fungiert.

Weiter ist es bei einem Massedurchfluß-Meßgerät bekannt {EP-A 253 504 und EP-A 317 340), das Meßrohr im Bereich seiner ein- und auslaßseitigen Enden mit Klemmringen zu versehen, die schwer genug sind, um das zu Biegeschwingungen angeregte Rohr an ihren Enden bewegungslos zu halten. Im Bereich der Rohrenden sind außerdem zylindrische Faltenbalge eingeformt, die die thermische Längsausdehnung des Rohrs kompensieren und eine Schallübertragung vermeiden sollen. In der EP-A-317 340 sind die Klemmringe miteinander verbunden, aber nicht starr, sondern so, daß sie sich axial gegeneinander bewegen können.

In der nachveröffentlichten EP 421 812 ist ein Durchflußmesser beschrieben, bei welchem ein helixförmiges Meßrohr am Eintritts- und Austrittspunkt mit einem gehäusefesten zylindrischen Rahmen fest verbunden ist. Der Schwingungserreger einerseits und die Sensoren andererseits sind auf separaten Trägern angeordnet, die an ihren Enden jeweils an benachbarten, parallel verlaufenden Windungsabschnitten der Helix befestigt sind. Die mechanische Entkopplung gegenüber dem Gehäuse und der Prozeßrohrleitung erfolgt über isolierende Leitungsbögen, die sich zwischen der Einspannstelle am Außenrahmen und einem mit den Meßwindungen der Helix verbundenen Balken erstrecken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde; das bekannte Massedurchfluß-Erfassungsgerät der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß mit besonders einfachen Mitteln eine wirksame schwingungsmäßige Entkopplung des Meßrohrs von der Prozeßrohrleitung erreicht wird, so daß die Vorrichtung auch für hochpräzise Massedosiergeräte verwendet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Kern der Erfindung besteht also in einer schwingungsmäßigen Entkopplung des Meßrohrs von der Prozeßrohrleitung. Hierdurch wird ein störungsunempfindlicher Betrieb der Massedurchfluß-Erfassungsvorrichtung gewährleistet, und zwar in einem Ausmaß, das den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für hochpräzise Massedosiergeräte gestattet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Meßrohr und der Tragrahmen derart schwingungsmäßig aufeinander abgestimmt sind, daß sich die Meßrohr- und Tragrahmenschwingungen an den Einpannstellen des Meßrohrs mit dem Tragrahmen kompensieren. Dadurch wird erreicht, daß über die kritischen Verbindungsstellen des Meßrohrs mit der Prozeßrohrleitung keine Schwingungsanteile des internen Schwingungssystems in die Prozeßrohrleitung gelangen, so daß eine Schwingungsleckage wirksam unterbunden ist.

Als begleitende Maßnahme für die interne Schwingungskompensation kann ein am Tragrahmen eingespannter Antiresonator vorgesehen werden, dessen Resonanzfrequenz auf die Drehschwingung des Meßrohrs und/ oder die Schwingungen des Tragrahmens abgestimmt ist. Der Antiresonator kann dabei ein Stab oder ein nicht vom zu messenden Fluid durchströmtes Rohr sein, der bzw. das parallel zum Meßrohr verläuft.

Die erfindungsgemäße Massedurchfluß-Erfassungsvorrichtung eignet sich aufgrund ihrer hochgradigen Störunempfindlichkeit besonders gut zum Dosieren von Massen. Deshalb wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß das aus Tragrahmen und Meßrohr bestehende Schwingungsgebilde in eine Dosiereinrichtung integriert sind, wobei das schwingungsentkoppelte Meßrohr ausgangseitig an die Dosiereinrichtung angeschlossen ist.

Vorteilhafterweise ist die Kombination von Meßrohr und Dosiereinrichtung in Gestalt eines automatischen Dosiergeräts realisiert. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, die Dosiereinrichtung mit einem Stellglied zu versehen, welches an den Auslaßabschnitt des Meßrohrs angeschlossen ist. Bei dem Stellglied handelt es sich vorzugsweise um ein Stellventil oder eine Pumpe. Für die automatische Steuerung und Betätigung der Dosiereinrichtung kann ein elektronischer Steuerschaltkreis vorgesehen werden, der eine Sollwerteingabe für die zu dosierende Fluidmenge und einen vom Durchfluß-Istwert

und vom Sollwert beaufschlagten Regler umfaßt, der das Stellglied mit einem Stellsignal versorgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes automatisches Dosiergerät in schematischer, teilweise geschnittener Darstellung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Massedurchfluß-Erfassungsvorrichtung des Dosiergeräts nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht der Massedurchfluß-Erfassungsvorrichtung nach Fig. 1 in Richtung des Pfeils y der Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Steuerschaltkreises für das Dosiergerät;

Fig. 5 eine weitere Ausfuhrungsform einer schwingungsentkoppelten Massedurchfluß-Erfassungsvorrichtung.

