DE4327052C2 - Massendurchflußmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Lei­ tung anregenden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meß­ wertaufnehmer, wobei der Meßwertaufnehmer derart angeordnet ist, daß die Coriolis-Kraft und/oder die Coriolis-Schwingung zumindest weitgehend entkoppelt von der Anregungs-Schwingung der Coriolis-Leitung erfaßbar ist.

Massendurchflußmeßgeräte für strömende Medien, nach dem Coriolis-Prinzip arbei­ tend, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt (vgl. z. B. die DE-A 26 29 833, 28 22 087, 28 33 037, 29 38 498, 30 07 361, 33 29 544, 34 43 234, 35 03 841, 35 05 166, 35 26 297, 37 07 777, 39 16 285, 40 16 907, 41 24 295, 41 43 361 und 42 00 060, die EP-A 00 83 144, 0 109 218, 0 119 638, 0 196 150, 0 210 308, 0 212 782, 0 235 274, 0 232 679, 0 243 468, 0 244 692, 0 271 605, 0 275 367 und 0 282 552, die US 4,491,009, 4,628,744, 4,666,421, 4,803,867 und 4,962,671 sowie die FR-A 2 598 801) und finden in zunehmendem Maße in der Praxis Verwendung.

Bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, sind die Meßwertaufnehmer in der Regel derart angeordnet, daß sie die Überlagerung der Anregungs-Schwingung und der durch die Coriolis-Kräfte verursachten Coriolis-Schwingung erfassen. Üblicherweise werden dabei zwei Meßwertaufnehmer beidseitig von dem Schwingungserzeuger entlang der Coriolis-Leitung angeordnet. Bei dieser Meßmethode dient die Phasendifferenz der Signale der Meßwertaufnehmer als ein Maß für den Massendurchfluß des strömenden Medi­ ums durch die Coriolis-Leitung. Die zu messende Phasendifferenz ist bei allen be­ kannten Massendurchflußmeßgeräten, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, sehr gering. Die üblichen Werte für die Phasendifferenz bei Vollausschlag - also bei maxi­ malen Massendurchfluß - liegen in der Größenordnung von einem Grad. Bei einer Genauigkeitsanforderung von 0,1% relativem Fehler in einem Meßbereich von 10 bis 100% des maximalen Massendurchflusses müssen somit Phasendifferenzen im Be­ reich von 10^-4 Grad erfaßbar sein. Die Ursache für die geringe Phasendifferenz zwi­ schen den beiden Meßwertaufnehmern und die damit verbundene hohe Genauig­ keitsanforderung ist die geringe Amplitude der Coriolis-Schwingung. Da das Ampli­ tudenverhältnis der Amplituden der Anregungs-Schwingung und der Coriolis-Schwingung ein direktes Maß für die meßbare Phasenverschiebung zwischen den erwähnten Meßwertaufnehmern ist und man die Coriolis-Kräfte bei den meisten be­ kannten Massendurchflußmeßgeräten nicht sinnvoll weiter erhöhen kann, mußte man bislang in aller Regel mit den hohen Genauigkeitsanforderungen an die Phasendiffe­ renzmessung leben.

Beispielsweise aus der US 4,823,614 ist ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, bekannt, bei dem der Meß­ wertaufnehmer derart angeordnet ist, daß die Coriolis-Kraft und/oder die Coriolis-Schwingung zumindest weitgehend entkoppelt von der Anregungs-Schwingung der Coriolis-Leitung erfaßbar ist. In diesem Stand der Technik wird eine asymmetrisch angeregte gerade Coriolis-Leitung beschrieben, bei welcher ein in der Mitte der gera­ den Coriolis-Leitung angeordneter Meßwertaufnehmer die Coriolis-Schwingung weitgehend entkoppelt von der Anregungs-Schwingung erfaßt. Bei einer derartigen Anordnung ist problematisch, daß bei dem Einsatz eines konventionellen Geschwin­ digkeitssensors durch die Kippbewegung der Coriolis-Leitung am Ort des Schwin­ gungsaufnehmers eine Querbewegung des an der Coriolis-Leitung angebrachten Teiles des Meßwertaufnehmers auftritt. Diese Querbewegung führt bei den bekann­ ten Typen von Meßwertaufnehmern zu Problemen aufgrund der erforderlichen höhe­ ren Toleranzen zwischen dem an der Coriolis-Leitung angebrachten Bauteil und dem in der Regel am Gehäuse angebrachten Bauteil des Meßwertaufnehmers.

