WO2018114197A1 - Messaufnehmer vom vibrationstyp zum messen der dichte und/oder des massedurchflusses eines mediums - Google Patents

Messaufnehmer vom vibrationstyp zum messen der dichte und/oder des massedurchflusses eines mediums Download PDF

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oscillator
measuring
vibration
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Hao Zhu
Alfred Rieder
Ennio Bitto
Gerhard Eckert
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Definitions

  • Vibration-type transducers for measuring the density and / or the
  • the present invention relates to a vibration-type sensor for measuring the density and / or the mass flow of a medium having at least one oscillator having two measuring tubes coupled to a vibration coupler, wherein the measuring tubes are bent in the same direction in the rest position.
  • Such a transmitter is for example in the published patent application
  • the measuring tubes are pairwise coupled to oscillators, with two superposed measuring tubes forming an oscillator.
  • the vibration-type sensor according to the invention for measuring the density and / or the mass flow of a medium is a sensor with at least one first oscillator, which comprises: a first measuring tube, which is bent in its rest position, and which has a first measuring tube center line which is mirror-symmetrical to a the first measuring tube transverse plane extends, wherein the first measuring tube is adapted to oscillate in a first, mirror-symmetrical bending mode relative to the first essrohrquerebene a second measuring tube, which is bent in its rest position, and which has a second Meßrohrmittenline extending mirror-symmetrically to the first measuring tube transverse plane wherein the second measuring tube is adapted to oscillate in the first mirror-symmetrical bending mode with respect to the first measuring tube transverse plane, at least one first elastic oscillation coupler, which miteinan the first measuring tube and the second measuring tube which couples to the oscillator; and at least one exciter for exciting oscillator oscillations at least in the first bending mode, wherein the second measuring tube is bent
  • the two measuring tubes can be coupled to an oscillator by means of a comparatively weak oscillation coupler, without that being in the range of
  • the second natural oscillator frequency is not more than two and a quarter times, in particular not more than twice and preferably not more than 1.8 times the first natural frequency of the oscillator.
  • the second natural oscillator frequency is at least 4%, in particular at least 8%, preferably at least at least 16% larger than the first natural oscillator frequency.
  • the at least one first elastic couples
  • Transceiver transverse plane in particular in the measuring tube transverse plane with each other to the oscillator.
  • the first measuring tube longitudinal plane is inclined by not more than 8 °, in particular not more than 4 °, preferably not more than 2 ° and particularly preferably not more than 1 ° with respect to the second measuring tube longitudinal plane.
  • the senor further comprises a collector on the inlet side and outlet side, wherein the measuring tubes are each fluidically combined on the inlet side and outlet side with a collector, wherein the collectors provided on the inlet side and outlet side are in particular made so stable that they fulfill the functionality of a node plate ; and a support body which rigidly connects the inlet side header and the outlet side header.
  • the senor further comprises at least one second oscillator, which comprises: a third measuring tube, which is a third
  • Has measuring center line which is mirror-symmetrical to a second measuring tube transverse plane, wherein the third measuring tube is adapted to, in a first, with respect to the second
  • the second measuring tube is adapted to oscillate in the first mirror-symmetrical bending mode with respect to the second measuring tube transverse plane, and at least one second elastic tube Vibration coupler which couples the third measuring tube and the fourth measuring tube symmetrically to the second measuring tube transverse plane, in particular in the second measuring tube transverse plane to the oscillator.
  • the second oscillator is similar to the first oscillator in terms of its oscillation properties, in particular with regard to the ratios of the oscillator natural frequencies.
  • the third measuring tube is identical in construction to the first measuring tube
  • the fourth measuring tube is substantially identical in construction to the second measuring tube.
  • the second oscillation coupler is identical in construction to the first oscillation coupler.
  • the exciter acts between a measuring tube of the first oscillator and the identical measuring tube of the second oscillator.
  • the transmitter further comprises on the outlet side at least one, preferably two or more node plates each of the measuring tubes on the inlet side and outlet side is at least connected to a measuring tube of identical construction by means of at least one node plate.
  • Fig. 1 a a spatial representation of a first embodiment of a
  • 1 b shows a side view of the first embodiment of a sensor according to the invention
  • Fig. 1 c a front view of the first embodiment of a sensor according to the invention
  • Fig. 1d is a schematic detail view of the first embodiment of a
  • Fig. 2a a sketch for explaining symmetries of a preferred
  • FIG. 2b shows a sketch for explaining general symmetry conditions of a sensor according to the invention
  • 3a shows a schematic detail cross section in the measuring tube transverse plane in the region of the vibration coupler of a first embodiment
  • FIG. 3b shows a schematic detail view along the line A-A from FIG. 3a of the second and fourth measuring tube of the first exemplary embodiment
  • FIG. 4a shows a schematic detail cross section in the measuring tube transverse plane in the region of the vibration coupler of a second embodiment
  • 4b shows a schematic detail view along the line BB from FIG. 4a onto the second and fourth measuring tube of the second exemplary embodiment.
  • 5 shows a schematic detail cross section in the measuring tube transverse plane in the region of the vibration coupler of a third exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic detail cross section in the measuring tube transverse plane in the region of the vibration coupler of a fourth exemplary embodiment
  • FIGS. 1 a to 1 d The embodiment shown in FIGS. 1 a to 1 d of an inventive
  • Sensor 100 includes four curved measuring tubes 101, 102, 103, 104.
  • the measuring tubes 101, 102, 103, 104 extend between an inlet-side collector 120 and a
  • Outlet-side collector 120 and are fixedly connected to the collectors 120, for example by rolling, brazing or welding. Between the collectors 120 extends a solid support tube 124 which is fixedly connected to both collectors, whereby the collectors 120 are rigidly coupled together.
  • the carrier tube 124 has at its upper side openings through which the measuring tubes 101, 102, 103, 104 are guided out of the carrier tube 124 and back again by the collectors 120.
  • the collectors 120 each have a flange 122 at the end, by means of which the sensor 100 is to be installed in a pipeline. Through openings 123 in the flanges 122, a medium is to be guided through the measuring sensor 100, in particular its measuring tubes 101, 102, 103, 104, in order to determine the mass flow rate and / or the density of the medium.
  • the first measuring tube 101 and the second measuring tube 102 are coupled to a first oscillator 01 by means of a first oscillation coupler 212.
  • the third measuring tube 103 and fourth measuring tube 104 are coupled by means of a second oscillation coupler 234 to a second oscillator 02 (for the sake of clarity, the oscillation couplers are not shown in FIG. 1a).
  • FIGS. 2a and 2b some symmetry properties of the sensor according to the invention will be explained.
  • a first measuring tube center line 11 of the first measuring tube 101 a second measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a third measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a fourth measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a fourth measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a fourth measuring tube center line 11 of the first measuring tube 101, a second measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a third measuring tube center line 11 of the first measuring tube 101, a third measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a third measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a fourth measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a fourth measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a fourth measuring tube center line 112 of the second measuring tube 102, a fourth measuring tube center line 112 of the second measuring tube
  • the measuring tube center lines are in each case opposite through the centers of a sequence of tube cross sections along the course of a measuring tube.
  • Each of the measuring tubes 101, 102, 103, 104 is assigned a measuring tube longitudinal plane Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4, to which the integral of the distance squares of the respective measuring tube center line is minimal.
