WO2016134887A1 - Coriolis-massendurchflussmessgerät - Google Patents

Coriolis-massendurchflussmessgerät Download PDF

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WO2016134887A1
WO2016134887A1 PCT/EP2016/051050 EP2016051050W WO2016134887A1 WO 2016134887 A1 WO2016134887 A1 WO 2016134887A1 EP 2016051050 W EP2016051050 W EP 2016051050W WO 2016134887 A1 WO2016134887 A1 WO 2016134887A1
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WO
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measuring tube
oscillating body
coriolis mass
mass flowmeter
vibrations
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Application number
PCT/EP2016/051050
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French (fr)
Inventor
Allan Juhl Kristensen
Jens Simonsen
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/8413—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details means for influencing the flowmeter's motional or vibrational behaviour, e.g., conduit support or fixing means, or conduit attachments
    • G01F1/8418—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details means for influencing the flowmeter's motional or vibrational behaviour, e.g., conduit support or fixing means, or conduit attachments motion or vibration balancing means
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/845—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits
    • G01F1/8468—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits
    • G01F1/8472—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits having curved measuring conduits, i.e. whereby the measuring conduits' curved center line lies within a plane

Definitions

  • Coriolis mass flow meter The invention relates to a Coriolis mass flow meter according to the preamble of claim 1.
  • Coriolis mass flow meters have a single measuring tube ⁇ or a number, z. B. a pair of measuring tubes through which or a medium, for. As a gas or liquid flows, whose mass flow is to be determined.
  • Different arrangements and geometries of the measuring tubes are known. For example, there Coriolis Mas ⁇ sen presstechnik with a single straight measuring tube and the Coriolis mass flow measuring devices with two rümm ⁇ th, mutually parallel measuring tubes.
  • Phase difference can be evaluated as a measurement signal. This is caused by the coriolis forces prevailing in a mass flow and thus by the mass flow.
  • the density of the medium influences the resonance frequency of the vibration system.
  • the density of the flowing medium can be determined.
  • the invention has for its object to provide a Coriolis mass flow meter, which is characterized by a good mass balance and thus low, outwardly urgent
  • the new Coriolis mass flow meter of the type mentioned above in the kenn ⁇ signing part of claim 1 features.
  • advantageous developments of the device are described.
  • the invention has the advantage that a Coriolis mass flowmeter with a substantially V-shaped measuring tube can be produced much easier with the required geometrical accuracy than the known with a trapezoidal ⁇ shaped measuring tube. Since an additional oscillating body connected to the measuring tube is provided for balancing the masses of the two axes of the V-shaped measuring tube which are axially symmetrical to one another, the shape of the base section, which is located at the top of the V-shape, is of subordinate importance.
  • the base section can, for example, be realized by a single manifold or by two manifolds with a preferably short, straight part between them. If the base portion is formed as two manifolds with a short straight portion therebetween, the term "short” is understood to mean that the length of the straight portion is at most 30% of the length of the two legs.
  • the shape of the measuring tube can be easily obtained by bending it from a one-piece tube
  • Measuring tube advantageously self-draining in three of the four possible installation positions.
  • a Coriolis flow meter can Massen press- without special difficulties, the Hy ⁇ gienean explicaten the food or Arzneiffenindus- be met trie.
  • a vibrating body which is arranged in the region of the open side of the substantially V-shaped measuring tube and adapted for mass balance in an oscillating system formed axially symmetrically from the measuring tube and the vibrating body on the properties of the measuring tube, can in a particularly simple and reliable Way the desired Massenaus ⁇ be obtained equal. Due to the good mass balance, the oscillating system is hardly effective on the outside as such and, conversely, largely insensitive to externally applied vibrations. Associated with this are a particularly high zero point stability of the mass flowmeter and an improved measuring sensitivity.
  • the selected fastening points are a substantially constant distance zuei- Nander and the essential component of movement of the measuring tube has, at the fastening points in a direction parallel to the axis of symmetry. Due to the distance of the fastening points ⁇ to inlet and outlet legs of the measuring tube, moreover, their free vibration is advantageously at best limited slightly.
  • the oscillating body is designed as a spring bar, which is fastened with its ends at the first location or at the second location on the measuring tube.
  • the attachment can be realized by a welded joint, but preferably by a solder joint.
  • This embodiment of the oscillating body enables a particularly simple optimization of the mass balance in the oscillating system formed by the measuring tube and oscillating body, in particular by varying the geometry of the cantilever in the case of predetermined materials for measuring tube and oscillating body. In addition, it has been found that this optimization is largely independent of the density of the medium.
  • exactly two vibration sensors are used to generate vibration signals whose phase difference forms the basis for calculating the mass flow.