Weiter arbeiten bei den bekannten Massendurchflußmeßgeräten für strömende Me­ dien die bekannten Schwingungserzeuger entweder nach dem elektro-dynamischen oder dem elektro-magnetischen Prinzip. Bei dem aus der Verwendung in Lautspre­ chern bekannten elektro-dynamischen Prinzip wird der Meßwertaufnehmer bei der Verwendung nur einer Coriolis-Leitung so ausgeführt, daß ein Permanentmagnet in der Regel an der Coriolis-Leitung und eine Spule an einem Tragrahmen befestigt sind. Diese Anordnung wird gewählt, um eine im allgemeinen problematische Verdrahtung an der Coriolis-Leitung zu vermeiden. Da der Magnet, und damit eine Zusatzmasse, an der Coriolis-Leitung angebracht ist, verschlechtert sich jedoch das Verhältnis der Masse des strömenden Mediums zu der Masse der Coriolis-Leitung und verringert somit, vor allem bei den kleineren Massendurchflußmeßgeräten, den Meßeffekt bei ei­ ner gegebenen Geometrie der Coriolis-Leitung. (Die verringerte Resonanzfrequenz führt zu einer geringeren Winkelgeschwindigkeit und damit zu einer geringeren Co­ riolis-Kraft.) Dem elektro-dynamischen Prinzip gegenüber steht das elektro-magneti­ sche Prinzip, bei dem die Spule und der Magnet eine Einheit bilden. Zusätzlich zu dieser Einheit wird als Anker ein ferromagnetisches Element benötigt. Dieses ferro­ magnetische Element wird nun, wie der Magnet beim elektro-dynamischen Prinzip, an der Coriolis-Leitung angebracht und führt somit zu denselben Problemen.

Aus der GB-A 2 221 302 ist ein Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, bekannt, bei welchem der Meßwertaufnehmer als unmittelbar auf die Coriolis-Leitung geklebtes bimorphes Piezoelement ausgeführt ist. Hierbei ist problematisch, daß das bimorphe Piezoelement an einer Position an der Coriolis-Leitung angeordnet ist, in der die Coriolis-Leitung mit einer deutlichen Am­ plitude schwingt. Dieses bekannte bimorphe Piezoelement beeinflußt somit die Schwingungscharakteristik der Coriolis-Leitung durch die zusätzliche an der Corio­ lis-Leitung angebrachte Masse an einer in Schwingung befindlichen Position und somit die Homogenität der Massenverteilung entlang der Coriolis-Leitung in einer die Meßgenauigkeit reduzierenden Art und Weise.

Für Massendurchflußmeßgeräte, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, ist es bei der Verwendung von nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitenden Schwingungs­ erzeugern bekannt (vgl. z. B. die US 4,777,833), ein ferromagnetisches Bauteil an der Coriolis-Leitung durch Löten oder Schweißen zu befestigen. Durch diese zusätzlich an der Coriolis-Leitung angebrachte Masse entstehen wiederum das Problem einer gestörten Massenhomogenität der Coriolis-Leitung und die damit verbundenen Meßungenauigkeiten. Gleichzeitig verursacht außerdem die Befestigung durch Löten oder Schweißen eine Veränderung des Materials der Coriolis-Leitung an der Position des Schwingungserzeugers, die in der Regel ebenfalls die Schwingungseigenschaften in undefinierter Weise stört und somit die Meßgenauigkeit weiter beeinträchtigt.