  • the measuring tube center lines can run completely in the respective measuring tube longitudinal plane.
  • the measuring tube longitudinal planes Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4 intersect the measuring tube transverse plane Sxy vertically, as shown in FIG. 2b, which shows a plan view of the measuring tube transverse plane.
  • each measuring tube has its own measuring tube long plane Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4, wherein the measuring tube transverse planes can quite coincide in pairs, as in Fig 2a for the symmetries of the embodiment of FIG a to 1d is shown. Accordingly, the first and fourth measuring tube long plane lie in a common measuring tube long plane Syz 1-4 and the third and second measuring tube long in a common measuring tube long plane Syz-3-2.
  • Each of the measuring tube center lines 1 1 1, 1 12, 113, 1 14 extends symmetrically to a common measuring tube transverse plane Sxy, which is therefore cut perpendicularly from the Meßrohrmittenlinien.
  • the first measuring tube center line 11 1 and the third measuring tube center line 113 extend symmetrically with respect to a sensor longitudinal plane Syz-0.
  • the second measuring tube center line 112 and the fourth measuring tube center line 114 run symmetrically with respect to the sensor longitudinal plane Syz-0.
  • the measuring tube longitudinal planes Syz-1, Syz-2, Syz-3, Syz-4 run in the first embodiment parallel to the sensor longitudinal plane Syz-0.
  • the intersection between the measuring tube transverse plane Sxy and the sensor longitudinal plane Syz-0 defines a Y-axis of a coordinate system for describing the measuring transducer.
  • a Z-axis of the coordinate system is perpendicular to the measuring tube transverse plane and intersects the Y-axis in the common origin.
  • the X-axis is perpendicular to the other axes and intersects them in the common origin.
  • the first measuring tube 101 and the third measuring tube 103 are each connected to two nodal plates 131 and 133 on the inlet side and the outlet side, wherein the position of the two inner of the nodal plates 131, that is, by those on the inlet side or outlet side furthest away from the corresponding collector 120 are free vibration lengths of the first measuring tube 101, and the third measuring tube 103 are fixed.
  • the second measuring tube 102 and the fourth measuring tube 104 are each connected on the inlet side and outlet side to two nodal plates 132 and 134, the nodal plates 132 being free due to the position of the two inner ones
  • Vibration lengths of the second measuring tube 102, and the fourth measuring tube 104 are fixed. Due to the symmetries, the measuring tubes longitudinally symmetrical to each other extending measuring tubes each have the same oscillation length and thus the same except for minimal deviations due to manufacturing tolerances
  • Vibration characteristics that is to say, for example, without the oscillation couplers 212, 234, they would have substantially the same eigenfrequencies in pairs, which in each case are determined in particular by the free oscillation lengths of the measuring tubes are fixed.
  • the two pairs of measuring tubes have different oscillation properties and in particular different natural frequencies, the aim being to minimize the differences as far as possible hold. Due to the coupling of the measuring tubes by the two vibration couplers 212, 234 to the first and second oscillators 01, 02, the measuring tubes oscillate in bending modes of the oscillators resulting from coupling the bending modes of the measuring tubes involved.
  • the bends have natural frequencies that differ from those of the flexural vibration modes of the coupled measuring tubes.
  • the so-called Nutzmode ie that Biegeschwingungsmode in which measuring tubes are usually excited in a generic sensor, split by the coupling of the measuring tubes in two bending modes of the oscillators, oscillator oscillation modes on short.
  • a first oscillator oscillation mode the first oscillator 01 oscillates against the second oscillator 02, with the two measuring tubes of an oscillator each oscillating in phase, that is, moving simultaneously in the positive X direction.
  • a second oscillator oscillation mode the first oscillator 01 oscillates against the second oscillator 02, with the two measuring tubes of an oscillator each oscillating in antiphase, that is to say moving simultaneously in the opposite X direction.
  • the second oscillator oscillation mode has a higher natural frequency than the first oscillator oscillation mode. How strongly the eigenfrequencies of the first and second oscillation oscillation modes differ from each other depends on the stiffness of the
  • Vibration coupler in relation to the rigidity of the measuring tubes. Design options for this are shown below. In either case, the frequency separation should be a multiple of a resonant width of the oscillator modes to prevent crosstalk between the oscillator modes.
  • the coupling of the measuring tubes to two oscillators causes the measuring tubes to oscillate in defined phases relative to one another and that the vibration modes do not interfere with each other.
  • FIGS. 3a and 3b A first embodiment of vibration couplers is shown in FIGS. 3a and 3b shown.
  • 3a shows a simplified cross-section of the measuring tubes 101, 102, 103 104 in the measuring tube transverse plane.
  • a first oscillatory coupler 212 extends diagonally from the saddle point of the first measuring tube 101 to the apex of the second measuring tube 102.
  • the first oscillating coupler 212 includes a first straight coupler strip 206 extending between a first coupler foot 201 and a second coupler foot 202.
  • the first and second coupler feet 201, 202 are on
  • a second oscillatory coupler 234 extends diagonally from the saddle point of the third measuring tube 103 to the vertex of the fourth measuring tube 104.
  • the second oscillating coupler 234 includes a second straight coupling strip 206 extending between a third coupler base 203 and a fourth coupler base 204.
  • the third and fourth Kopplerfuß 203, 204 are fixed at the saddle point of the third measuring tube 103 and vertex of the fourth measuring tube 204 by means of joining, in particular welding or brazing.
  • the second coupling strip 206 is either integrally formed with the associated Koppler Stahl CH 203, 204 or connected by joining with these.
  • the plan view of the third and fourth measuring tubes 103, 104 shown in FIG. 3b from the plane AA in FIG. 3a shows the position of the second and fourth coupler feet 102, 104 and the course of the coupling strips 206, 208 below the plane AA.
  • the coupling strips 206, 208 are spaced from each other to exclude friction between them, but they are positioned as close as possible to the measuring tube transverse plane to minimize the introduction of bending moments, which could affect in particular the so-called Coriolis mode.
  • the coupling strips 206, 208 are spaced from each other to exclude friction between them, but they are positioned as close as possible to the measuring tube transverse plane to minimize the introduction of bending moments, which could affect in particular the so-called Coriolis mode.
  • Vibration couplers are made of a metallic material, preferably of the same material as the measuring tubes.
  • a metallic material preferably of the same material as the measuring tubes.
  • Vibration generator which are also positioned in the measuring tube transverse plane, not shown.
  • FIGS. 4a and 4b A second embodiment of vibration couplers is shown in FIGS. 4a and 4b shown.
  • FIG. 4 a shows a simplified cross-section of the measuring tubes 301, 302, 303 304 in the measuring tube transverse plane.
  • a first oscillation coupler 312 extends diagonally from the saddle point of the first measurement tube 301 to the vertex of the second measurement tube 302.
  • the first oscillation coupler 312 comprises a first arcuate coupler strip 306 with its ends at the saddle point of the first measurement tube 301 and vertex of the second measurement tube 302 by means of joining, especially
  • a second oscillation coupler 334 extends diagonally from the saddle point of the third measuring tube 303 to the vertex of the fourth measuring tube 304.