  • a first vibra ⁇ tion transducer is provided for detecting vibrations at the half of the inlet leg, which is adjacent to the intake manifold, a second vibration sensor on the half of the Auslaufschenkeis, which leads to the outlet manifold.
  • Such an arrangement of the vibration sensor is particularly advantageous for the measuring sensitivity of the mass flow measuring device, since the Coriolis forces based on phase offset of the oscillating signals is particular ⁇ DERS pronounced in this way.
  • oscillations ⁇ gungsauf particularly close to the stiffening frame, so that the wiring can be for connection to a control and evaluation unit with comparatively short signal lines realized Siert.
  • FIG. 1 shows a side view of a measuring tube
  • FIG. 2 shows a measuring tube deflected during oscillations
  • FIG. 3 - a Coriolis mass flowmeter
  • FIG. 4 shows a fastening detail of a vibrating body
  • a measuring tube 1 the shape of which in the illustrated position substantially corresponds to an inverted V, is held with its ends by a stiffening frame, of FIG b which in Figure 1 for better clarity, only two fastening anchors 2 and 3 are visible.
  • An oscillating body 4 which is designed as a spring bar, is used for mass balancing in the system formed from measuring tube 1 and oscillating body 4, which oscillates symmetrically with respect to an axis 5. Due to the mass balance should be achieved that the armature 2 and 3 and thus, acting forces Fx and Fy and a moment Mz disappear outwardly in a non-illustrated tube ⁇ line into which the Coriolis mass flow meter is installed.
  • the system consisting of the measuring tube 1 and the oscillating body 4 is excited into axisymmetric oscillations, as illustrated with reference to FIG.
  • an inlet limb 23 and an outlet limb 25 of the measuring tube 1 as well as the oscillating body 4 are bent inwards, so that the center of gravity of the mass ideally remains unchanged.
  • the system proceeds deflections in opposite directions at an unchanged also ideally position of the masses ⁇ center of gravity.
  • preferred positions for attachment of exciter arrangements according to FIG. 1 are positions 11 and 12, wherein additionally or alternatively an excitation arrangement can be attached to position 13, and for mounting vibration sensors positions 14 and 12 are selected. 17th
  • the substantially V-shaped measuring tube 1 can be divided according to its shape in the hinterei- nander mecanic parts straight inlet section 21, inlet ⁇ manifold 22, inlet leg 23, Base portion 24, spout ⁇ leg 25, spout 26 and straight outlet section 27.
  • the terms inlet and outlet used here only serve to distinguish the respectively designated parts and not to identify the direction of flow, since of course a mass flow in any direction can be measured with the Coriolis mass flowmeter.
  • the vibration sensors 31 and 32 and the exciter arrangement 33 are aligned with respect to the direction of movement of the measuring tube 1 or of the oscillating body 4 for optimal detection of the oscillations or their excitation.
  • Evaluation device 34 is used for detecting and evaluating vibration signals 35 and 36, which are generated by the Schwingungsauf ⁇ participants 31 and 32, and for generating and outputting a drive signal 37, through which the oscillating Sys ⁇ formed from the measuring tube 1 and the oscillating body 4 is excited to vibrations of a desired frequency.
  • the frequency selected is preferably a resonance frequency, which does not have to correspond to the frequency of the fundamental oscillation of the oscillating system, but may also be a frequency of a harmonic of, for example, first or second or third order.
  • the control and evaluation device 34 includes a microprocessor and memory for programs, data and parameters, which are not shown in detail in Figure 3.
  • Results of the Auswer ⁇ processing are output on a display and / or tioning via a line 38 to an additional electronic unit for Signalkondi- or transmitted directly to a master control station.
  • FIG. 3 further shows a fastening plate 39, which serves in particular for holding the vibration sensors 31 and 32 and the exciter arrangement 33. It is particularly clear that due to their spatial proximity already a comparatively small mounting plate 39 is sufficient and only short line lengths to their connection to the control and evaluation device 34 in a practical realization of the arrangement suffice. This has advantages with regard to the quality of the signals transmitted via the connecting lines and thus also with regard to the measuring accuracy.
  • stiffening frame may be in a comparatively small dimensions reali ⁇ Siert, so overall a comparatively lightweight Coriolis mass flowmeter with low Mass and so ⁇ can be realized with low material consumption .
  • FIG. 4 a possible type of attachment of a vibrating body 4, which is Rockbil ⁇ det as a cantilever thickness, explained on a measuring tube 1.
  • one end 41 of the oscillating body 4 is shown with wel ⁇ chem it is attached to a location in the region of the transition from the straight inlet section 21 for intake elbow 22nd
  • the opposite, not shown, other end is designed to be axially symmetric and fixed.
  • the overall showed end 41 is provided with a recess 42 which is designed such that two 42 Ba ⁇ CKEN are obtained 43 and 44 due to the recess, with which the end 41 of which engages around the measuring tube 1 the manner of tongs.
