Durchflußmesseranordnung
Die Erfindung betrifft eine Durchflußmesseranordnung mit einem ersten, nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Durchflußmesser mit einem ersten Meßrohr und einem zweiten, nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Durch- flußmesser mit einem zweiten Meßrohr.
Eine derartige Durchflußmesseranordnung ist bekannt aus W. Kiehl, "Difference measurement using Coriolis mass flowmeters" Flow Meas . Instrum. Vol. 2, April 1991, Seiten 135 bis 138. Die Verwendung von zwei Coriolis- Durchflußmessern ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn man die Differenz aus zwei Massenströmen bestimmen will. Eine derartige Differenzbestimmung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn man Kenntnisse über eine Leckage gewinnen möchte.
Wenn man eine Differenz-Messung durchführen möchte, mißt man mit dem ersten Durchflußmesser einen ersten Massenstrom und mit dem zweiten Durchflußmesser einen zweiten Massenstrom und berechnet aus den beiden Massenströmen die Differenz.
Damit man für beide Messungen möglichst die gleichen Bedingungen schafft, werden die beiden einzelnen Durch- flußmesser in der Regel in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht . Um die Fertigung zu vereinfachen, sind die beiden Durchflußmesser praktisch identisch ausge-
bildet . Dies erleichtert auch später die Auswertung der einzelnen Signale.
Allerdings können bei der Verwendung von zwei gleichen Durchflußmessern in einem Gehäuse Probleme dadurch entstehen, daß sich die beiden Durchflußmesser gegenseitig beeinflussen. In Durchflußmessern, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, werden Schwingungen erzeugt. Diese Schwingungen wirken unter anderem auf die Meßrohre . Der Phasenunterschied der Schwingungen an unterschiedlichen Abschnitten der Meßrohre ist ein Maß für den Massendurchfluß. Diese Schwingungen werden aber unter ungünstigen Umständen auch über das gemeinsame Gehäuse von einem Durchflußmesser zum anderen übertragen. Wenn beide Durchflußmesser auf derselben Frequenz schwingen, dann wirkt sich die Übertragung sehr störend aus und kann die Meßergebnisse der Durchflußmessungen verfälschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Übersprechen zwischen den Durchflußmessern zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird bei einer Durchflußmesseranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die bei- den Durchflußmesser in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und verschiedene Eigenfrequenzen aufweisen.
Durch die unterschiedlichen Eigenfrequenzen vermindert man die Auswirkungen des Übersprechens . Man kann durch unterschiedliche Eigenfrequenzen die gegenseitige Beeinflussung der beiden Durchflußmesser so klein halten,
daß sie das Meßergebnis nicht mehr oder nur noch in einem tolerierbaren Maße stören.
Bevorzugterweise ist am ersten Meßrohr eine schwin- gungsbeeinflussende Einrichtung an einer anderen Position als am zweiten Meßrohr angeordnet . Durch die schwingungsbeeinflussenden Einrichtungen an den beiden Meßrohren werden die Eigenfrequenzen der Durchflußmesser unterschiedlich zueinander eingestellt. Hierbei ist kein großer Unterschied zwischen den Eigenfrequenzen erforderlich. Es hat sich gezeigt, daß ein Unterschied in der Eigenfrequenz von ungefähr 10 Hz ausreicht, um die Auswirkungen des ÜberSprechens , d.h. der gegenseitigen Beeinflussung, so klein zu machen, daß sie nicht mehr stören. Die Verwendung einer schwingungsbeeinflussenden Einrichtung an jedem Meßrohr ist eine relativ einfache Maßnahme. Man kann beide Durchflußmesser praktisch gleich ausbilden, d.h. man muß nicht die Materialstärke des Meßrohres in einem Durchflußmesser anders wählen als in dem anderen Durchflußmesser. Es ist auch nicht erforderlich, den Durchflußmesser prinzipiell zu ändern. Beide Durchflußmesser können auch im Hinblick auf die Positionierung der Sensoren und des Anregers gleich ausgestaltet werden. Wenn die beiden Durchfluß- messer gleich oder zumindest praktisch identisch sind, dann liefern sie auch sehr gut vergleichbare Ergebnisse, was die weitere Auswertung erleichtert.