  • the second oscillation coupler 334 comprises a second arcuate coupling strip 308 with its ends at the saddle point of the third measuring tube 303 and vertex of the fourth measuring tube 304 by means of joining , in particular welding or brazing is fixed.
  • the plan view of the second and fourth measuring tubes 302, 304 shown in FIG. 3b from the plane B-B in FIG. 4a shows the course of the two coupling strips 306, 308 below the plane B-B.
  • the arcuate course of the coupling strips 306, 308 makes it possible to guide the coupling strips past each other, and yet positioned the ends of the coupling strip in or near the Meßrohrquerebene to the introduction of bending moments, the
  • Vibration couplers 312, 334 are made of a metallic material, preferably of the same material as the measuring tubes. For the sake of clarity, in Fig. 4a
  • Vibration generator which are also positioned in the measuring tube transverse plane, not shown.
  • the rigidity of the vibration couplers can be controlled.
  • frequency separation between the first and second oscillation oscillation modes can be set to a desired value.
  • mechanical voltage peaks can be avoided, in particular in the second oscillator oscillation mode.
  • the senor is operated in the first oscillator vibration mode, which less stressed the material of the vibration coupler and the associated fasteners on the measuring tube, whereby in particular the risk of plastic deformation in the field of vibration couplers is significantly reduced.
  • the sensor can also be operated in the second oscillator oscillation mode, in particular for diagnostic purposes.
  • an electrodynamic exciter arrangement 141 is arranged in the measuring tube transverse plane Sxy between the first measuring tube 101 and the third measuring tube 103.
  • the excitation arrangement 141 comprises a plunger coil on one of the two measuring tubes and a plunger on the opposite measuring tube.
  • the excitation arrangement is positioned at the vertices of the first and third measuring tubes in the measuring tube transverse plane.
  • electrodynamic exciter assembly 142 is provided which acts between the second measuring tube 102 and the fourth measuring tube, and in particular is identical to the first exciter arrangement.
  • the second excitation arrangement 142 is positioned at the saddle points of the second and fourth measuring tubes in the measuring tube transverse plane (for the sake of clarity, the excitation arrangements are not shown in FIG. 1d).
  • the measuring tubes are excited to oscillate, the oscillations being coupled via the first oscillation coupler 212 between the first measuring tube 101 and the second measuring tube 102 and the second oscillation coupling 234 between the third measuring tube 103 and the fourth measuring tube 104.
  • the two exciter arrangements In the first, in-phase oscillator oscillation mode, the two exciter arrangements must exert an attractive force in antiphase.
  • the two exciter arrangements In the case of the second, antiphase oscillation oscillation mode, the two exciter arrangements must have an attractive force in phase.
  • two electrodynamic sensor arrangements 151 are arranged symmetrically with respect to the measuring tube transverse plane between the first measuring tube 101 and the third measuring tube 103, each with one plunger coil on one tube and one plunger on the other tube.
  • two electrodynamic sensor arrangements 152 are arranged symmetrically to the measuring tube transverse plane between the second measuring tube 102 and the fourth measuring tube 104, each having one plunger coil on one tube and one plunger on the other tube. Details are known to those skilled in the art, and need not be explained here. (In the sense of the sense of the
  • the invention also includes sensors with a vibration coupling of the directly superposed measuring tubes, as described below with reference to the two in FIGS. 5 and 6 illustrated embodiments will be explained.
  • the third embodiment shown in Fig. 5 differs only by the type of vibration coupling of the first two embodiments.
  • 5 shows a simplified cross section of the measuring tubes 401, 402, 403 404 in the measuring tube transverse plane.
  • a first oscillation coupler 414 extends vertically from the saddle point of a first measuring tube 401 to the vertex of a second measuring tube 404.
  • the first oscillation coupler 401 comprises a first metallic coupler strip with its ends at the saddle point of the first measuring tube 401 and vertex of the second measuring tube 404 by means of joining, in particular Welding or brazing is fixed.
  • a second vibration coupler 432 extends vertically from the saddle point of a third measuring tube 403 to the vertex of a fourth measuring tube 402. The second
  • Vibration coupler 432 includes a second metallic coupler strip which is fixed with its ends at the saddle point of the third measuring tube 401 and vertex of the fourth measuring tube 404 by means of joining, in particular welding or brazing.
  • the fourth embodiment shown in Fig. 6 has a similar vibration coupling as the third embodiment. 6 shows a simplified cross section of the measuring tubes 501, 502, 503 504 in the measuring tube transverse plane.
  • a first oscillation coupler 514 extends vertically from the saddle point of a first measuring tube 501 to the vertex of a second measuring tube 504.
  • the first oscillating coupler 501 comprises a first arcuate metallic coupler strip which fixes with its ends at the saddle point of the first measuring tube 501 and vertex of the second measuring tube 504 by means of joining, in particular welding or brazing is.
  • a second vibratory coupler 532 extends vertically from the saddle point of a third measuring tube 503 to the vertex of a fourth measuring tube 502.
  • the second vibrating coupler 532 includes a second arcuate metallic coupler strip having its ends at the saddle point of the third measuring tube 501 and vertex of the fourth measuring tube 404 by means of joining , in particular welding or brazing is fixed.
  • the design of the arcuate course of the coupler strips allows a controlled tuning of the stiffness of the vibration coupler.
  • frequency separation between the first and second oscillation oscillation modes can be set to a desired value.
  • Oscillator oscillation mode can be avoided.
  • the outer identical measuring tubes 101, 103; 401, 403; 501, 503, have a natural frequency of about 150 Hz in the bending vibration fundamental mode without vibration coupling, the corresponding natural frequency of the inner measuring tubes 102, 104; 402, 404; 502, 504 is about 0.2 Hz larger.
  • In-phase oscillatory mode is essentially the average of the above frequencies.
  • the second oscillator natural frequency of the antiphase oscillator oscillation mode is about 156 Hz to about 270 Hz.

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Abstract

Messaufnehmer (100) vom Vibrationstyp zum Messen der Dichte und/oder des Massedurchflusses eines Mediums, mit: mindestens einem ersten Oszillator (01), welcher umfasst: ein erstes Messrohr (101), welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine erste Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu einer ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das erste Messrohr dazu eingerichtet ist, in einem ersten, bezüglich der ersten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, ein zweites Messrohr (102), welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine zweite Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das zweite Messrohr dazu eingerichtet ist, in dem ersten, bezüglich der ersten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, mindestens einen ersten elastischen Schwingungskoppler (212), welcher das erste Messrohr und das zweite Messrohr miteinander zu dem Oszillator koppelt; und mindestens einen Erreger (142) zum Anregen von Oszillatorschwingungen zumindest im ersten Biegeschwingungsmode, wobei das erste Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine erste Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der ersten Messrohrlängsachse und der ersten Messrohrlängsebene minimal ist, wobei das erste Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur ersten Messrohrlängsebene schwingt, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine zweite Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der zweiten Messrohrlängsachse und der zweiten Messrohrlängsebene minimal ist, wobei das zweite Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Messrohrlängsebene schwingt, wobei das erste Messrohr und das zweite Messrohr in die gleiche Richtung gebogen sind, wobei der Oszillator (01) eine erste Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode in Phase schwingen, wobei der Oszillator eine zweite Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode gegenphasig schwingen, wobei die zweite Oszillatoreigenfrequenz größer ist als die erste Oszillatoreigenfrequenz, wobei das erste Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine erste Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei das zweite Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine zweite Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei die beiden Messrohreigenfrequenzen um nicht mehr als 8 % insbesondere nicht mehr als 4 % und bevorzugt nicht mehr als 2 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 % von, ihrem arithmetrischen Mittelwert abweichen.