  • the jaws 43 and 44 are each provided at the end 41 with projections 45 and 46 facing the measuring tube 1, the inner surfaces of which are connected by brazing or alternatively by welding to the measuring tube 1.
  • This mandatlötung or spot welding is a stable connection, which absorb the introduced via the inlet manifold 22 during vibration forces and moments and can largely compensate using the oscillating body 4, so that the transmitted via the connection point on the Einlaufab ⁇ section 21, resulting forces and Moments almost disappear.
  • the advantageous effects of the oscillating body 4 for improving the mass balance of a Coriolis mass flowmeter will be explained below with reference to FIGS. 5 and 6.
  • Figure 5 shows a diagram in which the thickness d of Abs zisse formed as cantilevers vibrating body 4 in mm (millimeters) and on the ordinate the Strengthens ⁇ te Fx and Fy (Figure 1) as standardized sizes are plotted.
  • FIG. 6 the moment Mz (FIG. 1) is plotted as a normalized quantity on the ordinate.
  • the values and gradients drawn in the diagrams were determined at the desired resonant frequency of the measuring tube.
  • a curve 53 represents the force Fy determined for different thicknesses d for a measuring tube filled with water, a profile 54 for an air-filled measuring tube.
  • a profile 63 for a water-filled measuring tube and a curve 64 shows moments Mz for a moment air-filled measuring tube.
  • the force Fy or the moment Mz at a thickness d of about 1.4 mm for a water-filled measuring tube and at a thickness d of about 1.5 mm for a air-filled measuring tube reach minimum values. It can be seen that an adaptation of the oscillating body to the measuring tube properties is sufficient to achieve a good mass balance.
  • the thickness of a d as spring beams excluded led vibrating body to the density of each medium to be measured can in principle be carried out though a further optimization of the mass balance, but they may fall ent ⁇ as d at a predetermined thickness, a rather small Dependence of the quality of the mass balance on the media density te exists.
  • curves 55 and 56 of the force Fx for a water-filled measuring tube or for an air-filled measuring tube are shown in FIG. The force Fx shows a significantly lower dependence on the respective thickness d and is almost constant over a larger range.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit einem im Wesentlichen V-förmigen Messrohr (1), welches von einem Medium durchströmt wird. Durch eine Erregeranordnung (33) wird das Messrohr (1) zu Schwingungen angeregt, welche innerhalb der Ebene verlaufen, in welcher das Messrohr (1) liegt. Im Bereich der offenen Seite des im Wesentlichen V-förmigen Messrohrs (1) ist ein mit dem Messrohr (1) verbundener Schwingkörper (4) angeordnet, der zum Massenausgleich des achsensymmetrisch schwingenden Systems dient. Dadurch wird ein Messgerät mit hoher Empfindlichkeit und geringer Anfälligkeit gegenüber Störungen durch von außen eingetragene Schwingungen erhalten. Durch eine auf den Schwingkörper (4) wirkende Erregeranordnung (33) kann das System in besonders einfacher Weise zu Schwingungen in einem gewünschten Schwingungsmodus angeregt werden.

Description

Beschreibung
Coriolis-Massendurchflussmessgerät Die Erfindung betrifft ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Coriolis-Massendurchflussmessgeräte weisen ein einziges Mess¬ rohr oder eine Anzahl, z. B. ein Paar, von Messrohren auf, durch das bzw. die ein Medium, z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, strömt, dessen Massendurchfluss bestimmt werden soll. Dabei sind unterschiedliche Anordnungen und Geometrien der Messrohre bekannt. Beispielsweise gibt es Coriolis-Mas¬ sendurchflussmessgeräte mit einem einzigen geraden Messrohr sowie Coriolis-Massendurchflussmessgeräte mit zwei gekrümm¬ ten, parallel zueinander verlaufenden Messrohren. Letztere, paarweise identisch ausgeführte Messrohre werden, wie bei¬ spielsweise aus der DE 10 2010 006 429 AI bekannt, durch eine im mittleren Bereich platzierte Erregeranordnung zur Erzie- lung eines Massenausgleichs so zum Schwingen angeregt, dass sie gegeneinander schwingen, d. h., dass die Schwingungen der beiden Messrohre um 180 Grad gegeneinander phasenversetzt sind. Damit wird ein Massenausgleich erreicht, bei welchem die Lage des Massenmittelpunkts des aus den beiden Messrohren gebildeten, schwingenden Systems im Wesentlichen konstant bleibt und auftretende Kräfte weitgehende kompensiert werden. Das hat als positive Konsequenz, dass das schwingende System kaum nach außen als solches wirksam wird. Vor und hinter der Erregeranordnung werden Schwingungsaufnehmer angebracht, zwi- sehen deren Ausgangssignalen bei einer Massenströmung eine
Phasendifferenz als Messsignal ausgewertet werden kann. Diese wird durch die bei einer Massenströmung herrschenden Corio- liskräfte und damit durch den Massendurchfluss verursacht. Die Dichte des Mediums beeinflusst die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems. Damit kann neben dem Massendurchfluss u. a. auch die Dichte des strömenden Mediums bestimmt werden.