Das in Fig. 1 schemtaisch dargestellte Dosiergerät umfaßt einen Meßgrößenwandler 1, ein Stellventil 2, einen Dosiergeräte-Einlaß 3 sowie einen Dosiergeräte-Auslaß 4. Einlaß 3 und Auslaß 4 sind als endseitig jeweils mit Flanschen versehene Rohre ausgebildet und der Einlaß 3 ist über einen innenliegenden Flansch 5 mit dem Meßgrößenwandler-Einlaß 6 verbunden, während der Auslaß 4

über einen Flansch 7 mit dem Auslaß 8 des Stellventils 2 verbunden ist. Ferner weist der Meßgrößenwandler 1 einen Auslaß 9 und das Stellventil 2 einen Einlaß 10 auf, und Ein- sowie Auslaß des Meßgrößenwandlers und des Stellventils sind jeweils ebenfalls als Rohre ausgebildet. Zur Verbindung des Meßgrößenwandler-Auslasses 9 mit dem Stellventil-Einlaß 10 ist eine weitere Flanschverbindung 11 vorgesehen. Die vorstehend genannten Teile sind bis auf die außenliegenden Flanschanschlüsse 12 und 13 des Dosiergeräte-Einlasses 3 und des Dosiergeräte-Auslasses 4 innerhalb eines gemeinsamen ringsum geschlossenen Gehäuses 14 angeordnet und an der Innenwandung des Gehäuses mittels Schrauben befestigt, die den verkapselten Meßgrößenwandler 1 und Befestigungsflansche des Stellventils 2 durchsetzen. Schließlich ist am Gehäuse 14 außenliegend ein Meß- und Steuerschal tkreis angeordnet, der in einem eigenen Gehäuse 15 untergebracht, dessen eine Wandung Buchsen 16 trägt, die an einen innengelegenen Schaltkreis angeschlossen sind sowie über nicht dargestellte Verbindungsleitungen an ebenfalls nicht dargestellte Buchsen am Gehäuse 14 angeschlossen sind, die ihrerseits in Verbindung stehen mit Anschlüssen des Meßgrößenwandlers 1 und des Stellventils 2 (ebenfalls nicht dargestellt).

Das Dosiergerät ist über die Einlasse 3 und 4 an eine nicht dargestellte Prozeßrohrleitung angeschlossen. Dadurch gelangt Meßstoff vom Einlaß 3 kommend über den Meßgrößenwandler 1 zum Stellventil 2 und von dort zum Auslaß 4. Der Meßgrößenwandler 1 stellt den Ist-Wert des Massedurchflusses mit Hilfe des Steuerschaltkreises

fest, der das Regelventil mit einem vorgegebenen Sollwert für den für den Massedurchfluß ansteuert.

Das Blockschaltbild des Steuerschaltkreises ist in Fig. 4 dargestellt. Der Steuerschaltkreis 17 umfaßt demnach einen vom Massedurchfluß-Sollwert A und dem Massedurchfluß-Istwert B beaufschlagten Regler 18, der einen Stellwert ermittelt und an einen Treiber 19 abgibt, über welchen das Stellventil 2 angesteuert, nämlich eingestellt wird. Der dann aktuelle Massedurchfluß wird an C in eine Meßeinrichtung 2 0 eingespeist, die den Meßgrößenwandler 1 und einen Signalverarbeitungsteil umfaßt sowie eine Auswerteeinheit. Über eine an die Meßeinrichtung 20 angeschlossene Ausgabeeinheit 21 werden die Dosierwerte in Form von Anzeigen D oder in Form von elektrischen Signalen dargestellt.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, umfaßt der Meßgrößenwandler 1 als Kernstück ein einziges Meßrohr 27, das aus geradlinigen Ein- und Auslassen 28 und 29 und einem gebogenen zentralen Abschnitt 3 0 besteht. Einlaß und Auslaß 28 und 29 liegen fluchtend auf einer gemeinsamen Achse X-X', die in einer gemeinsamen Ebene mit dem gebogenen Rohrstück 3 0 angeordnet ist. Das Meßrohr 27 ist im Bereich seines Einlasses 28 und seines Auslasses 29 in Platten 31 und 32 fest eingespannt, die mittels Streben 3 3 und 3 4 zu einem Tragrahmen 3 5 starr miteinander verbunden sind. Die Anordnung aus Tragrahmen 3 5 und Meßrohr 27 ist schwingend über den Meßrohreinlaß 28 und den Meßrohrauslaß 29 mittels Klemmböcken 3 6 und 37 am Meßgrößenwandlergehäuse 38 befestigt. Durch die schwin-