Vorzugsweise ist die schwingungsbeeinflussende Einrich- tung als passive Einrichtung ausgebildet. Man benötigt also keine zusätzlichen Energien, um die Eigenfrequen-
zen der beiden Durchflußmesser unterschiedlich zu gestalten. Auch der bauliche Aufwand verringert sich. Passive Einrichtungen sind wesentlich einfacher herzustellen als aktive Einrichtungen, die beispielsweise einen Elektromagneten oder eine andere Anregungsmöglichkeit benötigen.
Vorzugsweise sind beide Durchflußmesser bis auf die schwingungsbeeinflussende Einrichtung gleich ausgebil- det. Dies erleichtert, wie oben ausgeführt, nicht nur die Fertigung. Man muß lediglich eine einzige Art von Durchflußmessern herstellen. Es erleichtert auch die Auswertung der Meßsignale, weil die Meßsignale im Grunde auf den gleichen Voraussetzungen beruhen.
Bevorzugterweise weist das erste und das zweite Meßrohr jeweils mindestens zwei Schleifen auf, die durch mindestens ein Kupplungselement miteinander verbunden sind, wobei das Kupplungselement die schwingungsbeein- flussende Einrichtung bildet. Die Ausbildung eines
Durchflußmessers mit einem Meßrohr, das mindestens zwei Schleifen aufweist, ist aus WO 92/19940 AI bekannt. Zwischen den Schleifen sind Kupplungselemente angebracht, die zur Aufgabe haben, zu verhindern, daß die beiden Schleifen während des Betriebes auseinander schwingen. Im Grunde wirken die Kupplungselemente als Schwingungsfixpunkt oder Schwingungsknoten. Die Schwingung des Meßrohres beschränkt sich auf eine Seite der Kupplungs-elemente, während die andere Seite weitgehend von Schwingungen frei ist. Dies hat den Vorteil, daß man das Meßrohr mit einer Leitung verbinden kann, ohne
daß sich die Schwingungen auf die Leitung übertragen. Wenn man nun die Kupplungselemente gleichzeitig verwenden kann, um die Eigenfrequenzen der beiden Durchflußmesser unterschiedlich zu gestalten, dann ergibt sich ein relativer einfacher Aufbau.
Vorzugsweise sind pro Meßrohr zwei Kupplungselemente vorgesehen. Damit ergibt sich eine weitgehend symmetrische Ausgestaltung bezogen auf den Durchfluß durch das Meßrohr.
Hierbei ist bevorzugt, daß die Kupplungselemente an jedem Meßrohr äquidistant zu den Enden des jeweiligen Meßrohres angeordnet sind. Dies hat den besonderen Vor- teil, daß man die Kupplungselemente an einem Meßrohr weiter von den Enden als am anderen Meßrohr anordnen kann. Damit ergibt sich auf einfache Weise die Änderung der Eigenfrequenz. Das Meßergebnis in einem Meßrohr selbst bleibt aber von den Kupplungselementen weitge- hend unbeeinflußt.
Vorzugsweise weisen die Kupplungselemente die Form von Platten auf, wobei die Meßrohre im Bereich der Kupplungselemente senkrecht zu den Platten gerichtet sind. Die Platten haben dementsprechend quer zur Bewegungs- richtung der Meßrohre eine ausreichende Steifigkeit, so daß die Schwingungen wirkungsvoll abgefangen werden können. Gleichzeitig ist aufgrund der relativ hohen Steifigkeit der Platten eine wirksame Beeinflussung der Eigenfrequenzen der Meßrohre gegeben.