Aus der EP 1 223 412 Bl ist ein Coriolis-Massendurchfluss¬ messgerät mit vereinfachtem Aufbau bekannt, welches lediglich ein achsensymmetrisch trapezförmig gekrümmtes Messrohr aufweist, welches an seinem Ein- und Auslaufabschnitt durch ei¬ nen Versteifungsrahmen gehalten wird. Eine Erregeranordnung erzeugt eine in Richtung der Symmetrieachse auf das Messrohr wirkende Kraft und regt das Messrohr zu Schwingungen an, die innerhalb der Ebene verlaufen, in welcher das Messrohr liegt. Ein Massenausgleich soll durch dabei entstehende drei Schwingungsbäuche erreicht werden. Dazu ist jedoch eine sehr genaue Einhaltung der Rohrgeometrie erforderlich, die nur mit ver- gleichsweise hohem Herstellungsaufwand erzielt werden kann.
In der Praxis kann daher nicht von einem optimalen Massenausgleich ausgegangen werden. Zur Vermeidung von Vibrationen, die am Einbauort des Massendurchflussmessgeräts beispielswei¬ se über Montageflansche in eine Rohrleitung, in welche das Gerät eingebaut ist, übertragen werden, ist daher ein vergleichsweise schwerer Versteifungsrahmen vorzusehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Coriolis-Mas- sendurchflussmessgerät zu schaffen, das sich durch einen gu- ten Massenausgleich und damit geringe, nach außen dringende
Vibrationen bei vergleichsweise niedrigem Herstellungsaufwand aus zeichnet .
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Coriolis-Massen- durchflussmessgerät der eingangs genannten Art die im kenn¬ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Geräts beschrieben. Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein Coriolis-Massendurch- flussmessgerät mit einem im Wesentlichen V-förmigen Messrohr erheblich einfacher mit der erforderlichen geometrischen Genauigkeit herstellbar ist als das bekannte mit einem trapez¬ förmigen Messrohr. Da für den Massenausgleich der beiden ach- sensymmetrisch zueinander schwingenden Schenkel des V-förmigen Messrohrs ein mit dem Messrohr verbundener, zusätzlicher Schwingkörper vorgesehen ist, ist die Form des Basisabschnitts, der sich an der Spitze der V-Form befindet, von untergeordneter Bedeutung. Der Basisabschnitt kann beispiels- weise durch einen einzelnen Krümmer oder durch zwei Krümmer mit einem vorzugsweise kurzen, geraden Teil zwischen diesen realisiert sein. Wenn der Basisabschnitt als zwei Krümmer mit dazwischen liegendem kurzem geradem Teil ausgebildet ist, wird unter dem Begriff „kurz" verstanden, dass die Länge des geraden Teils höchstens 30 % der Länge der beiden Schenkel beträgt. Ein Messrohr in dieser Form zeichnet sich durch einen geringen Druckverlust und hohe Durchflusskapazität aus. Die Form des Messrohrs kann in einfacher Weise durch Biegen aus einem einteiligen Rohr erhalten werden. Zudem ist das
Messrohr vorteilhaft in drei der vier möglichen Einbaulagen selbstentleerend. Mit einem derartigen Coriolis-Massendurch- flussmessgerät können ohne besondere Schwierigkeiten die Hy¬ gieneanforderungen der Lebensmittel- oder Arzneimittelindus- trie erfüllt werden.