Aus der DE-C 42 00 871 ist es bekannt, zum Zwecke der Ermittlung von mechani­ schen Spannungen innerhalb der Coriolis-Leitung eine magneto-elastische Schicht auf die Coriolis-Leitung z. B. durch galvanische Abscheidung aufzubringen.

Die bereits erwähnte US 4,777,833 zeigt weiter, daß die aus dem Stand der Technik bekannten Schwingungserzeuger, die nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbei­ ten, stets mit höchstens einer einem ferromagnetischen Element zugeordneten Erre­ gerspule arbeiten. Es ist aus dem Stand der Technik auch bekannt, nur eine Erreger­ spule zur Betätigung zweier, an zwei parallelen Coriolis-Leitungen angebrachter fer­ romagnetischer Elemente einzusetzen. Dies ist problematisch, da aufgrund der Inho­ mogenität des magnetischen Feldes außerhalb der Erregerspule die auf die Coriolis-Leitung wirkende Anregungskraft abhängig vom Schwingungszustand der Coriolis-Leitung ist. Die Amplitude der Schwingung der Coriolis-Leitung ist also richtungsab­ hängig. Hierdurch wird ebenfalls die Meßgenauigkeit reduziert.

Eine weitere Schwierigkeit, mit der man bei der Konstruktion von Massendurchfluß­ meßgeräten konfrontiert wird, ist die Störunterdrückung. Aufgrund der bereits ange­ sprochenen sehr hohen Genauigkeitsanforderungen können bereits geringe Störein­ flüsse das Meßergebnis erheblich beeinflussen. Einen wesentlichen Störfaktor stellt die Schwingungsankopplung zwischen dem inneren schwingungsfähigen System und der äußeren Umgebung dar.

Es sind Massendurchflußmeßgeräte bekannt, bei denen zur Unterdrückung der Schwingungsankopplung das Prinzip der Gleichtaktunterdrückung angewandt wird, wobei zwei gegeneinander schwingende Coriolis-Leitungen vorgesehen sind. An­ dere bekannte Ausführungsformen verwenden vor allem bei kleineren Massendurch­ flußmeßgeräte große Massen für das Gehäuse, d. h. es wird eine mechanische Tiefab­ stimmung zur Unterdrückung der Schwingungsankopplung durchgeführt. Beide ge­ schilderten bekannten Ausführungsformen für ein Massendurchflußmeßgerät sind mit verschiedenen Problemen verbunden. Bei dem zuerst genannten Prinzip ist die Kon­ struktion wegen der Notwendigkeit von zwei Coriolis-Leitungen statt einer Coriolis-Leitung sehr aufwendig, während das zweite Prinzip von der Verwendung großer Zusatzmassen lebt, was natürlich das Massendurchflußmeßgerät schwerer und größer und nicht zuletzt auch teurer macht.

Aus der DE-A 41 21 732 ist ein nach dem Coriolis-Prinzip arbeitendes Massen­ durchflußmeßgerät mit einer Coriolis-Leitung bekannt, bei dem zur Kompensation der Schwingung des Massenschwerpunktes ein mechanischer, aus einer Mehrzahl von unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisenden Schwingkörpern bestehender Anti­ resonator vorgesehen ist. Der mechanische Antiresonator kompensiert die Schwin­ gungen des Massenschwerpunktes nur unvollkommen, da jeweils zwischen zwei Ei­ genfrequenzen der Schwingkörper die Kompensation geringer ist als auf genau einer Eigenfrequenz eines Schwingkörpers.

Die geschilderten Probleme führen bei bekannten Massendurchflußmeßgeräten für strömende Medien allgemein zu einer Einschränkung der Meßgenauigkeit.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, daß eingangs beschriebene Massen­ durchflußmeßgerät so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Meßgenauigkeit wesentlich verbessert wird.