Description

Messaufnehmer vom Vibrationstyp zum Messen der Dichte und/oder des
Massedurchflusses eines Mediums
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp zum Messen der Dichte und/oder des Massedurchflusses eines Mediums mit mindestens einem Oszillator der zwei mit einem Schwingungskoppler gekoppelte Messrohre aufweist, wobei die Messrohre in der Ruhelage in die gleiche Richtung gebogen sind.
Ein derartiger Messumformer ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 201 1 010 178 A1 offenbart. Die Messrohre sind paarweise zu Oszillatoren gekoppelt, wobei jeweils zwei übereinander liegende Messrohre einen Oszillator bilden. Die dort gezeigte Kopplung erscheint jedoch sehr starr, so dass zwischen den Messrohren, die absehbar stark abweichende Eigenfrequenzen aufweisen, große Zwangskräfte und mechanische Spannungen zwischen den gekoppelten Messrohren zu erwarten sind, welche die Messgenauigkeit und Empfindlichkeit des Messaufnehmers beeinträchtigen. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
Der erfindungsgemäße Messaufnehmer vom Vibrationstyp zum Messen der Dichte und/oder des Massedurchflusses eines Mediums ist ein Messaufnehmer mit mindestens einem ersten Oszillator, welcher umfasst: ein erstes Messrohr, welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine erste Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu einer ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das erste Messrohr dazu eingerichtet ist, in einem ersten, bezüglich der ersten essrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, ein zweites Messrohr, welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine zweite Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das zweite Messrohr dazu eingerichtet ist, in dem ersten, bezüglich der ersten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, mindestens einen ersten elastischen Schwingungskoppler, welcher das erste Messrohr und das zweite Messrohr miteinander zu dem Oszillator koppelt; und mindestens einen Erreger zum Anregen von Oszillatorschwingungen zumindest im ersten Biegeschwingungsmode, wobei das erste Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine erste Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der ersten Messrohrlängsachse und der ersten Messrohrlängsebene minimal ist, wobei das erste Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur ersten Messrohrlängsebene schwingt, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine zweite Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der zweiten Messrohrlängsachse und der zweiten Messrohrlangsebene minimal ist, wobei das zweite Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Messrohrlangsebene schwingt, wobei das erste Messrohr und das zweite Messrohr in die gleiche Richtung gebogen sind, wobei der Oszillator eine erste Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen
Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode in Phase schwingen, wobei der Oszillator eine zweite Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen
Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode gegenphasig schwingen, wobei die zweite Oszillatoreigenfrequenz größer ist als die erste Oszillatoreigenfrequenz, wobei das erste Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine erste Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei das zweite Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine zweite Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei die beiden Messrohreigenfrequenzen um nicht mehr als 8 % insbesondere nicht mehr als 4 % und bevorzugt nicht mehr als 2 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 % von, ihrem arithmetrischen Mittelwert abweichen.
Durch die geringen Abweichungen zwischen den Eigenfrequenzen der Messrohre im ersten Biegeschwingungsmode können die beiden Messrohre durch einen vergleichsweise schwachen Schwingungskoppler zu einem Oszillator gekoppelt werden, ohne dass im Bereich der
Schwingungskoppler zu große mechanische Spannungen auftreten.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die zweite Oszillatoreigenfrequenz nicht mehr als das Zweieinviertelfache, insbesondere nicht mehr als das Doppelte und bevorzugt nicht mehr als das 1 ,8-Fache der ersten Oszillatoreigenfrequenz.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Oszillatoreigenfrequenz um mindestens 4%, insbesondere mindestens 8%, vorzugsweise mindestens mindestens 16% größer als die erste Oszillatoreigenfrequenz.
Die beiden obigen Grenzen für das Frequenzverhältnis zwischen der ersten Oszillatoreigenfrequenz und der zweiten Oszillatoreigenfrequenz implizieren einerseits eine hinreichende Trennung um ein Übersprechen zwischen den beiden Schwingungsmoden des Oszillators auszuschließen, und andererseits einen nicht allzu Schwingungskoppler, wodurch die mechanischen Spannungen beim gegenphasigen Schwingungsmode mit der zweiten
Oszillatoreigenfrequenz gering bleiben, insbesondere unterhalb des Bereichs plastischer
Verformungen. In einer Weiterbildung der Erfindung koppelt der mindestens eine erste elastische
Schwingungskoppler das erste Messrohr und das zweite Messrohr symmetrisch zur
Messrohrquerebene, insbesondere in der Messrohrquerebene miteinander zu dem Oszillator.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Messrohrlängsebene um nicht mehr als 8°, insbesondere nicht mehr als 4°, vorzugsweise nicht mehr als 2° und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 ° gegenüber der zweiten Messrohrlängsebene geneigt.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messaufnehmer weiterhin einlaufseitig und auslaufseitig jeweils einen Sammler, wobei die Messrohre jeweils einlaufseitig und auslaufseitig mit einem Sammler strömungstechnisch zusammengefasst sind, wobei die einlaufseitig und auslaufseitig vorgesehenen Sammler insbesondere derart stabil ausgestaltet sind, dass sie die Funktionalität einer Knotenplatte erfüllen; und einen Trägerkörper, welcher den einlaufseitigen Sammler und den auslaufseitigen Sammler starr miteinander verbindet.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messaufnehmer weiterhin mindestens einen zweiten Oszillator, welcher umfasst: ein drittes Messrohr, welches eine dritte
Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Messrohrquerebene verläuft, wobei das dritte Messrohr dazu eingerichtet ist, in einem ersten, bezüglich der zweiten
Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, ein viertes Messrohr, welches eine vierte Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das zweite Messrohr dazu eingerichtet ist, in dem ersten, bezüglich der zweiten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, und mindestens einen zweiten elastischen Schwingungskoppler welcher das dritte Messrohr und das vierte Messrohr symmetrisch zur zweiten Messrohrquerebene, insbesondere in der zweiten Messrohrquerebene miteinander zu dem Oszillator koppelt.
In einer Weiterbildung der Erfindung gleicht der zweite Oszillator hinsichtlich seiner Schwingungseigenschaften dem ersten Oszillator, insbesondere hinsichtlich der Verhältnisse der Oszillatoreigenfrequenzen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das dritte Messrohr baugleich mit dem ersten Messrohr ist, und wobei das vierte Messrohr im Wesentlichen baugleich mit dem zweiten Messrohr.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Schwingungskoppler baugleich mit dem ersten Schwingungskoppler.
In einer Weiterbildung der Erfindung wirkt der Erreger zwischen einem Messrohr des ersten Oszillators und dem baugleichen Messrohr des zweiten Oszillators. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messumformer weiterhin auslaufseitig jeweils mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Knotenplatten wobei jedes der Messrohre einlassseitig und auslasseitig jeweils zumindest mit einem baugleichen Messrohr mittels zumindest einer Knotenplatte verbunden ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Ruhelagenabstand der Befestigungspunkte eines Schwingungskopplers an den mittels des Schwingungskopplers gekoppelten Messrohren bei Temperaturen zwischen 20°C auf 80°C einen Änderungskoeffizienten auf, der nicht mehr als 50% insbesondere nicht mehr als 20% vorzugsweise nicht mehr als 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Schwingungskopplers abweicht.
Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 a: eine räumliche Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
Fig. 1 b: eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
Fig. 1 c: eine Frontansicht des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
Fig. 1d: eine schematische Detailansicht des ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
Fig. 2a: eine Skizze zur Erläuterung von Symmetrien eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
Fig. 2b: eine Skizze zur Erläuterung von allgemeinen Symmetriebedingungen eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
Fig. 3a: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 3b: eine schematische Detailaufsicht entlang der Linie A-A aus Fig. 3a auf das zweite und vierte Messrohr des ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 4a: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines zweiten Ausführungsbeispiels
Fig. 4b: eine schematische Detailaufsicht entlang der Linie B-B aus Fig. 4a auf das zweite und vierte Messrohr des zweiten Ausführungsbeispiels. Fig. 5: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines dritten Ausführungsbeispiels
Fig. 6: einen schematischen Detailquerschnitt in der Messrohrquerebene im Bereich der Schwingungskoppler eines vierten Ausführungsbeispiels
Das in Fign 1 a bis 1d dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messaufnehmers 100 umfasst vier gebogene Messrohre 101 , 102, 103, 104. Die Messrohre 101 , 102, 103, 104 erstrecken sich zwischen einem einlassseitigen Sammler 120 und einem
auslassseitigen Sammler 120, und sind mit den Sammlern 120 fest verbunden, beispielsweise durch Einwalzen, Hartlöten oder Schweißen. Zwischen den Sammlern 120 erstreckt sich ein massives Trägerrohr 124, das mit beiden Sammlern fest verbunden ist, wodurch die Sammler 120 starr miteinander gekoppelt sind. Das Trägerrohr 124 weist an seiner Oberseite Öffnungen auf, durch welche die Messrohre 101 , 102, 103, 104 von den Sammlern 120 aus dem Trägerrohr 124 heraus und wieder zurück geführt sind.
Die Sammler 120 weisen endständig jeweils einen Flansch 122 auf, mittels dessen der Messaufnehmer 100 in einer Rohrleitung zu installieren ist. Durch Öffnungen 123 in den Flanschen 122 ist ein Medium durch den Messaufnehmer 100, insbesondere dessen Messrohre 101 , 102, 103, 104 zu führen, um den Massedurchfluss und/oder die Dichte des Mediums zu bestimmen. Das erste Messrohr101 und das zweite Messrohr 102 sind mittels eines ersten Schwingungskopplers 212 zu einem ersten Oszillator 01 gekoppelt. Das dritte Messrohr 103 und vierte Messrohr 104 sind mittels eines zweiten Schwingungskopplers 234 zu einem zweiten Oszillator 02 gekoppelt (Im Sinne der Übersichtlichkeit sind die Schwingungskoppler in Fig. 1a nicht dargestellt).
Bevor die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 100 weiter erläutert wird, sollen kurz anhand von Fign. 2a und 2b einige Symmetrieeigenschaften des erfindungsgemäßen Messaufnehmers erläutert werden. In Fig. 2a sind eine erste Messrohrmittenlinie 1 11 des ersten Messrohrs 101 , eine zweite Messrohrmittenlinie 112 des zweiten Messrohrs 102, eine dritte
Messrohrmittenlinie 1 13 des dritten Messrohrs 103, und eine vierte Messrohrmittenlinie des vierten Messrohrs 104 dargestellt. Die Messrohrmittenlinien sind jeweils gegeneben durch die Mittelpunkte einer Folge von Rohrquerschnitten entlang des Verlaufs eines Messrohrs.
Jedem der Messrohre 101 , 102, 103, 104 ist eine Messrohrlängsebene Syz-1 , Syz-2, Syz-3, Syz-4 zugeordnet, zu welcher das Integral der Abstandsquadrate der jeweiligen Messrohrmittenlinie minimal ist. Insbesondere können die Messrohrmittenlinien vollständig in der jeweiligen Messrohrlängsebene verlaufen. Die Messrohrlängsebenen Syz-1 , Syz-2, Syz-3, Syz-4 schneiden die Messrohrquerebene Sxy senkrecht, wie in Fig. 2b dargestellt ist, die eine Aufsicht auf die Messrohrquerebene zeigt. In dem dort gezeigten, allgemeinen Fall weist jedes Messrohr eine eigene Messrohrlangsebene Syz-1 , Syz- 2, Syz-3, Syz-4 auf, wobei die Messrohrquerebenen durchaus paarweise zusammenfallen können, wie in Fig 2a für die Symmetrien des Ausführungsbeispiels aus Fign 1 a bis 1d gezeigt ist. Demnach liegen die erste und vierte Messrohrlangsebene in einer gemeinsamen Messrohrlangsebene Syz-1-4 sowie die dritte und zweite Messrohrlangseben in einer gemeinsamen Messrohrlangsebene Syz-3-2.
Jede der Messrohrmittenlinien 1 1 1 , 1 12, 113, 1 14 verläuft symmetrisch zu einer gemeinsamen Messrohrquerebene Sxy, welche demnach senkrecht von den Messrohrmittenlinien geschnitten wird. Die erste Messrohrmittenlinie 11 1 und die dritte Messrohrmittenlinie 113 verlaufen symmetrisch zueinander bezüglich einer Messaufnehmerlängsebene Syz-0. Weiterhin verlaufen die zweite Messrohrmittenlinie 112 und die vierte Messrohrmittenlinie 114 symmetrisch zueinander bezüglich der Messaufnehmerlängsebene Syz-0.
Die Messrohrlängsebenen Syz-1 , Syz-2, Syz-3, Syz-4 verlaufen im ersten Ausführungsbeispiel parallel zur Messaufnehmerlängsebene Syz-0.
Die Schnittlinie zwischen der Messrohrquerebene Sxy und der Messaufnehmerlängsebene Syz- 0 definiert eine Y-Achse eines Koordinatensystems zur Beschreibung des Messaufnehmers. Eine Z- Achse des Koordinatensystems verläuft senkrecht zur Messrohrquerebene und schneidet die Y- Achse im gemeinsamen Ursprung. Die X-Achse verläuft senkrecht zu den anderen Achsen und schneidet diese im gemeinsamen Ursprung. Mit den solchermaßen definierten Koordinaten wenden wir uns Fign.1a bis 1d zu.