Mit einem Schwingkörper, der im Bereich der offenen Seite des im Wesentlichen V-förmigen Messrohrs angeordnet und für einen Massenausgleich in einem aus dem Messrohr und dem Schwingkör- per achsensymmetrisch gebildeten schwingenden System auf die Eigenschaften des Messrohrs abgestimmt ist, kann in besonders einfacher und zuverlässiger Weise der gewünschte Massenaus¬ gleich erhalten werden. Aufgrund des guten Massenausgleichs ist das schwingende System kaum nach außen als solches wirk- sam und umgekehrt weitgehend unempfindlich gegenüber von außen eingetragenen Vibrationen. Damit verbunden sind eine besonders hohe Nullpunktstabilität des Massendurchflussmessge- räts und eine verbesserte Messempfindlichkeit. Bei einem im Wesentlichen V-förmigen Messrohr, das in seinem Verlauf im Massendurchflussmessgerät in die hintereinander- liegenden Abschnitte gerader Einlaufabschnitt , Einlaufkrümmer, EinlaufSchenkel , Basisabschnitt, AuslaufSchenkel , Aus¬ laufkrümmer und gerader Auslaufabschnitt untergliedert werden kann, hat sich eine Anbringung des Schwingkörpers am Messrohr als besonders vorteilhaft erwiesen, bei welcher dieser an ei¬ ner ersten Stelle im Bereich des Übergangs vom geraden Einlaufabschnitt zum Einlaufkrümmer und an einer zweiten Stelle im Bereich des Übergangs vom Auslaufkrümmer zum geraden Aus- laufabschnitt mit dem Messrohr in Richtung parallel zur Symmetrieachse federnd verbunden ist. Da das Messrohr durch ei¬ nen Versteifungsrahmen gehalten wird, haben die so gewählten Befestigungsstellen einen weitgehend konstanten Abstand zuei- nander und die wesentliche Bewegungskomponente des Messrohrs weist an den Befestigungsstellen in eine Richtung parallel zur Symmetrieachse. Aufgrund des Abstands der Befestigungs¬ stellen zu Einlauf- und AuslaufSchenkel des Messrohrs wird zudem deren freie Schwingfähigkeit vorteilhaft allenfalls ge- ringfügig eingeschränkt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingkörper als Federbalken ausgebildet, der mit seinen Enden an der ersten Stelle bzw. an der zweiten Stelle an dem Messrohr befestigt ist. Die Befestigung kann durch eine Schweißverbindung, vorzugsweise jedoch durch eine Lötverbindung realisiert werden. Diese Ausgestaltung des Schwingkörpers ermöglicht eine besonders einfache Optimierung des Massenausgleichs in dem aus Messrohr und Schwingkörper gebil- deten schwingenden System, insbesondere durch Variation der Geometrie des Federbalkens bei vorgegebenen Materialien für Messrohr und Schwingkörper. Zudem hat sich herausgestellt, dass diese Optimierung weitgehend unabhängig von der Dichte des Mediums ist.
Zur Anregung des Schwingungssystems zu einem gewünschten Schwingungsmodus dient in vorteilhafter Weise bereits eine einzige Erregeranordnung, wenn diese zur Anregung des aus Messrohr und Schwingkörper achsensymmetrisch gebildeten schwingenden Systems eine Kraft auf die Mitte des Schwingkör¬ pers in einer Richtung parallel zur Symmetrieachse ausübt. Im Vergleich zu einer alternativ möglichen Anregung an den beiden Schenkeln des Messrohrs führt dies zu deutlich niedrige¬ ren Herstellungskosten, da bereits lediglich eine einzige Er- regeranordnung ausreicht. Da für die Anregung zudem keine zusätzlichen massebehafteten Bauteile, beispielsweise Magnete zur Realisierung einer elektromagnetischen Erregeranordnung, am Messrohr angebracht werden müssen, hat dies zudem den Vor- teil, dass die Dichte des das Messrohr durchströmenden Medi¬ ums mit höherer Genauigkeit gemessen werden kann.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wer- den genau zwei Schwingungsaufnehmer zur Erzeugung von Schwingungssignalen verwendet, deren Phasendifferenz die Basis zur Berechnung des Massendurchflusses bildet. Ein erster Schwin¬ gungsaufnehmer wird zur Erfassung von Schwingungen an der Hälfte des Einlaufschenkeis vorgesehen, welche dem Einlauf- krümmer benachbart ist, ein zweiter Schwingungsaufnehmer an der Hälfte des Auslaufschenkeis , welche zum Auslaufkrümmer führt. Eine derartige Anordnung der Schwingungsaufnehmer ist besonders vorteilhaft für die Messempfindlichkeit des Massen- durchflussmessgeräts , da der auf Corioliskräften beruhende Phasenversatz der Schwingungssignale auf diese Weise beson¬ ders stark ausgeprägt ist. Zudem sind so platzierte Schwin¬ gungsaufnehmer besonders nahe beim Versteifungsrahmen, sodass deren Verdrahtung zum Anschluss an eine Ansteuer- und Auswerteeinheit mit vergleichsweise kurzen Signalleitungen reali- siert werden kann.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 - eine Seitenansicht eines Messrohrs,
Figur 2 - ein bei Schwingungen ausgelenktes Messrohr,
Figur 3 - ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät ,
Figur 4 - ein Befestigungsdetail eines Schwingkörpers,
Figuren 5 und 6 - Diagramme von Kräften und Drehmoment.
Für gleiche Teile werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.