Das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät, bei dem die zuvor hergeleitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nach einer ersten Lehre der Erfindung dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Coriolis-Leitung U-förmig ausgebildet ist und der Meßwert­ aufnehmer an den Enden mit beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung verbunden ist. Alternativ dazu ist das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät nach einer zweiten Lehre der Erfindung dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Coriolis-Leitung S-förmig ausgebildet ist und mindestens ein Meß­ wertaufnehmer an seinen Enden mit dem mittleren Schenkel und mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung verbunden ist. Gemäß einer eben­ falls alternativen dritten Lehre der Erfindung ist das erfindungsgemäße Massen­ durchflußmeßgerät dadurch gekennzeichnet, daß die Coriolis-Leitung zumindest im wesentlichen gerade ausgebildet ist und daß der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement ausgebildet ist und im Anregungspunkt mit der geraden Coriolis-Lei­ tung steif verbunden ist.

Der Vorteil der Weiterentwicklungen der bekannten Massendurchflußmeßgeräte ge­ mäß den ersten drei Lehren der Erfindung besteht darin, daß nunmehr praktikable Lö­ sungen zur anregungsentkoppelten Meßwertaufnahme zur Verfügung stehen. Die zu messende Phasendifferenz kann demzufolge von der bislang üblichen Größenord­ nung von 1° beliebig gesteigert werden, bis hin zur vollständigen Entkopplung zwi­ schen der Anregungs-Schwingung und der Coriolis-Schwingung. Mit einer relativ starken Entkopplung kann man beispielsweise eine maximale Phasendifferenz von 80° erreichen. Gleichzeitig mit dieser Entkopplung erniedrigt sich somit die Anforde­ rung an die Genauigkeit der Messung der Phasendifferenz, - im Vergleich zu dem ein­ gangs geschilderten Beispiel um den Faktor 80. Bei gleichbleibender Genauigkeit der Phasendifferenzmessung führt dies dazu, daß sich die Genauigkeit der Massendurch­ flußmessung im genannten Beispiel ebenfalls um den Faktor 80 erhöht.

Die zuvor erläuterte Aufgabe ist nach einer vierten Lehre der Erfindung dadurch ge­ löst, daß ein bimorphes Piezoelement über einen kurzen Hebel mit der Coriolis-Lei­ tung wirksam verbunden ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte nach der vierten Lehre der Erfindung be­ steht darin, daß ein bimorphes Piezoelement über einen kurzen, mit dem Coriolis-Lei­ tung verbundenen Hebel relativ hohe Kräfte erzeugen kann, dabei jedoch nur einen geringen Hub aufweist. Damit ist ein bimorphes Piezoelement zur Anregung der Co­ riolis-Leitung an Punkten prädestiniert, die sich selbst nicht oder kaum in Schwin­ gung befinden. Somit wirkt sich die Masse des bimorphen Piezoelementes also nicht negativ auf die Resonanzfrequenz aus.

Weiter ist die zuvor erläuterte Aufgabe der Weiterbildung der bekannten Massen­ durchflußmeßgeräte für strömende Medien, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, nach einer fünften Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß die Coriolis-Leitung an der Position des Schwingungserzeugers mit einem ferromagnetischen Material gal­ vanisiert ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte nach der fünften Lehre der Erfindung besteht darin, daß die Masse des beim elektromagnetischen Prinzips notwendigen Ankers stark redu­ ziert ist. Die somit erhöhte Resonanzfrequenz führt also, wie bereits beschrieben, zu einer erhöhten Meßgenauigkeit.