gende Aufhängung des Meßrohr-Tragrahmenaufbaus wird in erster Linie verhindert, daß Schwingungen aus der Prozeßrohrleitung in das Meßrohr einzutreten vermögen. Die Prozeßrohrleitung ist beispielsweise drehbar an den Einlaß 28 und den Auslaß 29 des Meßrohrs 27 angeschlossen. Um zu verhindern, daß interne Schwingungen des Meßrohrs 27 auf die Prozeßrohrleitung übertragen werden, sind Meßrohr 27 und Tragrahmen 3 5 derart aufeinander schwingungsmaßig abgestimmt, daß sich Meßrohr- und Tragrahmenschwingungen an den Verbindungsstellen von Meßrohr und Tragrahmen kompensieren.

Eine andere Ansicht des Meßgrößenwandlers von Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt, und zwar in einer Draufsicht entlang dem Pfeil Y von Fig. 2, wodurch das geschwungene Meßrohr 27 in der Darstellung von Fig. 3 scheinbar einen geradlinigen Verlauf einnimmt. Aus der um 90° gegenüber Fig. 2 geschwenkten Darstellung des Meßgrößenwandlers von Fig. 3 wird deutlich, daß in den Tragrahmen 3 5 zusätzlich zu dem Meßrohr 27 ein Antiresonator 39 in Gestalt eines dem Meßrohr entsprechend gekrümmten Rohres eingespannt ist, das von dem Meßfluid nicht durchflossen wird und parallel zur Geraden X-X verläuft. Der Antiresonator 39 weist eine Eigenresonanz auf, deren Frequenz im wesentlichen mit derjenigen des vom Meßfluid durchflossenen Meßrohres 27 übereinstimmt. Durch diese Maßnahme wird ein abgestimmtes internes Schwingungssystem gebildet, bestehend aus Meßrohr 27, Tragrahmen 35 und Antiresonator 29. Erreicht wird diese Schwingungsabstimmung beispielsweise durch an sich bekannte Finite-Element-Methoden.

Auf dem Antiresonator 39 sind im Krümmungsbereich Stellungsfühler 40 und 41 angebracht, welche die aktuelle Position des schwingenden Meßrohrs 37 abtasten. Geeignete Fühler sind beispielsweise elektrodynamische, piezo-elektrische, optische oder magnetostriktive Fühler.

Zum Schwingen angeregt wird das Meßrohr 27 durch einen Schwingungserreger 42, der in an sich bekannter Weise ausgebildet ist und zwei Erregerelemente 43 und 44 umfaßt, die fest mit dem Tragrahmen 35 verbunden sind sowie ein weiteres Erregerelement 45, das fest mit dem Meßrohr 27 verbunden ist.

Mit Hilfe des Schwingungserregers 42 wird das Meßrohr 27 in Drehschwingungen um die Achse X-X' versetzt. Durch ihre Überlagerung mit der Fließgeschwindigkeit des in dem Meßrohr 27 strömenden Meßstoffes entstehen in dem gekrümmten Rohrabschnitt 3 0 Coriolisbeschleunigungen, die auf bekannte Weise mit der momentan im Rohrabschnitt 3 0 befindlichen Masse des Meßstoffes zusammen Corioliskräfte erzeugen, die an ihren Entstehungsorten auf das Meßrohr 27 einwirken und mit den Fühlern 40 und 41 erfaßt werden, die elektrische Ausgangssignale an den Schaltkreis 17 abgeben.

Der Schwingungserreger 42 ist an einen Oszillator 26 {Fig. 4) des Schaltkreises 17 angeschlossen und wird von diesem in bekannter Weise angetrieben.

- 10 -

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Meßrohraufhängung innerhalb des Meßgrößenwandlergehäuses 38. Die Maßnahmen zur schwingungsmäßigen Entkopplung des Meßrohrs 27 von der nicht dargestellten Prozeßrohrleitung umfassen gemäß Fig. 5 neben dem bereits anhand von Fig. 2 beschriebenen Tragrahmen 35 einen Außenrahmen 50, in welchen schwingungsabsorbierende Rohrelemente und 52 eingespannt sind. Die Rohrelemente 51 und 52 ersetzen die Meßrohreinlaß- und Auslaßrohre 28 und 29 von Fig. 2 und umfassen starre Rohrabschnitte 51a und 52a, die fest mit dem Außenrahmen 50 verbunden und an die Prozeßrohrleitung angeschlossen sind. Weiterhin umfassen die Rohrelemente 51 und 52 "weichere" Abschnitte 51b und 52b, über welche sie an das Meßrohr 27 angeschlossen sind. Die Materialangabe "weicher" bezieht sich auf die Biege-, Torsions- und Längs- bzw. Zug- und Drucksteifigkeit der Brückenrohrteile 51b und 52b, wobei die genannten Steifigkeiten mit Bezug auf die des Außenrahmens 50 wesentlich geringer sind. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß Schwingungen der Prozeßrohrleitung in den Außenrahmen eingeleitet und vernichtet werden, ohne daß diese parasitären Schwingungen in das System aus Tragrahmen 35 und Meßrohr 27 eingeleitet werden, welche Teile ein internes Schwingungssystem darstellen, das eine Leckage von internen Schwingungen zu der Prozeßrohrleitung aufgrund seiner Abstimmung unterbindet, wie anhand von Fig. 2 dargestellt.