Gemäß Figur 1 ist ein Messrohr 1, dessen Form bei der dargestellten Lage im Wesentlichen einem umgekehrten V entspricht, mit seinen Enden durch einen Versteifungsrahmen gehalten, von b welchem in Figur 1 zur besseren Anschaulichkeit lediglich zwei Befestigungsanker 2 und 3 sichtbar sind. Ein Schwingkörper 4, der als Federbalken ausgebildet ist, dient zum Massen- ausglich in dem aus Messrohr 1 und Schwingkörper 4 gebilde- ten, symmetrisch zu einer Achse 5 schwingenden System. Durch den Massenausgleich soll erreicht werden, dass auf die Anker 2 und 3 und damit nach außen in eine nicht dargestellte Rohr¬ leitung, in welche das Coriolis-Massendurchflussmessgerät eingebaut ist, wirkende Kräfte Fx und Fy sowie ein Moment Mz verschwinden.
Damit dies zumindest näherungsweise der Fall ist, wird das aus dem Messrohr 1 und dem Schwingkörper 4 bestehende System zu achsensymmetrischen Schwingungen angeregt, wie sie anhand Figur 2 verdeutlicht werden. Zu dem in Figur 2 dargestellten Zeitpunkt sind ein EinlaufSchenkel 23 und ein AuslaufSchenkel 25 des Messrohrs 1 sowie der Schwingkörper 4 nach innen gebogen, sodass der Massenschwerpunkt im Idealfall unverändert bleibt. Bei um 180 Grad versetzter Phase der Schwingung er- fährt das System Auslenkungen in entgegengesetzten Richtungen bei im Idealfall ebenfalls unveränderter Lage des Massen¬ schwerpunkts .
Bei dieser Ausprägung der Schwingungen ergeben sich als be- vorzugte Stellen zur Anbringung von Erregeranordnungen gemäß Figur 1 die Positionen 11 und 12, wobei zusätzlich oder alternativ eine Erregeranordnung an der Position 13 angebracht werden kann, sowie zur Anbringung von Schwingungsaufnehmern die Positionen 14...17.
Eine besonders vorteilhafte Anbringung von Schwingungsaufnehmern 31 und 32 sowie einer Erregeranordnung 33 wird anhand Figur 3 erläutert. Symbolisiert sind dazu Schwingungsaufneh¬ mer 31 und 32 sowie eine Erregeranordnung 33 elektromagneti- scher Art. Das im Wesentlichen V-förmige Messrohr 1 kann entsprechend seiner Form untergliedert werden in die hinterei- nanderliegenden Teile gerader Einlaufabschnitt 21, Einlauf¬ krümmer 22, EinlaufSchenkel 23, Basisabschnitt 24, Auslauf¬ schenkel 25, Auslaufkrümmer 26 und gerader Auslaufabschnitt 27. Die dabei verwendeten Begriffe Einlauf und Auslauf dienen lediglich zur Unterscheidung der jeweils bezeichneten Teile und nicht zur Kennzeichnung der Fließrichtung, da selbstverständlich mit dem Coriolis-Massendurchflussmessgerät ein Mas- senfluss in beliebiger Richtung gemessen werden kann.
Die Schwingungsaufnehmer 31 und 32 sowie die Erregeranordnung 33 sind hinsichtlich der Bewegungsrichtung des Messrohrs 1 bzw. des Schwingkörpers 4 zur optimalen Erfassung der Schwin- gungen bzw. deren Anregung ausgerichtet. Eine Ansteuer- und
Auswerteeinrichtung 34 dient zur Erfassung und Auswertung von Schwingungssignalen 35 und 36, die durch die Schwingungsauf¬ nehmer 31 bzw. 32 erzeugt werden, sowie zur Generierung und Ausgabe eines Treibersignals 37, durch welches das aus dem Messrohr 1 und dem Schwingkörper 4 gebildete schwingende Sys¬ tem zu Schwingungen einer gewünschten Frequenz angeregt wird. Als Frequenz wird vorzugsweise eine Resonanzfrequenz gewählt, wobei diese nicht der Frequenz der Grundschwingung des schwingenden Systems entsprechen muss, sondern auch eine Fre- quenz einer Oberschwingung beispielsweise erster oder zweiter oder dritter Ordnung sein kann. Durch geeignete Wahl der Frequenz des Treibersignals 37 kann mittels der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 34 die Resonanzfrequenz oder eine geringfügig davon abweichende Frequenz für einen optimalen Massen- ausgleich des schwingenden Systems eingestellt werden.
Zur Auswertung der Schwingungssignale 35 und 36 umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 34 einen Mikroprozessor sowie Speicher für Programme, Daten und Parameter, welche in Figur 3 nicht näher dargestellt sind. Ergebnisse der Auswer¬ tung werden auf einer Anzeige ausgegeben und/oder über eine Leitung 38 an eine weitere Elektronikeinheit zur Signalkondi- tionierung oder direkt an eine übergeordnete Leitstation übertragen .