Das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, daß nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-ma­ gnetischen Prinzip arbeitet, bei dem die zuvor hergeleitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nach einer sechsten Lehre der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitende Schwingungserzeuger zwei gemeinsam auf einen an der Coriolis-Leitung angebrachten Anker wirkende Erreger­ spulen aufweist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der bekann­ ten Massendurchflußmeßgeräte nach der sechsten Lehre der Erfindung besteht darin, daß das Magnetfeld zweier Erregerspulen wesentlich homogener ist als das einer aus dem Stand der Technik bekannten einzelnen Erregerspule. Durch diese größere Ho­ mogenität des Magnetfeldes wird gewährleistet, daß die Anregungs-Schwingung einen sauberen sinusförmigen Verlauf aufweist. Auch dies führt wiederum zu einer erhöhten Meßgenauigkeit.

Die zuvor erläuterte Aufgabe ist schließlich nach einer siebten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß eine aktive elektrische Kompensationseinrichtung die Schwin­ gung des Massenschwerpunkts der Coriolis-Leitung kompensiert. Der Vorteil der er­ findungsgemäßen Weiterentwicklung der bekannten Massendurchflußmeßgeräte nach der siebten Lehre der Erfindung besteht darin, daß es problemlos möglich ist, ein Massendurchflußmeßgerät mit nur einer Leitung herzustellen und gleichzeitig das Ge­ wicht und die Größe des Gehäuses des Massendurchflußmeßgerätes zu reduzieren.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, erfindungsgemäße Mas­ sendurchflußmeßgeräte auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen ei­ nerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprü­ che, andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Darstellung der Überlagerung der Anregungs-Schwingung mit der Coriolis-Schwingung in der komplexen Ebene,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Meßwertaufneh­ mers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer U-förmigen Coriolis-Leitung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Meßwertaufneh­ mers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer U-förmigen Coriolis-Leitung,

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Anordnung zweier Meßwertaufneh­ mer in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Anordnung zweier Meßwertauf­ nehmer in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Corio­ lis-Leitung,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Meßwertaufnehmers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer im wesentlichen geraden Co­ riolis-Leitung,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Schwingerzeugers und eines Meßwertaufnehmers in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung,

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zweier Schwingungserzeuger und zweier Meßwertaufnehmer in einem Massendurchflußmeßgerät mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung,

Fig. 9 eine Darstellung der Signalverhältnisse bei einem Massendurchflußmeß­ gerät nach Fig. 8 und

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel für einen Signalflußplan eines elektronischen Regelkreises.

Fig. 1 symbolisiert die Überlagerung der Anregungs-Schwingung mit der Coriolis-Schwingung in der komplexen Ebene. Dabei symbolisiert der vom Ursprung ausge­ hende Pfeil die Anregungs-Schwingung mit entsprechend großer Amplitude, - er soll im weiteren Anregungs-Zahl genannt werden. Die senkrecht zu der Anregungs-Zahl an deren Spitze eingezeichneten Pfeile symbolisieren die vor- bzw. nachlaufende Coriolis-Schwingung mit maximaler Amplitude, - im weiteren werden diese als Corio­ lis-Zahl bezeichnet. Durch den Winkel von 90° zwischen der Anregungs-Zahl und der Coriolis-Zahl wird angedeutet, daß die Coriolis-Schwingung vorteilhafterweise gegenüber der Anregungs-Schwingung um 90° phasenverschoben ist. Die Länge der Pfeile bzw. der Betrag der Zahlen entspricht der Amplitude der jeweiligen Schwin­ gung. In der Fig. 1 ist das Amplitudenverhältnis aus Darstellungsgründen nicht ganz realitätsgetreu dargestellt. Die Amplitude der Coriolis-Schwingung ist stark vergrößert dargestellt. Die gestrichelten Linien in Fig. 1 symbolisieren den Winkelbereich für die Phasendifferenzmessung. Der Entkopplung der Coriolis-Schwingung von der An­ regungs-Schwingung entspricht in der komplexen Ebene das in Fig. 1 dargestellte Näherrücken der Coriolis-Zahlen zum Ursprung der komplexen Ebene. Wie aus Fig. 1 anschaulich deutlich wird, vergrößert sich somit der Winkelbereich für die Phasen­ differenzmessung mit geringer werdender Kopplung. Extrapoliert man die Verschie­ bung der Coriolis-Zahlen bis an den Ursprung der komplexen Ebene - dies entspricht einer vollständigen Entkopplung - so erhält man als Winkelbereich für die Phasendif­ ferenzmessung beidseitig 90°.