Das erste Messrohr 101 und das dritte Messrohr 103 sind einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 131 und 133 verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 131 , also durch jene, welche einlassseitig bzw. auslassseitig jeweils am weitesten vom entsprechenden Sammler 120 entfernt sind, freie Schwingungslängen des ersten Messrohrs 101 , und des dritten Messrohrs 103 festgelegt sind. Entsprechend sind das zweite Messrohr 102 und das vierte Messrohr 104 einlassseitig und auslassseitig jeweils mit zwei Knotenplatten 132 und 134 verbunden, wobei durch die Position der beiden inneren der Knotenplatten 132 freie
Schwingungslängen des zweiten Messrohrs 102, und des vierten Messrohrs 104 festgelegt sind. Aufgrund der Symmetrien haben die bezüglich der Messumformerlängsebene symmetrisch zueinander verlaufenden Messrohre jeweils die gleiche Schwingungslänge und damit bis auf minimale Abweichungen aufgrund von Fertigungstoleranzen die gleichen
Schwingungseigenschaften. D.h., sie hätten beispielsweise ohne die Schwingungskoppler 212, 234 paarweise im Wesentlichen die gleichen Eigenfrequenzen, welche jeweils insbesondere durch die freien Schwingungslängen der Messrohre festgelegt sind. Insofern als das zweite und das vierte Messrohr 102, 104 eine andere Gestalt aufweisen als das erste und das dritte Messrohr, 101 , 103, weisen die beiden Paare von Messrohren unterschiedliche Schwingungseigenschaften und insbesondere unterschiedliche Eigenfrequenzen auf, wobei agestrebt ist, die Unterschiede möglichst gering zu halten. Aufgrund der Kopplung der Messrohre durch die beiden Schwingungskoppler 212, 234 zum ersten und zweiten Oszillator 01 , 02, schwingen die Messrohre in Biegeschwingsmoden der Oszillatoren, die sich aus Kopplung der Biegeschwingungsmoden der beteiligten Messrohre ergeben. Die Biege weisen Eigenfrequenzen auf, die von jenen der Biegeschwingsmoden der gekoppelten Messrohre abweichen.
Der sogenannte Nutzmode, also jener Biegeschwingungsmode, in dem Messrohre bei einem gattungsgemäßen Messaufnehmer gewöhnlich angeregt werden, spaltet durch die Kopplung der Messrohren in zwei Biegeschwingungsmoden der Oszillatoren, kurz Oszillatorschwingungsmoden auf. In einem ersten Oszillatorschwingungsmode schwingt der erste Oszillator 01 gegen den zweiten Oszillator 02, wobei die beiden Messrohre eines Oszillators jeweils in Phase schwingen, also sich gleichzeitig in positive X-Richtung bewegen. In einem zweiten Oszillatorschwingungsmode schwingt der erste Oszillator 01 gegen den zweiten Oszillator 02, wobei die beiden Messrohre eines Oszillators jeweils in gegenphasig schwingen, also sich gleichzeitig in entgegengesetzte X- Richtung bewegen. Der zweite Oszillatorschwingungsmode weist eine höhere Eigenfrequenz auf als der erste Oszillatorschwingungsmode. Wie stark sich die Eigenfrequenzen der ersten und zweiten Oszillatorschwingungsmoden voneinander unterscheiden hängt von der Steifigkeit der
Schwingungskoppler im Verhältnis zur Steifigkeit der Messrohre ab. Gestaltungsmöglichkeiten hierzu sind weiter unten dargestellt. In jedem Fall sollte die Frequenztrennung ein Mehrfaches einer Resonanzbreite der Oszillatorschwingungsmoden aufweisen, um ein Übersprechen zwischen den Oszillatorschwingungsmoden zu verhindern. Die Kopplung der Messrohre zu zwei Oszillatoren bewirkt, dass die Messrohre in definierten Phasen zueinander Schwingen, und dass sich die Schwingungsmoden nicht gegenseitig stören.
Eine erste Ausgestaltung von Schwingungskopplern ist in Fign. 3a und 3b dargestellt. Fig. 3a zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 101 , 102, 103 104 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 212 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des ersten Messrohrs 101 zum Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 102. Der erste Schwingungskoppler 212 umfasst einen ersten geraden Kopplerstreifen 206, der sich zwischen einem ersten Kopplerfuß 201 und einem zweiten Kopplerfuß 202 erstreckt. Der erste und zweite Kopplerfuß 201 , 202 sind am
Sattelpunkt des ersten Messrohrs 101 bzw. Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 202 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert. Der erste Koppelstreifen 206 ist entweder einstückig mit den zugehörigen Kopplerfüßen 201 , 202 ausgebildet oder durch Fügen mit diesen verbunden. Ein zweiter Schwingungskoppler 234 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des dritten Messrohrs 103 zum Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 104. Der zweite Schwingungskoppler 234 umfasst einen zweiten geraden Koppelstreifen 206, der sich zwischen einem dritten Kopplerfuß 203 und einem vierten Kopplerfuß 204 erstreckt. Der dritte und vierte Kopplerfuß 203, 204 sind am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 103 bzw. Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 204 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert. Der zweite Koppelstreifen 206 ist entweder einstückig mit den zugehörigen Kopplerfüßen 203, 204 ausgebildet oder durch Fügen mit diesen verbunden. Die in Fig. 3b gezeigte Aufsicht auf das dritte und vierte Messrohr 103, 104 aus der Ebene A-A in Fig. 3a zeigt die Position des zweiten und vierten Kopplerfußes 102, 104 sowie den Verlauf der Koppelstreifen 206, 208 unterhalb der Ebene A-A. Die Koppelstreifen 206, 208 sind voneinander beabstandet um Reibung zwischen ihnen auszuschließen, aber sie sind möglichst dicht an der Messrohrquerebene positioniert um die Einleitung von Biegemomenten, die insbesondere den so genannten Coriolis-Mode beeinflussen könnten, möglichst gering zu halten. Die
Schwingungskoppler sind aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Messrohre. Im Sinne der Übersichtlichkeit sind in Fig. 3a
Schwingungserreger, die ebenfalls in der Messrohrquerebene positioniert sind, nicht dargestellt.
Eine zweite Ausgestaltung von Schwingungskopplern ist in Fign. 4a und 4b dargestellt. Fig. 4a zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 301 , 302, 303 304 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 312 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des ersten Messrohrs 301 zum Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 302. Der erste Schwingungskoppler 312 umfasst einen ersten bogenförmigen Kopplerstreifen 306, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des ersten Messrohrs 301 und Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 302 mittels Fügen, insbesondere
Schweißen oder Hartlöten fixiert ist.
Ein zweiter Schwingungskoppler 334 erstreckt sich diagonal vom Sattelpunkt des dritten Messrohrs 303 zum Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 304. Der zweite Schwingungskoppler 334 umfasst einen zweiten bogenförmigen Koppelstreifen 308, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 303 bzw. Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 304 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist. Die in Fig. 3b gezeigte Aufsicht auf das zweite und vierte Messrohr 302, 304 aus der Ebene B-B in Fig. 4a zeigt den Verlauf der beiden Koppelstreifen 306, 308 unterhalb der Ebene B-B. Der bogenförmige Verlauf der Koppelstreifen 306, 308 ermöglicht es, die Koppelstreifen aneinander vorbei zu führen, und dennoch die Enden der Koppelstreifen in oder nahe der Messrohrquerebene zu positioniert um die Einleitung von Biegemomenten, die
insbesondere den so genannten Coriolis-Mode beeinflussen könnten, zu minimieren. Die
Schwingungskoppler 312, 334 sind aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Messrohre. Im Sinne der Übersichtlichkeit sind in Fig. 4a
Schwingungserreger, die ebenfalls in der Messrohrquerebene positioniert sind, nicht dargestellt. Durch Gestaltung des gebogenen Verlaufs der Koppelstreifen 306, 308 kann die Steifigkeit der Schwingungskoppler kontrolliert werden. Damit kann Frequenztrennung zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillatorschwingungsmode auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Zudem können mechanische Spannungsspitzen insbesondere beim zweiten Oszillatorschwingungsmode vermieden werden.