Bevorzugterweise sind die Platten eines Durchflußmessers relativ zu einem Chassis dieses Durchflußmessers fixiert, wobei die beiden Chassis jeweils mindestens zwei Fixierpositionen aufweisen und die Platten des ersten Durchflußmessers in einer ersten Fixierposition und die Platten des zweiten Durchflußmessers in einer zweiten Fixierposition festgelegt sind. Man kann also wiederum gleiche Chassis oder Gehäuseteile verwenden. Der Unterschied bei den Eigenfrequenzen der beiden Durchflußmesser ergibt sich im Grunde einfach dadurch, daß man die Platten an unterschiedlichen Positionen in den jeweiligen Chassis, den sogenannten Fixierpositionen, f stlegt. Dies ist eine relativ einfache Maßnahme, die baulich keine größeren Änderungen an den Chassis erfordert. Dies erleichtert also die Herstellung, weil man nur eine einzige Art von Chassis herstellen muß.
Vorzugsweise sind die Fixierpositionen durch Ausformungen am Chassis gebildet. Durch die Ausformungen wird zunächst einmal der Ort der Fixierpositionen festgelegt. Gleichzeitig können auch Ausformungen dazu verwendet werden, die einzelnen Platten oder Hilfselemente mechanisch festzuhalten.
Bevorzugterweise erlauben die Ausformungen ein Einstecken der Platten. Dies erleichtert die Montage. Die Platten müssen lediglich in die Ausformung, die die jeweils gewünschte Fixierposition definiert, eingesteckt werden.
Bevorzugterweise ist eine Fixierposition durch mindestens drei Vorsprünge des Chassis gebildet, die in Richtung auf das Meßrohr vorstehen. Die drei Vorsprünge sind nach Art eines Dreiecks angeordnet . Die Platten können dann so in das Chassis eingesteckt werden, daß zwei Vorsprünge auf einer Seite und ein oder mehrere Vorsprünge auf der anderen Seite der Platte angeordnet sind. Diese Ausbildung stellt eine ausreichende Halte- rung der Platten im Chassis sicher.
Vorzugsweise weisen die Fixierpositionen einen Abstand in der Größenordnung Zentimeter zueinander auf. Der Abstand der Fixierpositionen, mit anderen Worten der Abstand der einzelnen Kupplungselemente, kann also rela- tiv klein sein. Man hat festgestellt, daß bereits kleine Unterschiede ausreichen, um die Eigenfrequenzen ausreichend zu verändern.
Vorzugsweise sind an den Kupplungselementen jeweils Dehnungsmeßstreifen angeordnet. Diese Dehnungsmeßstreifen sind kostengünstig. Sie können die relative Längenänderung der Kupplungselemente registrieren. Diese Änderung kann als Maß für den Massendurchfluß verwendet werden. Hinzu kommt, daß die Messung mit Hilfe von Deh- nungsmeßstreifen eine differentielle Messung der Biegungen der Meßrohre beinhaltet und damit die Abhängigkeit von der Strömungsrichtung deutlich vermindert werden kann.
Vorzugsweise weist jeder Durchflußmesser eine elektronische Steuereinrichtung auf und die elektronische
Steuereinrichtung des einen Durchflußmessers überwacht die elektronische Steuereinrichtung des anderen Durchflußmessers. Die beiden Steuereinrichtungen können durchaus baulich zusammengefaßt sein, beispielsweise auf einer gemeinsamen Platine. Die Platine ist jedoch in zwei funktional völlig getrennte Abschnitte aufgeteilt und jeder Abschnitt regelt dann einen Durchflußmesser. Hinzu kommt, daß sich die beiden Abschnitte einander überwachen und zwar mittels einer Überwa- chungsschaltung. Falls der eine Abschnitt ausfällt, wird der andere Abschnitt die Steuerung und Messung übernehmen. Dies hat den Vorteil, daß auch bei Differenzflußmessungen, an die hohe Ansprüche gestellt werden, ein sicherer Betrieb gewährleistet wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine Durchflußmesseranordnung mit zwei Durchflußmessern,
Fig. 2 einen einzelnen Durchflußmesser,
Fig. 3 einen Gehäuseabschnitt eines Durchflußmessers,
Fig. 4 einen Durchflußmesser bei der Montage,
Fig. 5 ein Kupplungselement,
Fig. 6 eine Kupplungselemente enthaltende Montageplatte und
Fig. 7 die Reste der Montageplatte.