Eine vollständige Entkopplung ist jedoch nicht unbedingt erwünscht. Wie bekannt, hängt nämlich die Coriolis-Kraft außer von dem Massendurchfluß auch von der Winkelgeschwindigkeit der Coriolis-Leitung ab. Bislang wurde der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß die Winkelgeschwindigkeit konstant sei. Praktisch alle bekannten Ausführungsformen von Massendurchflußmeßgeräten, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten, arbeiten jedoch auf der Resonanzfrequenz der Anregungs-Schwingung. Die Resonanzfrequenz der Anregungs-Schwingung hängt jedoch ab von der Steifigkeit der Coriolis-Leitung, der Länge der Coriolis-Leitung, der Masse der Coriolis-Leitung und der Masse der sich in der Coriolis-Leitung befindenden Flüssigkeit. Dies bedeutet, daß sich z. B. mit ändernder Dichte die Resonanzfrequenz und somit die Winkelgeschwindigkeit ändert. Dieser Effekt und weitere Effekte, die die Meßgenauigkeit beeinflussen, lassen sich bei der Auswertung leichter eliminieren, wenn zusätzlich zu einem Signal proportional zu der Coriolis-Schwingung ein Signal proportional zu der Anregungs-Schwingung vorliegt. Ein Signal proportional zu der Anregungs-Schwingung kann man natürlich auch erlangen, indem man zusätzliche Aufnehmer einsetzt. Die einfachere Methode besteht jedoch darin, die Entkopplung von Anregungs-Schwingung und Coriolis-Schwingung nicht vollständig durch­ zuführen, sondern eine Teilkopplung zuzulassen.

Unabhängig von der Realisierung einer der erfindungsgemäßen Lehren stehen meh­ rere Alternativen der Ausführung der Meßwertaufnehmer zur Auswahl. Es ist zu­ nächst möglich, auf bekannte Meßwertaufnehmer zurückzugreifen. Hierbei bieten sich zunächst die überwiegend eingesetzten elektro-magnetischen Geschwindig­ keitssensoren an. Der Einsatz dieses Types von Meßwertaufnehmern bietet den Vor­ teil, daß somit eine weitgehend ausgereifte Technologie bei der Meßwertaufnahme zum Einsatz kommt. Jedoch findet der Einsatz von elektro-magnetischen Geschwin­ digkeitssensoren, wie später noch deutlicher werden wird, bei bestimmten Anord­ nungen der Meßwertaufnehmer in den im weiteren geschilderten Ausführungsbei­ spielen seine Grenzen.

Eine erfindungsgemäße Alternative zum Einsatz der bekannten Geschwindigkeits­ sensoren stellen die Kraftsensoren dar. Diese sind im wesentlichen dadurch charakte­ risiert, daß sie ein Signal proportional zu der auf sie wirkenden Kraft liefern, ohne da­ bei eine wesentliche Deformation zu erfahren. Für den Meßvorgang bedeutet dies, daß eine Coriolis-Schwingung aufgrund der hohen Rücksteilkräfte der Kraftsensoren nur sehr bedingt stattfindet. Dies ändert jedoch natürlich nichts daran, daß man ein sinusförmiges Meßsignal, wie es auch die bekannten Geschwindigkeitssensoren lie­ fern, erhält, dieses jedoch in erster Näherung nicht proportional einer Bewegung ist, sondern lediglich eine Kraftänderung abbildet. Der Vorteil des Einsatzes von Kraft­ sensoren besteht darin, daß sie einstückig ausgeführt sind. Welchen Einfluß diese Ei­ genschaft der Kraftsensoren auf die Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre hat, wird bei der weiteren Diskussion der Ausführungsbeispiele deutlich.

