DE4311694C1 - Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Massendurchflußmesser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Nach dem Coriolisprinzip arbeitende Durchflußmesser sind in vielfältigen Formen bekannt. Eine Übersicht über eine Anzahl derartiger Bauformen ist der Literaturstelle von R.S. Medlock, "A review of the massflow measurement techniques", International Conference Massflow, Measurement Direct & Indirect, London, 21.-22.02.1989 zu entnehmen.

Weiterhin ist ein Massendurchflußmesser dieser Art aus der DE-PS 28 33 037 bekannt.

Bei allen diesen Durchflußmessern wird der Rohrabschnitt, der den Schwingungen um die erste Achse unterworfen wird, durch ein relativ starres Rohr, beispielsweise aus Metall, gebildet, das Federeigenschaften aufweist. Dieses Rohr weist einen vorgegebenen Bahnverlauf auf und wird um eine erste Achse in Schwingungen versetzt, wobei es unter der Wirkung der Corioliskräfte um eine zweite Achse ausgelenkt wird, die in vielen Fällen zur ersten Achse senkrecht steht. Die Bewegungen des Rohres um die beiden Achsen sind hierbei miteinander gekoppelt, so daß eine Optimierung des schwingenden Systems hinsichtlich der Schwingung um die erste Achse und der durch die Corioliskräfte hervorgerufenen Bewegung nur schwer möglich ist. Weiterhin bildet das Rohr einen festen Bestandteil des Durchflußmessers und ist von diesem nicht trennbar, ohne die Meßeigenschaften des Durchflußmessers zu verändern.

Aus der JP-A-63-18 219 ist weiterhin ein Durchflußmesser bekannt, bei dem der U-förmig gebogene Rohrabschnitt aus thermoplastischem Kunststoffmaterial geformt ist und an seinen Schenkel durch ein einstückig mit diesem Kunststoffrohr angeformten hochelastischen organischen Kunststoffmaterial verstärkt ist, um eine Materialermüdung an kritischen Stellen zu verhindern. Auch hier hat der Rohrabschnitt selbst Feder­ eigenschaften, so daß die Bewegungen des U-förmig gebogenen Schlauches um die beiden Achsen miteinander gekoppelt sind.

In vielen Fällen, insbesondere im medizinischen Bereich, beispielsweise bei Infusionsgeräten, ergibt sich jedoch die Problematik, daß die Strömungsleitungen, in denen Massen fließen, deren Massendurchfluß zu messen ist, ein steriles System darstellen, das weder unterbrochen werden darf noch die für eine Corioliskraftmessung erforderliche Eigensteifigkeit aufweist. Weiterhin sind die Massendurchflüsse durch derartige Schlauchleitungen häufig sehr gering, so daß die Meßgenauigkeit bekannter Durchflußmesser nach dem Coriolisprinzip nicht ausreichend ist, um eine entsprechende Meßgenauigkeit zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Massendurchflußmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und ohne Unterbrechung eines vorhandenen Schlauchsystems eine genaue Messung selbst kleiner Durchflußmengen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Durchflußmessers ergibt sich eine wirksame Entkopplung der Schwingungen um die erste Achse von den durch die Corioliskraft hervorgerufenen Bewegungen um die zweite Achse, da der Schlauch eine vernachlässigbare Eigensteifigkeit aufweist und die Schlauchaufnahme eine von den Eigenschaften des Schwingsystems unabhängige Bewegungscharakteristik aufweisen kann.

Hierbei kann gemäß einer Ausführungsform die Schlauchaufnahme frei drehbar um die zweite Achse auf dem die Schwingung um die erste Achse ausführenden Schwingsystem gehaltert sein, wobei die Sensoren vorzugsweise Kraftmeßfühler sind, oder die Schlauchaufnahme kann unter Federvorspannung auf eine Mittelstellung vorgespannt sein, wobei die Sensoren vorzugsweise Weg- oder Bewegungssensoren sind. In jedem Fall können die Schwingungseigenschaften des Schwingsystems um die erste Achse unabhängig von den Schwingungs- oder Bewegungseigenschaften der Schlauchaufnahme um die zweite Achse optimiert werden, so daß sich eine wesentliche Verbesserung der Meßgenauigkeit und eine Erhöhung der Empfindlichkeit ergibt.