Eine in Fig. 1 dargestellte Durchflußmesseranordnung 1 weist zwei einzelne Durchflußmesser 2, 3 auf, deren Chassis 4, 5 an einer gemeinsamen Frontplatte 6 befestigt sind.
Der Durchflußmesser 2 weist ein- Meßrohr 7 auf, das in zwei Schleifen geführt ist. Zwischen den beiden Schleifen sind Sensoren 8 und ein Treiber 9 angeordnet . In gleicher Weise weist der Durchflußmesser 3 ein Meßrohr 10 auf, das in zwei Schleifen geführt ist. Zwischen den beiden Schleifen des Meßrohres 10 befinden sich zwei Sensoren 11 und ein Treiber 12.
Die Meßrohre 7, 10 können sowohl durch parallele Schleifen gebildet sein, also zwei voneinander getrennte Meßrohre, die parallel durchflössen werden. Es ist aber auch möglich, die Meßrohre 7, 10 als durchgehendes Rohr auszubilden, wie dies aus WO 92/19940 AI bekannt ist .
Fig. 2 zeigt nun einen einzelnen Durchflußmesser 2 im Ausschnitt. Am Chassis 4 befinden sich die beiden Meßrohrschleifen 7a, 7b. Das Meßrohr 7a weist einen Eingang 13a und einen Ausgang 14a auf. Das Meßrohr 7b weist einen Eingang 13b und einen Ausgang 14b auf. Die Ein- und Ausgänge 13a, 13b und 14a, 14b sind durch ein
Basisteil 15 des Chassis 4 geführt . Von den Eingängen 13a, 13b und von den Ausgängen 14a, 14b verlaufen geradlinig verlaufende Abschnitte 16, die hinter der Basis 15 von einem Anker 17 gehalten sind. Ferner ist im weiteren Verlauf der Meßrohre 7a, 7b ein Kupplungselement 18 für den Eingangsabschnitt 13a, 13b und für den Ausgangsabschnitt 14a, 14b vorgesehen, wobei die Kupplungselemente 18, 19 die beiden Meßrohre 7a, 7b miteinander verbinden und zwar außerhalb des schleifenförmig geführten Abschnitts. In der dargestellten Ausführungsform können die beiden Meßrohre 7a, 7b parallel durchflössen werden. Es ist aber auch möglich, die beiden Meßrohre 7a, 7b in Reihe zu schalten. Hierzu wird beispielsweise der Ausgang 14a des Meßrohres 7a mit dem Eingang 13b des Meßrohres 7b verbunden. Diese Verbindung erfolgt zweckmäßigerweise innerhalb des Chassis 4.
Die Position der Kupplungselemente 18 bestimmt die Eigenfrequenz des Durchflußmessers 2. Wenn man die Kupp- lungselemente 18, die in Form von Platten ausgebildet sind, auf den Meßrohren 7a, 7b verschiebt, dann ändert sich die Eigenfrequenz. Es wird nämlich damit der Abstand eines Schwingungsknotenpunkts zum Treiber 9 verlängert oder verkürzt. In gleicher Weise wird der Ab- stand zum Anker 17 verkürzt oder verlängert. Der Anker 17 bildet zusammen mit dem Chassis 4 eine Grundplatte, deren Masse in etwa mit unendlich angenommen werden kann. Mit der Änderung der Plazierung des Knotenpunkts durch die Kupplungselemente 18, 19 ändert sich dement- sprechend die Eigenfrequenz des Meßrohres 7a, 7b. Man stellt die Unterschiede in den Eigenfrequenzen der
Durchflußmesser 2, 3 einfach dadurch ein, daß man bei dem einen Durchflußmesser 2 die Kupplungselemente 18, 19 in der in Fig. 2 dargestellten Position anordnet und bei dem anderen Durchflußmesser 3 die gleichen Kupp- lungselemente 18, 19 etwas näher am Anker 17. Ansonsten lassen sich identische Durchflußmesser verwenden, d.h. die Meßrohre 7a, 7b und die Chassis 4, 5 können praktisch identisch übereinstimmen.