Vorzugsweise wird der Messaufnehmer im ersten Oszillatorschwingungsmode betrieben, welcher das Material der Schwingungskoppler und die zugehörigen Befestigungen am Messrohr weniger beansprucht, wodurch insbesondere das Risiko plastischer Verformungen im Bereich der Schwingungskoppler erheblich reduziert ist. Grundsätzlich kann der Messaufnehmer aber auch im zweiten Oszillatorschwingungsmode betrieben werden, insbesondere zu Diagnosezwecken.
In der Darstellung der Ausführungsbeispiele mit diagonalen Schwingungskopplern besteht hinsichtlich der Definition einer gegenphasigen und einer gleichphasigen Schwingung der Zwang zu einer willkürlichen Festlegung, der im diagonalen Verlauf der Schwingungskoppler begründet ist. Was aus der Perspektive jeweils eines Schwingungskopplers in Phase erfolgt (gleichzeitige Bewegung in positive x-Richtung), ist bezogen auf die Messaufnehmerlängsebene gegenphasig (das erste und das dritte Messrohr nähern sich einander, während sich das vierte und das zweite Messrohr voneinander entfernen). Vorliegend fiel die Entscheidung den niederfrequenten, spannungsärmeren ersten Oszillatorschwingungsmode als„gleichphasig" zu bezeichnen.
Zum Anregen von der Biegeschwingungen der Messrohre der Oszillatoren 01 und 02 in X- Richtung ist in der Messrohrquerebene Sxy zwischen dem ersten Messrohr 101 und dem dritten Messrohr 103 eine elektrodynamische Erregeranordnung 141 angeordnet. Die Erregeranordnung 141 umfasst eine Tauchspule an einem der beiden Messrohre und einen Tauchkörper am gegenüberliegenden Messrohr. Die Erregeranordnung ist an den Scheitelpunkten des ersten und dritten Messrohrs in der Messrohrquerebene positioniert. Weiterhin ist eine zweite
elektrodynamische Erregeranordnung 142 vorgesehen, die zwischen dem zweitem Messrohr 102 und dem vierten Messrohr wirkt, und insbesondere baugleich zur ersten Erregeranordnung ist. Die zweite Erregeranordnung 142 ist an den Sattelpunkten des zweiten und vierten Messrohrs in der Messrohrquerebene positioniert (Im Sinne der Übersichtlichkeit sind die Erregeranordnungen in Fig. 1d nicht dargestellt).
Durch Speisen der Tauchspulen mit Wechselstromsignalen geeigneter Frequenz und
Phasenlage werden die Messrohre zu Schwingungen angeregt, wobei die Schwingungen über den ersten Schwingungskoppler 212 zwischen dem ersten Messerohr 101 und dem zweiten Messrohr 102, sowie den zweiten Schwingungskoppler 234 zwischen dem dritten Messrohr 103 und dem vierten Messrohrauf 104 gekoppelt sind. Beim ersten, gleichphasigen Oszillatorschwingungsmode müssen die beiden Erregeranordnungen gegenphasig eine anziehende Kraft ausüben. Beim zweiten, gegenphasigen Oszillatorschwingungsmode müssen die beiden Erregeranordnungen gleichphasig eine anziehende Kraft ausüben.
Zum Erfassen der Schwingungen zwischen dem ersten Messrohr 101 und dem dritten Mesrohr 103 sind symmetrisch zur Messrohrquerebene zwischen dem ersten Messrohr 101 und dem dritten Messrohr 103 zwei elektrodynamische Sensoranordnungen 151 angeordnet mit jeweils einer Tauchspule an einem Rohr und einem Tauchkörper am anderen Rohr. Entsprechend sind zum Erfassen der Schwingungen zwischen dem zweiten Messrohr 102 und dem vierten Messrohr 104 symmetrisch zur Messrohrquerebene zwischen dem zweiten Messrohr 102 und dem vierten Messrohr 104 zwei elektrodynamische Sensoranordnungen 152 angeordnet mit jeweils einer Tauchspule an einem Rohr und einem Tauchkörper am anderen Rohr. Einzelheiten dazu sind dem Fachmann bekannt, und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. (Im Sinne der
Übersichtlichkeit wurden die Positionen des Erregeranordnung und der Sensoranordnungen lediglich in Fig. 1 b dargestellt und mit Bezugszeichen versehen).
Neben den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen mit diagonalen Schwin- gungskopplern, umfasst die Erfindung auch Messaufnehmer mit einer Schwingungskopplung der unmittelbar übereinanderliegenden Messrohre, wie im Folgenden anhand von den zwei in Fign. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert wird.
Das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich durch die Art der Schwingungskopplung von den ersten beiden Ausführungsbeispielen. Fig. 5 zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 401 , 402, 403 404 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 414 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines ersten Messrohrs 401 zum Scheitelpunkt eines zweiten Messrohrs 404. Der erste Schwingungskoppler 401 umfasst einen ersten metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des ersten Messrohrs 401 und Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 404 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist. Ein zweiter Schwingungskoppler 432 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines dritten Messrohrs 403 zum Scheitelpunkt eines vierten Messrohrs 402. Der zweite
Schwingungskoppler 432 umfasst einen zweiten metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 401 und Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 404 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist.
Das in Fig. 6 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel weist eine ähnliche Schwingungskopplung wie das dritte Ausführungsbeispiel auf. Fig. 6 zeigt einen vereinfachten Querschnitt der Messrohre 501 , 502, 503 504 in der Messrohrquerebene. Ein erster Schwingungskoppler 514 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines ersten Messrohrs 501 zum Scheitelpunkt eines zweiten Messrohrs 504. Der erste Schwingungskoppler 501 umfasst einen ersten bogenförmig verlaufenden metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des ersten Messrohrs 501 und Scheitelpunkt des zweiten Messrohrs 504 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist. Ein zweiter Schwingungskoppler 532 erstreckt sich vertikal vom Sattelpunkt eines dritten Messrohrs 503 zum Scheitelpunkt eines vierten Messrohrs 502. Der zweite Schwingungskoppler 532 umfasst einen zweiten bogenförmig verlaufenden metallischen Kopplerstreifen, der mit seinen Enden am Sattelpunkt des dritten Messrohrs 501 und Scheitelpunkt des vierten Messrohrs 404 mittels Fügen, insbesondere Schweißen oder Hartlöten fixiert ist.
Die Gestaltung des bogenförmigen Verlaufs der Kopplererstreifen ermöglicht eine kontrollierte Abstimmung der Steifigkeit der Schwingungskoppler. Damit kann Frequenztrennung zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillatorschwingungsmode auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Zudem können mechanische Spannungsspitzen insbesondere beim zweiten
Oszillatorschwingungsmode vermieden werden.
Das äußeren baugleichen Messrohre 101 , 103; 401 , 403; 501 , 503, haben im Biege- schwingungsgrundmode ohne Schwingungskopplung eine Eigenfrequenz von etwa 150 Hz, wobei die entsprechende Eigenfrequenz der inneren baugleichen Messrohre 102, 104; 402, 404; 502, 504 etwa 0,2 Hz größer ist. Die erste Oszillatoreigenfrequenz der gekoppelten Messrohre des
Oszillatorschwingungsmodes in Phase ist im wesentlichen der Mittelwert der obigen Frequenzen. Je nach Steifigkeit der Schwingungskoppler beträgt die zweite Oszillatoreigenfrequenz des gegenphasigen Oszillatorschwingungsmodes etwa 156 Hz bis etwa 270 Hz.