Da der Schlauch von der Schlauchaufnahme lösbar in dem Durchflußmesser festgelegt ist, kann der Schlauch einen Teil eines anderen Strömungssystems bilden, der nicht durch ein Rohr oder dergleichen des Strömungsmessers unterbrochen werden muß, solange dieser Schlauch im wesentlichen frei von elastischen Rückstellkräften ist, d. h. es ist ein relativ weicher, in seiner Längsrichtung wenig elastischer Schlauch erforderlich.

Für den Bahnverlauf sind vielfältige, beispielsweise der eingangs genannten Literaturstelle entnehmbare Formen möglich, wobei im extremsten Fall der Schlauch geradlinig durch den Durchflußmesser parallel zur ersten Achse und in Abstand von dieser hindurchlaufen kann und im Inneren des Durchflußmessers von der Schlauchaufnahme aufgenommen ist, die um eine zur ersten Achse senkrechte und diese erste Achse schneidende Achse verschwenkbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene schematische und perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Durchflußmessers,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Durchflußmesser nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht von links in Fig. 2 auf den Durchflußmesser nach Fig. 1,

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der Auswerteelektronik des Durchflußmessers nach den Fig. 1 bis 3,

Fig. 5A und 5B Signalverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise der Auswerteelektronik nach Fig. 4,

Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform des Bahnverlaufes des Schlauches im Inneren des Durchflußmessers,

Fig. 7A und 7B weitere Ausführungsformen des Bahnverlaufes des Schlauches in Inneren des Durchflußmessers,

Fig. 8 eine schematische Ansicht möglicher Formen des Bahnverlaufes des Schlauches im Inneren des Durchflußmessers,

Fig. 9 eine teilweise weggebrochene schematische und perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Durchflußmessers.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform eines Durchflußmessers dargestellt, der ein Gehäuse 1 aufweist, in dem ein Schwingsystem 2, 14, 15, 16 um eine erste Achse 21 drehbar gelagert ist, die sich durch schematisch als Achsstummel 14, 15 angedeutete Wellen hindurch erstreckt. Diese Achsstummel 14, 15 sind in Befestigungsblöcken 4, 5 befestigt, die auf einer Grundplatte 2 des Schwingsystems befestigt sind. Das Schwingsystem weist weiterhin eine nur schematisch dargestellte Antriebseinheit 16 auf, die die Grundplatte 2 in Schwingungen um die um sich durch die Achsstummel 14, 15 erstreckende erste Achse versetzt. Die Antriebseinheit 16 kann beispielsweise ein piezoelektrischer oder elektromagnetischer Wandler sein, dem eine elektrische Ansteuerschwingung zugeführt wird, wie dies noch näher erläutert wird.

Die Befestigungsblöcke 4, 5 schließen weiterhin Kerben ein, durch die hindurch sich ein Schlauch 3 erstrecken kann. Der Schlauch ist weich und er weist insbesondere keine oder nur geringe elastische Federeigenschaften oder Rückstellkräfte auf und er wird von der Masse, deren Massendurchfluß zu messen ist, durchströmt. Der Begriff "Schlauch" ist in diesem Zusammenhang nicht beschränkend zu verstehen, sondern er kann irgendein Element bezeichnen, das den Durchfluß eines Strömungsmediums, dessen Durchflußmenge oder -geschwindigkeit gemessen werden soll, ermöglicht, und das die vorstehend genannten Eigenschaften hinsichtlich der Rückstellkräfte aufweist.

Der Schlauch erstreckt sich ausgehend von dem linken Ende in Fig. 1 durch die Kerbe 17 in dem Befestigungsblock 5 und dann über eine Umlenkrolle 6 zu einer Schlauchaufnahme 8, die mit einer am Umfang ausgebildeten Nut 9 zur kraftschlüssigen Aufnahme des Schlauches versehen ist.

Wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist, erstreckt sich der Schlauch im wesentlichen ausgehend von der Umlenkrolle 6 schlaufenförmig um einen Teil des Umfanges der Schlauchaufnahme 8 herum zu einer zweiten Umlenkrolle 7 und dann in eine Kerbe des anderen Befestigungsblockes 4. Gegebenenfalls sind in den den Befestigungsblöcken 4, 5 benachbarten Bereichen des Gehäuses 1 entsprechende Aussparungen vorgesehen, die einen freien Durchgang des Schlauches ermöglichen.