An den Meßrohren 7a, 7b sind Halterungen 8', 8' ' für die Sensoren 8 und 9' für den Treiber 9 vorgesehen.
Fig. 3 zeigt nun das Chassis 4 mit der Basis 15. Die Basis 15 weist vier Löcher 20 auf, durch die die Enden 13a, 13b, 14a, 14b der Meßrohre 7a, 7b geführt werden können. Von der Basis 15 gehen praktisch symmetrisch zwei Schenkel 21, 22 ab, die im wesentlichen U-förmig zur Basis 15 ausgerichtet sind. Jeder Schenkel 21, 22 hat wiederum einen U-förmigen Querschnitt, d.h. er weist nach außen umgebogene Vorsprünge 23, 24 auf, die dem Chassis 4 eine zusätzliche Stabilität verleihen. Mit Hilfe der Abschnitte 23, 24 ist es auch möglich, die Chassis 4, 5, die im übrigen identisch zueinander ausgebildet sind, an Montageplatten 25, 26 zu befesti- gen. Die Montageplatten 25, 26 werden wiederum an dem gemeinsamen Gehäuse, hier der Frontplatte 6, befestigt. Der Anker 17 wird also am Chassis 4 festgemacht. Das Chassis 4 ist an der Montageplatte 26 befestigt und diese wiederum an der Frontplatte 6, die einen Teil des gemeinsamen Gehäuses bildet.
In den Schenkeln 21, 22 sind Ausnehmungen 27 vorgesehen, in denen der Anker 17 befestigt werden kann.
Im Bereich ihres Endes weisen die beiden Schenkel 21, 22 zwei Gruppen 28, 29 von Vorsprüngen 30 auf. Diese Vorsprünge sind so angeordnet, daß sie in der Draufsicht die Eckpunkte eines Trapezes bilden. Zwischen den vorderen und den hinteren Vorsprüngen einer Gruppe lassen sich dementsprechend Platten 31 (Fig. 4) einschie- ben. Mit der Wahl einer Gruppe 28, 29 von VorSprüngen
30 wird also die Position der Platte 31 in dem Chassis 4 bestimmt. Wenn man, wie in Fig. 4 dargestellt, die Vorsprünge der Gruppe 28 zur Positionierung der Platte
31 wählt, dann hat der Durchflußmesser eine Frequenz f. Wenn man hingegen die Platte 31 in den Vorsprüngen 30 der Gruppe 29 wählt, dann beträgt die Eigenfrequenz f. Die Entfernung zwischen den beiden möglichen Positionen der Platte 31 beträgt ungefähr 1 cm, was einen Unterschied in den Eigenfrequenzen von 10 Hz ergibt. Vor- zugsweise beträgt die Frequenz f 130 Hz und die Frequenz f ' 140 Hz. Wesentlich bestimmend für die Eigenfrequenz ist der Abstand von der Position der Platte 31 bis zur Spitze der Rohrschleifen.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen nun die Hilfsmittel, die man verwendet, um die Kupplungselemente 18, 19 in den entsprechenden vorgewählten Positionen an den Meßrohren 7a, 7b zu befestigen. Fig. 5 zeigt ein Kupplungselement 18, das vor der Montage Bestandteil der in Fig. 4 dar- gestellten Platte 31 ist. Die Platte 31 weist ein mittleres Element 32 und zwei Seitenelemente 33, 34 auf,
die über Sollbruchstellen 35 mit den beiden Kupplungselementen 18, 19 verbunden sind.