Figur 3 zeigt weiterhin eine Befestigungsplatte 39, welche insbesondere zur Halterung der Schwingungsaufnehmer 31 und 32 sowie der Erregeranordnung 33 dient. Dabei wird besonders deutlich, dass aufgrund deren räumlicher Nähe bereits eine vergleichsweise kleine Befestigungsplatte 39 ausreicht und lediglich kurze Leitungslängen zu deren Verbindung mit der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 34 in einer praktischen Realisierung der Anordnung genügen. Das hat Vorteile bezüglich der Qualität der über die Anschlussleitungen übertragenen Signale und somit auch bezüglich der Messgenauigkeit. Zudem können weitere Bauteile, die zur mechanisch steifen Verbindung der Befestigungsplatte 39 mit dem zur besseren Anschau¬ lichkeit in Figur 3 nicht gezeigten Versteifungsrahmen erfor- derlich sind, in vergleichsweise kleinen Abmessungen reali¬ siert werden, sodass insgesamt ein vergleichsweise leichtes Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit geringer Masse und so¬ mit geringem Materialverbrauch realisiert werden kann.
Anhand Figur 4 wird eine mögliche Art einer Befestigung eines Schwingkörpers 4, der als Federbalken einer Dicke d ausgebil¬ det ist, an einem Messrohr 1 erläutert. Dazu ist in Figur 4 das eine Ende 41 des Schwingkörpers 4 dargestellt, mit wel¬ chem dieser an einer Stelle im Bereich des Übergangs vom geraden Einlaufabschnitt 21 zum Einlaufkrümmer 22 befestigt ist. Das gegenüberliegende, nicht dargestellte andere Ende ist dazu achsensymmetrisch ausgebildet und befestigt. Das ge- zeigte Ende 41 ist mit einer Ausnehmung 42 versehen, die derart ausgebildet ist, dass aufgrund der Ausnehmung 42 zwei Ba¬ cken 43 und 44 erhalten werden, mit welchen das Ende 41 das Messrohr 1 zangenartig umgreift. Die Backen 43 und 44 sind am Ende 41 jeweils mit zum Messrohr 1 weisenden Vorsprüngen 45 bzw. 46 versehen, deren Innenflächen durch Hartlöten oder alternativ durch Schweißen mit dem Messrohr 1 verbunden sind. Diese Punktlötung bzw. Punktschweißung stellt eine stabile Verbindung dar, welche die über den Einlaufkrümmer 22 bei Schwingungen eingeleiteten Kräfte und Momente aufnehmen und mithilfe des Schwingkörpers 4 weitgehend kompensieren kann, so dass die über die Verbindungsstelle auf den Einlaufab¬ schnitt 21 übertragenen, resultierenden Kräfte und Momente nahezu verschwinden. Anhand der Figuren 5 und 6 werden im Folgenden die vorteilhaften Auswirkungen des Schwingkörpers 4 zur Verbesserung des Massenausgleichs eines Coriolis-Massendurchflussmessgeräts weiter erläutert. Figur 5 zeigt ein Diagramm, an dessen Abs- zisse die Dicke d des als Federbalken ausgebildeten Schwingkörpers 4 in mm (Millimeter) und an dessen Ordinate die Kräf¬ te Fx und Fy (Figur 1) als normierte Größen aufgetragen sind. Im Unterschied dazu ist in Figur 6 das Moment Mz (Figur 1) als normierte Größe an der Ordinate aufgetragen. Die in den Diagrammen eingezeichneten Werte und Verläufe wurden bei der gewünschten Resonanzfrequenz des Messrohrs ermittelt. Die auf den Ordinaten liegenden Punkte 51 (Figur 5) und 61 (Figur 6) wurden zum Vergleich für ein Coriolis-Massendurchflussmessge- rät ohne Schwingkörper, d. h. Dicke d = 0, und einem mit Was- ser befüllten Messrohr aufgenommen. Entsprechend dem Punkt 51 beträgt die Kraft Fy fast das 8.000-fache entsprechend Punkt 52 Fx etwa das 200-fache und entsprechend dem Punkt 61 das Moment Mz etwa das 250-fache der jeweiligen Minimalwerte, die mit einem Schwingkörper optimal bemessener Dicke d erhalten wurden. Die mittels des Schwingkörpers erreichbare Verbesse¬ rung des Massenausgleichs ist somit erheblich. Ein Verlauf 53 stellt die für verschiedene Dicken d ermittelte Kraft Fy für ein mit Wasser gefülltes Messrohr, ein Verlauf 54 für ein mit Luft gefülltes Messrohr dar. Entsprechend zeigt ein Verlauf 63 ermittelte Momente Mz für ein wasserbefülltes Messrohr und ein Verlauf 64 Momente Mz für ein luftbefülltes Messrohr. An den Verläufen 53 und 54 bzw. 63 und 64 ist erkennbar, dass die Kraft Fy bzw. das Moment Mz bei einer Dicke d von etwa 1,4 mm für ein wasserbefülltes Messrohr und bei einer Dicke d von etwa 1,5 mm für ein luftbefülltes Messrohr Minimalwerte erreichen. Daraus ist ersichtlich, dass zur Erreichung eines guten Massenausgleichs eine Anpassung des Schwingkörpers an die Messrohreigenschaften ausreichend ist. Durch eine Anpas¬ sung beispielsweise der Dicke d eines als Federbalken ausge- führten Schwingkörpers an die Dichte des jeweils zu messenden Mediums könnte prinzipiell zwar eine weitere Optimierung des Massenausgleichs durchgeführt werden, diese kann jedoch ent¬ fallen, da bei vorbestimmter Dicke d eine eher geringe Abhängigkeit der Qualität des Massenausgleichs von der Mediendich- te besteht. In Figur 5 sind zusätzlich Verläufe 55 und 56 der Kraft Fx für ein wasserbefülltes Messrohr bzw. für ein luft- befülltes Messrohr eingezeichnet. Die Kraft Fx zeigt eine deutlich geringere Abhängigkeit von der jeweiligen Dicke d und ist über einen größeren Bereich nahezu konstant.