Die Schlauchaufnahme 8 ist mit Hilfe eines weiteren Befestigungsblockes 10 auf der Grundplatte 2 des Schwingsystems um eine zweite Achse 11 gelagert, die sich entlang eines Durchmessers der kreisringförmigen Schlauchaufnahme 8 in deren Innerem erstreckt, wobei die Achse 11 senkrecht zu einer Tangente an den Mittelpunkt des schlaufenförmigen Bereiches zwischen den beiden Umlenkrollen 6, 7 steht. Diese zweite Achse 11 verläuft senkrecht zur ersten, sich durch die Achsstummel 14, 15 erstreckenden ersten Achse 21 und schneidet vorzugsweise diese Achse unter einem rechten Winkel.

Diese zweite Achse 11 unterteilt die Schlauchaufnahme 8 in zwei diametral gegenüberliegende Hälften, an denen Sensoren 12, 13 angreifen, die ebenfalls auf der Grundplatte 2 befestigt sind. Wenn dies erwünscht ist, ist auch eine Befestigung der Sensoren auf dem Gehäuse 1 möglich, wobei entsprechende Aussparungen in der Grundplatte 2 vorzusehen sind.

Wenn ein Strömungsmedium durch den Schlauch 3 hindurchströmt, so treten aufgrund der Schwingungsbewegung des Schwingungssystems bzw. der Grundplatte 2 um die erste Achse 21 Corioliskräfte auf, die im Sinne einer Bewegung der Schlauchaufnahme 8 um die zweite Achse 11 herum wirken.

Diese Bewegung ist aufgrund der weichen Eigenart des Schlauches 3 mechanisch vollständig von der Schwingungsbewegung entkoppelt, so daß das Schwingsystem 2, 14, 16 und das den Corioliskräften unterworfene System mit der Schlauchaufnahme 8 und dem diese umschlingenden Teil des Schlauches 3 vollständig voneinander entkoppelt sind.

Wenn die Achse 11 eine freie Drehung der Schlauchaufnahme 8 ermöglicht, so können die Sensoren 12, 13 direkt als Kraftmeßfühler ausgebildet sein.

Andererseits ist es möglich, die Bewegung um die Achse 11 mit Hilfe einer Vorspannfeder auf eine Mittelstellung zu zentrieren, wobei die Corioliskräfte zu einer entsprechenden Bewegung um diese Achse 11 führen, wobei in diesem Fall die Sensoren 12, 13 als Wegsensoren ausgebildet sind.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, konvergieren die Abschnitte des Schlauches 3 zwischen der Schlauchaufnahme 8 und den beiden Umlenkrollen 6, 7 leicht in Richtung auf die zweite Achse 21. Es ist genauso eine Ausführungsform denkbar, bei der diese Bereiche divergieren, oder es kann andererseits, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, ein schlaufenförmiger Bahnverlauf gewählt werden, bei dem sich die ersten und zweiten Achsen 21, 11 sowie die Mittellinien der Schlauchbereiche zwischen der Schlauchaufnahme 8 und den Umlenkrollen 6, 7 in einem gemeinsamen Punkt schneiden.

Wie weiterhin aus Fig. 3 zu erkennen ist, weist die Schlauchaufnahme 8 eine an ihrem Umfang verlaufende Nut 9 auf, in der der Schlauch 3 kraftschlüssig aufgenommen wird. Selbstverständlich kann eine derartige Nut auch in einer Hauptfläche der Schlauchaufnahme ausgebildet sein, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn der Bahnverlauf des Schlauches beispielsweise doppelschlaufenförmig wie in Fig. 7A oder S-förmig wie in Fig. 7B ist. Weitere Ausführungsformen für mögliche Bahnverläufe sind in Fig. 8 rein schematisch dargestellt, wobei rechts unten in Fig. 8 der Extremfall eines geradlinigen Bahnverlaufs des Schlauches dargestellt ist, während in Fig. 9 eine der Fig. 1 entsprechende Ausführungsform des Durchflußmessers mit einem derartigen geraden Bahnverlauf gezeigt ist, der eine Schlauchaufnahme 8′ aufweist, die um eine Achse 11′ verschwenkbar ist. Im übrigen entspricht diese Ausführungsform den Fig. 1 bis 3.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform des Durchflußmessers 15 gezeigt, wobei den Fig. 1-3 entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich der Schlauch 3 geradlinig durch Kerben 41, 42 in dem Gehäuse 1 und durch eine geradlinige Kerbe 49 in einer Schlauchaufnahme 48 hindurch, die wiederum um die zweite Achse 11 beweglich gelagert ist. Die Achse 11 liegt in einer Ebene, die auch die längsverlaufende Mittelebene des Schlauches 3 enthält, und sie ist über einen Befestigungsblock 47 auf der Grundplatte 2 gehaltert, die ihrerseits über die Blöcke 4, 5 und Achsstummel 14, 15 um die erste Achse 21 schwenkbar an dem Gehäuse 1 gelagert ist.