Die Platten 31 werden über die Meßrohre 7a, 7b gescho- ben. Sie können dann zwischen den Vorsprüngen 30 der einen Gruppe 28 oder der anderen Gruppe 29 eingesetzt werden. Dadurch ist die Position der Kupplungselemente 18, 19 auf den Meßrohren 7a, 7b bestimmt. Die Kupplungselemente können dann mit den Meßrohren 7a, 7b ver- bunden werden, beispielsweise durch Löten oder Kleben. Der Rest der Platte 31, d.h. der Mittelabschnitt 32 und die Seitenabschnitte 33, 34 können dann entfernt werden. Der andere Durchflußmesser 3 wird im Grunde genauso aufgebaut. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Platte 31 in den Vorsprüngen 30 der anderen Gruppe 29 eingesteckt wird. Die dadurch erzeugten Unterschiede in der Eigenfrequenz reichen dann aus, so daß man die beiden Chassis 4, 5 miteinander verbinden kann. Durch die direkte Verbindung der beiden Durchflußmesser 2, 3 ergibt sich zwar eine sehr gute mechanische Kopplung zwischen den beiden Chassis 4, 5, die aber mit der oben angegebenen Lösung unproblematisch ist. Die Eigenfrequenzen der Durchflußmesser 2, 3 sind so unterschied- lieh, daß ein Übersprechen mit den störenden Auswirkungen auf die Meßergebnisse vermieden werden kann.
Nach der Montage der Frontplatte 6 an der Montageplatte 26 und der Basis 15 der beiden Chassis 4 entsteht ein fast fertiger Differenzdurchflußmesser, wie er in
Fig. 1 gezeigt ist. Dieser muß lediglich noch in ein
Gehäuse, beispielsweise ein Aluminiumgehäuse, eingesetzt werden.
Man kann natürlich anstelle der Vorsprünge 30 auch an- dere Markierungen im Chassis 4 verwenden. In einigen
Fällen reicht es auch aus, lediglich die Position anzuzeichnen oder auf sonstige Weise zu markieren, an der die Kupplungselemente 18, 19 in dem einen Durchflußmesser 2 oder in dem anderen Durchflußmesser 3 angebracht werden sollen. Durch Verwendung von Ausformungen wird die Montage aber weiter vereinfacht .
Alternativ zu der oben dargestellten Anordnung, bei der eine schwingungsbeeinflussende Einrichtung an unter- schiedlichen Positionen an den beiden Meßrohren angeordnet ist, ist es auch möglich, als schwingungsbeein- flussende Einrichtung eine Punktmasse zu verwenden, die an beiden Meßrohren 7, 10 an der gleichen Stelle angebracht ist. Die beiden Punktmassen können sich jedoch in ihrer Masse unterscheiden. Natürlich wird man anstelle von Punktmassen auch andere Zusatzmassen verwenden können.
An den Kupplungselementen 18, 19 können Dehnungsmeß- streifen angebracht werden. Die Dehnungsmeßstreifen registrieren die relative Längenänderung der Kupplungs- elemente 18, 19 und diese Änderung kann als Maß für den Massendurchfluß verwendet werden. In diesem Fall können die Sensoren 8' und 8'' entfallen. Hinzu kommt als Vor- teil, daß eine derartige Messung mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen eine differentielle Messung der Bie-
gungen der Meßrohre 7, 10 beinhaltet. Diese Messung ist damit nicht empfindlich gegenüber der Strömungsrichtung.
Die aus zwei einzelnen Coriolis-Durchflußmessern bestehende Durchflußmesseranordnung wird durch eine gemeinsame Haupt-Steuereinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert. Die Steuereinrichtung ist innerhalb des gemeinsamen Gehäuses angeordnet und weist zwei elektronische Steuer- einrichtungen auf und zwar für jeden Durchflußmesser eine. Die Steuereinrichtungen können zwar auf der gleichen Platine angeordnet sein. Die Platine ist in diesem Fall aber in zwei völlig getrennte Abschnitte aufgeteilt und jeder Abschnitt steuert einen Coriolis- Durchflußmesser. Natürlich ist es auch möglich, die
Steuereinrichtungen auf unterschiedlichen Platinen anzuordnen.
Hinzu kommt, daß sich die beiden Steuereinrichtungen gegenseitig überwachen mit Hilfe einer Überwachungsein- richtung oder -Schaltung. Falls die eine Steuereinrichtung ausfällt, wird die andere Steuereinrichtung die Steuerung und Messung des Durchflußmessers übernehmen. Somit kann auch bei Differenzflußmessungen, an die hohe Ansprüche gestellt werden, ein sicherer Betrieb gewähr- leistet werden.