Claims

Patentansprüche
1. Messaufnehmer (100) vom Vibrationstyp zum Messen der Dichte und/oder des Massedurchflusses eines Mediums, mit: mindestens einem ersten Oszillator (o1 ), welcher umfasst: ein erstes Messrohr (101 ), welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine erste Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu einer ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das erste Messrohr dazu eingerichtet ist, in einem ersten, bezüglich der ersten
Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, ein zweites Messrohr (102), welches in seiner Ruhelage gebogen ist, und welches eine zweite Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das zweite Messrohr dazu eingerichtet ist, in dem ersten, bezüglich der ersten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, mindestens einen ersten elastischen Schwingungskoppler (212), welcher das erste Messrohr und das zweite Messrohr miteinander zu dem Oszillator koppelt; und mindestens einen Erreger (142) zum Anregen von Oszillatorschwingungen zumindest m ersten Biegeschwingungsmode, wobei das erste Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine erste Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der ersten Messrohrlängsachse und der ersten Messrohrlängsebene minimal ist, wobei das erste Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur ersten Messrohrlängsebene schwingt, wobei das zweite Messrohr in seiner Ruhelage gebogen ist, wobei eine zweite Messrohrlängsebene gegeben ist, in welcher das Integral über die Abstandsquadrate zwischen der zweiten Messrohrlängsachse und der zweiten Messrohrlängsebene minimal ist, wobei das zweite Messrohr im ersten Biegeschwingungsmode im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Messrohrlängsebene schwingt, wobei das erste Messrohr und das zweite Messrohr in die gleiche Richtung gebogen sind, wobei der Oszillator (01 ) eine erste Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen
Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode in Phase schwingen, wobei der Oszillator eine zweite Oszillatoreigenfrequenz aufweist für einen
Schwingungsmode, bei dem das erste Messrohr und das zweite Messrohr näherungsweise in dem ersten Biegeschwingungsmode gegenphasig schwingen, wobei die zweite Oszillatoreigenfrequenz größer ist als die erste Oszillatoreigenfrequenz, wobei das erste Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine erste Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei das zweite Messrohr ohne den elastischen Schwingungskoppler für den ersten Biegeschwingungsmode eine zweite Messrohreigenfrequenz aufweist, wobei die beiden Messrohreigenfrequenzen um nicht mehr als 8 % insbesondere nicht mehr als 4 % und bevorzugt nicht mehr als 2 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 % von, ihrem arithmetrischen Mittelwert abweichen.
2. Messaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei die zweite Oszillatoreigenfrequenz nicht mehr als das Zweieinviertelfache, insbesondere nicht mehr als das Doppelte und bevorzugt nicht mehr als das 1 ,8-Fache der ersten Oszillatoreigenfrequenz beträgt.
3. Messaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei die zweite Oszillatoreigenfrequenz um mindestens 4%, insbesondere mindestens 8%, vorzugsweise mindestens mindestens 16% größer ist als die erste Oszillatoreigenfrequenz.
4. Messaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine erste elastische Schwingungskoppler das erste Messrohr und das zweite Messrohr symmetrisch zur
Messrohrquerebene, insbesondere in der Messrohrquerebene miteinander zu dem Oszillator koppelt.
5. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messrohrlängsebene um nicht mehr als 8°, insbesondere nicht mehr als 4°, vorzugsweise nicht mehr als 2° und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 ° gegenüber der zweiten Messrohrlängsebene geneigt ist.
6. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: einlaufseitig und auslaufseitig jeweils einen Sammler, wobei die Messrohre jeweils einlaufseitig und auslaufseitig mit einem Sammler strömungstechnisch zusammengefasst sind, wobei die einlaufseitig und auslaufseitig vorgesehenen Sammler insbesondere derart stabil ausgestaltet sind, dass sie die Funktionalität einer Knotenplatte erfüllen; und einen Trägerkörper, weicher den einlaufseitigen Sammler und den auslaufseitigen Sammler starr miteinander verbindet.
7. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit weiterhin mindestens einem zweiten Oszillator, welcher umfasst: ein drittes Messrohr, welches eine dritte Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Messrohrquerebene verläuft, wobei das dritte Messrohr dazu eingerichtet ist, in einem ersten, bezüglich der zweiten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, ein viertes Messrohr, welches eine vierte Messrohrmittenlinie aufweist, die spiegelsymmetrisch zu der ersten Messrohrquerebene verläuft, wobei das zweite Messrohr dazu eingerichtet ist, in dem ersten, bezüglich der zweiten Messrohrquerebene spiegelsymmetrischen Biegeschwingungsmode zu schwingen, und mindestens einen zweiten elastischen Schwingungskoppler welcher das dritte Messrohr und das vierte Messrohr symmetrisch zur zweiten Messrohrquerebene, insbesondere in der zweiten Messrohrquerebene miteinander zu dem Oszillator koppelt.
8. Messaufnehmer nach Anspruch 8, wobei der zweite Oszillator hinsichtlich seiner Schwingungseigenschaften dem ersten Oszillator gleicht, insbesondere hinsichtlich der Verhältnisse der Oszillatoreigenfrequenzen.
9. Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das dritte Messrohr baugleich mit dem ersten Messrohr ist, und wobei das vierte Messrohr baugleich mit dem zweiten Messrohr ist.
10. Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zweite
Schwingungskoppler baugleich mit dem ersten Schwingungskoppler ist.
11. Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Erreger zwischen einem Messrohr des ersten Oszillators und dem baugleichen Messrohr des zweiten Oszillators wirkt.
12. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend auslaufseitig jeweils mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Knotenplatten wobei jedes der Messrohre einlassseitig und auslasseitig jeweils zumindest mit einem baugleichen Messrohr mittels zumindest einer Knotenplatte verbunden ist.
13. Messaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Ruhelagenabstand der Befestigungspunkte eines Schwingungskopplers an den mittels des
Schwingungskopplers gekoppelten Messrohren bei Temperaturen zwischen 20°C auf 80°C einen Änderungskoeffizienten aufweist, der nicht mehr als 50% insbesondere nicht mehr als 20% vorzugsweise nicht mehr als 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Schwingungskopplers abweicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Schwingungskoppler baugleich mit dem ersten Schwingungskoppler.
In einer Weiterbildung der Erfindung wirkt der Erreger zwischen einem Messrohr des ersten Oszillators und dem baugleichen Messrohr des zweiten Oszillators.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messumformer weiterhin auslaufseitig jeweils mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Knotenplatten wobei jedes der Messrohre einlassseitig und auslasseitig jeweils zumindest mit einem baugleichen Messrohr mittels zumindest einer Knotenplatte verbunden ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Ruhelagenabstand der Befestigungspunkte eines Schwingungskopplers an den mittels des Schwingungskopplers gekoppelten Messrohren bei Temperaturen zwischen 20°C auf 80°C einen Änderungskoeffizienten auf, der nicht mehr als 50% insbesondere nicht mehr als 20% vorzugsweise nicht mehr als 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Schwingungskopplers abweicht.
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