Die bezogen auf die Achse 11 entgegengesetzten Enden der Schlauchaufnahme sind wiederum über einen Träger 46 mit den Sensoren 12, 13 verbunden.

Die Achse 11 kann bei beiden Ausführungsformen eine Vorspannung der Schlauchaufnahme 8 bzw. 48 in die Mittelstellung bewirken, wobei in diesem Fall die Sensoren 12, 13 Bewegungssensoren sind, oder sie kann eine freie Drehung der Schlauchaufnahme 8 bzw. 48 ermöglichen, wobei dann die Sensoren 12, 13 vorzugsweise Kraftsensoren sind.

Zur Auswertung der Signale von den Sensoren sind grundsätzlich vielfältige digitale oder analoge Auswerteschaltungen bekannter Art geeignet. Eine Beispiel einer Ausführungsform für eine Auswerteelektronik ist in Fig. 4 vereinfacht dargestellt. In diesem Schaltbild sind die Sensoren 12, 13 gemäß den Fig. 1 und 9 gezeigt, deren Ausgangssignale einem Differenzverstärker 30 zugeführt werden, der ein Ausgangssignal an einen gesteuerten Gleichrichter 31 liefert, dessen Ausgangssignal über einen Meßverstärker 32 einer lediglich schematisch dargestellten Anzeigeeinrichtung 33 zugeführt wird.

Ein Generator 34 erzeugt ein Wechselstromsignal, das einerseits der Antriebseinheit 16 gemäß Fig. 1 zugeführt wird, um das Schwingsystem in Schwingungen um die erste Achse zu versetzen, wobei dieses Ausgangssignal des Generators 34 weiterhin als Steuersignal dem gesteuerten Gleichrichter 31 zugeführt wird.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung wird im folgenden anhand der Fig. 5A und 5B näher erläutert.

Wie dies in Fig. 5A dargestellt ist, überlagern sich am Ausgang des Differenzverstärkers 30 eine durch die mechanische Schwingung des Schwingsystems um die erste Achse hervorgerufene Schwingung A, deren Phasenlage der des Ausgangssignals des Generators 34 entspricht, sowie eine die Differenz der Ausgangssignale der Sensoren 12, 13 darstellende Schwingung B, wobei diese Signale um 90 Grad gegeneinander phasenverschoben sind.

Der gesteuerte Gleichrichter 31 ist im wesentlichen als Vollwellen-Gleichrichter für das Nutzsignal B ausgebildet, und er bewirkt bei jedem Nulldurchgang des Nutzsignals A in Richtung auf eine negative Polarität und während der negativen Halbwelle dieses Nutzsignals B (bzw. bei jedem negativen Maximum des den Gleichrichter 31 steuernden Ausgangssignals des Generators 34 bis zu dessen nachfolgenden positiven Maximum) eine Umkehr der Polarität der einander überlagerten Signale A und B an seinem Eingang derart, daß sich am Ausgang des Gleichrichters 31 die in Fig. 5B gezeigten überlagerten Schwingungen ergeben. Bei einer Integration dieses vollwellen-gleichgerichteten Signals gemäß Fig. 5B über einen zwischen den Maxima C, D des Signals A liegenden Bereich werden die Einflüsse der mechanischen Schwingung um die erste Achse in diesem Bereich CD kompensiert, so daß ein von Störeinflüssen freies Ausgangssignal an den Meßverstärker 32 geliefert wird.