Eine erste Möglichkeit, einen Kraftsensor zu realisieren, besteht darin, daß ein Piezo­ element den Kraftsensor bildet. Ein Piezoelement macht sich den sogenannten pie­ zoelektrischen Effekt zunutze. Mit dem piezoelektrischen Effekt bezeichnet man die Eigenschaft mancher Kristalle, auf einen Druck in Richtung der sogenannten piezo­ elektrischen Achse mit der Ausbildung einer elektrischen Polarisation zu reagieren. Quarz ist hier als das wichtigste Beispiel für eine piezoelektrische Substanz zu nen­ nen. Bekannt ist der Einsatz von Einkristallen aus Quarz in vielen Geräten, wie z. B. in Uhren, in welchen sie als Resonatoren eingesetzt werden. Neben anderen Piezo-Werkstoffen, die in den erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgeräten zum Ein­ satz kommen können, sollen hier noch besonders die ferroelektrischen Piezo-Werk­ stoffe genannt werden. Diese haben sich im technischen Einsatz besonders bewährt. Ihre besondere Eigenschaft besteht darin, daß die piezoelektrische Achse, entlang der sich eine Deformation in einer elektrischen Polarisation auswirkt, durch Polung beliebig eingeprägt werden kann. Der besondere Vorteil des Einsatzes von Piezoele­ menten als Kraftsensoren besteht darin, daß nur eine sehr geringfügige Längenände­ rung des Piezoelementes mit einem bereits deutlichen Signal einhergeht. Dies hat bei den im weiteren geschilderten Ausführungsbeispielen zur Folge, daß die Coriolis-Schwingung auf ein Minimalmaß reduziert wird.

Eine weitere Alternative zur Herstellung eines Kraftsensors besteht darin, daß ein mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenes Dehnungsmeßelement den Kraftsensor bil­ det. Das Funktionsprinzip von Dehnungsmeßstreifen beruht auf der Widerstandsän­ derung des Materials des Dehnungsmeßstreifens durch dessen Dehnung. Die Ursache für die Widerstandsänderung sind verschieden, je nachdem, ob man Metall- oder Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen einsetzt. Diese sind an sich bekannt und sollen hier nicht weiter erläutert werden. Der Einsatz eines mit einem Dehnungsmeßstreifen ver­ sehenen Dehnungsmeßelementes bietet den besonderen Vorteil, daß sowohl der Deh­ nungsmeßstreifen als auch ein entsprechend ausgebildetes Dehnungsmeßelement me­ chanisch sehr robust sind.