Claims (12)

- 11 - Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Erfassen von Massedurchflüssen nach dem Coriolis-Prinzip,

a) mit einem Gehäuse (38) oder einem Außenrahmen

(50) ;

b) mit mindestens einem Meßrohr (27), das über seine fluchtend auf einer gemeinsamen Achse (X-X') liegenden Ein-und Auslaßabschnitte {28,29;51,52) an eine von einem Fluid durchströmte Prozeßrohrleitung anschließbar ist,

c) mit einem an das Meßrohr (27) angekoppelten Schwingungserreger (42),

d) mit einer Fühlereinrichtung (40,41) zum Erfassen von Schwingungen des Meßrohrs (27),

e) mit einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Massedurchflusses aus dem Ausgangssignal der Fühlereinrichtung (40,41)

f) und mit zwei an den Ein- und Auslaßabschnitten (28, 29,-51,52) des Meßrohrs eingespannten Stirnplatten (31,32), die unter Bildung eines Tragrahmens (35) miteinander verbunden sind,

g) wobei das aus Meßrohr (27) und Tragrahmen {35) bestehende Schwingungsgebilde unter schwingungs-

- 12 -

mäßiger Entkopplung des Meßrohrs von der Prozeßrohrleitung mit Hilfe der über die Stirnplatten (31,32) des Tragrahmens (35) überstehenden Ein- und Auslaßabschnitte (28,29,51,52) des Meßrohrs

(27) schwingend am Gehäuse (38) oder am Außenrahmen (50) befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet,

h) daß die beiden Stirnplatten (31,32) des Tragrahmens (35) starr miteinander verbunden sind,

i) daß das Meßrohr (27) einen zwischen den geradlinigen Ein- und Auslaßabschnitten (28,29;51,52) angeordneten, gebogenen zentralen Rohrabschnitt (3 0) aufweist,

j) daß das Meßrohr (27) durch den Schwingungserreger (42) zu Drehschwingungen um die gemeinsame Achse (X-X') der an den Stirnplatten (31,32) eingespannten Ein- und Auslaßabschnitte (28,29; 51,52) anregbar ist,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (27) und der Tragrahmen (35) derart schwingungsmäßig aufeinander abgestimmt sind, daß sich die Meßrohr- und Tragrahmenschwingungen an den Einspannstellen des Meßrohrs (27) mit dem Tragrahmen (35) kompensieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

- 13 -

zeichnet, daß das aus Meßrohr (27) und Tragrahmen (35) bestehende Schwingungsgebilde einen an die Verbindungsstellen des Meßrohrs (27) mit dem Tragrahmen (35) angeschlossenen Antiresonator (39) umfaßt, dessen Resonanzfrequenz auf die Drehschwingung des Meßrohrs (27) und/oder die Schwingung des Tragrahmens (35) abgestimmt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antiresonator (39) ein Stab oder ein nicht vom zu messenden Fluid durchsetztes Rohr ist, der bzw. das parallel zum Meßrohr (27) verläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antiresonator (39) die Gestalt eines dem Meßrohr (27) entsprechend gekrümmten Rohres aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlereinrichtung im Krümmungsbereich des Antiresonators (39) angeordnete Fühler (40,41) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (42) am Tragrahmen (35) und am Meßrohr (27) angeordnete Erregerelemente (43,44,-45) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in eine Dosiereinrichtung integriert ist.

- 14 -

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung ein vorzugsweise als Stellventil oder Pumpe ausgebildetes Stellglied (2) umfaßt, das oder die an den Auslaßabschnitt (29,52) des Meßrohrs (27) angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung einen elektronischen Steuerschaltkreis (17) mit einer Sollwerteingabe für die zu dosierende Fluidmenge und einen vom Durchfluß-Istwert und vom Sollwert beaufschlagten Regler (18) umfaßt, der ein Stellsignal für das Stellglied (2) bildet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein in einem gemeinsamen Gehäuse (14) angeordnetes automatisches Dosiergerät bildet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlereinrichtung piezoelektrische, elektrodynamische, optische oder magnetostriktive Fühler (40,41) aufweist.