Claims (14)

1. Massendurchflußmesser nach dem Coriolisprinzip, mit einem Rohrabschnitt, der mit Hilfe eines Schwingsystems um eine erste Achse in Schwingungen versetzt wird, und mit Sensoren zur Messung der durch die Massenbewegung und die Schwingungsbewegung hervorgerufenen Corioliskraft, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt durch einen weichen, im wesentlichen keine Rückstellkräfte aufweisenden Schlauch (3) gebildet ist, der kraftschlüssig mit einem vorgege­ benen Bahnverlauf auf einer starren Schlauchaufnahme (8; 48) festlegbar ist, die auf dem Schwingsystem (2, 14, 15, 16) für eine Bewegung zusammen mit diesem um die erste Achse (21) befestigt und gegenüber dem Schwingsystem (2, 14, 15, 16) um eine zweite Achse (11) derart drehbar gehaltert ist, daß die Schlauchauf­ nahme (8; 48) eine durch die Corioliskräfte der in dem Schlauch (3) strömenden Masse hervorgerufene Bewegung um die zweite Achse (11) ausführen kann.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlauchaufnahme (8; 48) eine Nut (9; 49) zur Aufnahme des Schlauches (3) aufweist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (3) frei in den Durchflußmesser einlegbar ist und einen durchgehenden Teil eines anderen Systems bildet.

4. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß Sensoren (12, 13) zur mittelbaren oder unmittelbaren Messung der Corioliskräfte auf entgegengesetzten Seiten der zweiten Achse (11) mit der Schlauchaufnahme (8; 48) zusammenwirken.

5. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlauchaufnahme (8; 48) in Richtung der Schwingungsbewegung des Schwingsystems (2, 14, 15, 16) um die erste Achse (21) mit diesem steif gekoppelt ist, während sie in Richtung der durch die Corioliskräfte hervorgerufenen Bewegung um die zweite Achse (11) im wesentlichen frei drehbar gelagert ist.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (12, 13) Kraftsensoren sind.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlauchaufnahme (8; 48) gegen die durch die Corioliskräfte hervorgerufene Bewegung federnd auf ihre Mittelstellung vorgespannt ist und daß die Sensoren (12, 13) Wegsensoren sind.

8. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bahnverlauf des Schlauches (3) auf der Schlauchaufnahme (8) im wesentlichen schlaufenförmig ist, daß sich die freien Enden der Schlaufe von der Schlauchaufnahme (8) in Richtung auf die erste Achse (21) erstrecken und daß sich die zweite Achse (11) durch den Mittelpunkt der Schlaufe und im wesentlichen senkrecht zu einer Tangente an diesen Mittelpunkt erstreckt.

9. Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Schlaufe in Richtung auf die erste Achse (21) divergieren und daß die zweite Achse (11) eine Winkelhalbierende für die freien Enden der Schlaufe bildet.

10. Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Schlaufe in Richtung auf die erste Achse (21) konvergieren und daß die zweite Achse (11) eine Winkelhalbierende für die freien Enden der Schlaufe bildet.

11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlauchaufnahme (8) kreisringförmig ist, daß der Schlauch (3) in eine Nut (9) am Außenumfang der kreisringförmigen Schlauchaufnahme (8) kraftschlüssig eingelegt ist und die Schlauchaufnahme (8) zumindest teilweise umschlingt, und daß die Achse (11) senkrecht zu einer Tangente an den Mittelpunkt des die Schlaufe bildenden Umschlingungsbereiches verläuft.

12. Durchflußmeser nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Achse (14, 15), die zweite Achse (11) und die Mittellinien der sich von der kreisringförmigen Schlauchaufnahme fort erstreckenden Enden des Schlauches (3) in einem gemeinsamen Punkt schneiden.

13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlauchaufnahme (48) langgestreckt ist, daß der Schlauch (3) in eine geradlinige Nut (4) in der Schlauchaufnahme (48) kraftschlüssig eingelegt ist, und daß die Achse (11) sich senkrecht zur Längsachse der Schlauchaufnahme (48) erstreckt und in einer Ebene liegt, die die Längsmittelebene des Schlauches (3) einschließt.

14. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bahnverlauf des Schlauches (3) im wesentlichen S-förmig mit sich von den freien Ende des S aus parallel zur ersten Achse erstreckenden Abschnitten ausgebildet ist, und daß sich die zweite Achse (11) durch die Mitte des S und senkrecht zur ersten Achse (21) erstreckt.