Claims

Patentansprüche
1. Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit einem achsensymmet¬ risch gekrümmten Messrohr (1), welches von einem Medium durchströmt wird, mit einem Versteifungsrahmen (2, 3), durch welchen das Messrohr (1) gehalten wird, mit mindestens einer Erregeranordnung (33), durch welche das Messrohr (1) zu
Schwingungen angeregt wird, welche innerhalb der Ebene ver¬ laufen, in welcher das Messrohr (1) liegt, mit mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (31, 32) zur Erfassung der Schwingungen und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (34), die dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Erregeranord¬ nung (33) anzusteuern, von den mindestens zwei Schwingungsaufnehmern (31, 32) Schwingungssignale (35, 36) zu empfangen und die Schwingungssignale (35, 36) zur Bestimmung eines
Messwerts für den Massendurchfluss auszuwerten, dadurch ge¬ kennzeichnet,
dass das Messrohr (1) im Wesentlichen V-förmig gekrümmt ist, dass im Bereich der offenen Seite des im Wesentlichen V-för- migen Messrohrs (1) ein mit dem Messrohr (1) verbundener
Schwingkörper (4) zum Massenausgleich in einem aus Messrohr (1) und Schwingkörper (4) gebildeten, achsensymmetrisch schwingenden System angeordnet ist.
2. Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet, dass bei Untergliederung des im Wesent¬ lichen V-förmigen Messrohrs (1) in die hintereinanderliegen- den Abschnitte gerader Einlaufabschnitt (21), Einlaufkrümmer (22), EinlaufSchenkel (23), Basisabschnitt (24), Auslauf- Schenkel (25), Auslaufkrümmer (26) und gerader Auslaufab¬ schnitt (27) der Schwingkörper (4) an einer ersten Stelle im Bereich des Übergangs vom geraden Einlaufabschnitt (21) zum Einlaufkrümmer (22) und an einer zweiten Stelle im Bereich des Übergangs vom Auslaufkrümmer (26) zum geraden Auslaufab- schnitt (27) mit dem Messrohr (1) federnd in einer Richtung parallel zur Symmetrieachse (5) verbunden ist.
3. Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 2, da¬ durch gekennzeichnet, dass der Schwingkörper (4) als Feder- balken ausgebildet ist und dass die Enden (41) des Federbal¬ kens durch Lötverbindungen an der ersten Stelle bzw. an der zweiten Stelle des Messrohrs (1) befestigt sind.
4. Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregeranordnung (33) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie eine Kraft zur Anre¬ gung des aus Messrohr (1) und Schwingkörper (4) gebildeten, achsensymmetrisch schwingenden Systems auf die Mitte des Schwingkörpers (4) in einer Richtung parallel zur Symmetrie¬ achse (5) ausübt.
5. Coriolis-Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 4, da¬ durch gekennzeichnet, dass genau zwei Schwingungsaufnehmer (31, 32) vorhanden sind, wobei ein erster Schwingungsaufnehmer (31) zur Erfassung von Schwingungen an der Hälfte des Einlaufschenkeis (23) vorgesehen ist, welche dem Einlaufkrüm¬ mer (21) benachbart ist, und wobei ein zweiter Schwingungs¬ aufnehmer (32) zur Erfassung von Schwingungen an der Hälfte des Auslaufschenkeis (25) vorgesehen ist, welche dem Auslauf¬ krümmer (26) benachbart ist.
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