Um die Empfindlichkeit des mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenen Dehnungs­ meßelementes weiter zu erhöhen, ist es vorteilhaft, das Dehnungsmeßelement gebo­ gen auszubilden. Durch diese gebogene Ausbildung des Dehnungsmeßelementes wird es durch die angreifenden Coriolis-Kräfte stärker deformiert. Es findet also im Vergleich zu einem als Kraftsensor eingesetzten Piezoelement eine Coriolis-Schwin­ gung mit größerer Amplitude statt.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massendurch­ flußmeßgerätes gemäß der ersten Lehre der Erfindung dargestellt. Es handelt sich bei dem dargestellten Massendurchflußmeßgerät um ein solches mit einer U-förmig ge­ krümmten Coriolis-Leitung 1, mit einem die U-förmige Coriolis-Leitung I anregenden Schwingungserzeuger 2 und mit einem die Coriolis-Kräfte erfassenden, als Piezoele­ ment 3 ausgebildeten Meßwertaufnehmer. Der als Piezoelement 3 ausgebildete Meß­ wertaufnehmer ist erfindungsgemäß an seinen Enden mit beiden einander gegen­ überliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 verbunden. Die U-för­ mige Coriolis-Leitung 1 wird in üblicher Weise in Einspannpunkten 4, 5 eingespannt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die U-förmige Coriolis-Lei­ tung 1 nicht in üblicher Weise senkrecht, sondern in der Ebene der U-förmigen Co­ riolis-Leitung 1 angeregt. Die Anregungs-Schwingung hat in dem in Fig. 2 ange­ deuteten Schwingungszustand - die Leitung schwingt in Pfeilrichtung nach links - in Verbindung mit der gleichzeitig angedeuteten Durchflußrichtung des strömenden Mediums - von links nach rechts - zur Folge, daß der als Piezoelement 3 ausgebildete Meßwertaufnehmer durch die entstehenden Coriolis-Kräfte gestaucht wird und somit ein Meßsignal liefert. Es ist anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ohne weiteres ersichtlich, daß sich die Anregungsbewegung nicht in einer Deforma­ tion des als Piezoelement 3 ausgebildeten Meßwertaufnehmers ausdrückt. Die Corio­ lis-Kraft ist somit vollständig von der Anregungs-Schwingung der U-förmigen Corio­ lis-Leitung 1 entkoppelt.

Wie anfänglich bereits erwähnt, ist eine vollständige Entkopplung nicht in jedem Fall wünschenswert. Es besteht nun die Möglichkeit, die Kopplung zwischen der Corio­ lis-Kraft und der Anregungs-Schwingung in nahezu beliebigem Maße dadurch her­ zustellen, daß der Meßwertaufnehmer mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 einen Winkel abweichend von 90° bil­ det. Ein solches Ausführungsbeispiel ist nicht zeichnerisch dargestellt. Der dieser Ausführungsform zugrundeliegende Gedanke besteht darin, daß sich die Länge der Diagonalen eines Rechteckes ändert, wenn man dieses Rechteck zu einem Parallelo­ gramm deformiert.

In Fig. 3 ist ein dem ersten Ausführungsbeispiel bis auf die Ausführung des Kraftsen­ sors identisch ausgeführtes zweites Ausführungsbeispiel mit einer U-förmigen Corio­ lis-Leitung 1 dargestellt. Die identischen Elemente tragen in Fig. 3 dieselben Bezugs­ zeichen wie in Fig. 2. Lediglich der Kraftsensor ist in dem in Fig. 3 dargestellten Aus­ führungsbeispiel als ein mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenes Dehnungsmeß­ element 6 ausgebildet. Der Dehnungsmeßstreifen auf dem Dehnungsmeßelement 6 ist in der stark schematischen Zeichnung nicht explizit dargestellt. Er kann auf der äußeren oder inneren Seite des Bogens des Dehnungsmeßelementes 6 angeordnet sein, so daß eine maximale Dehnung bei der Deformation des Dehnungsmeßelementes 6 gewährleistet ist.

Alternativ zu der Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 in der Ebene derselben kann die Anregung auch so erfolgen, daß die Anregungs-Schwingung senkrecht zu der Ebene der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 stattfindet. Die Coriolis-Schwingung tordiert bei einer solchen Anordnung die U-förmige Coriolis-Leitung 1. Im Falle einer solchen, an sich aus dem Stand der Technik bekannten Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 bildet der Meßwertaufnehmer erfindungsgemäß mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 einen Winkel abweichend von 90°, damit dieser ein Meßsignal liefert. Warum dies so ist, kann man sich am besten anhand der Betrachtung der Diagonalen eines um 90° tor­ dierten Rechteckes deutlich machen. Bei einer solchen Torsion verkürzt sich nämlich die ursprüngliche Diagonale. Der Vorteil der Anregung der U-förmigen Coriolis-Lei­ tung 1 senkrecht zu ihrer Ebene besteht darin, daß somit die Leitungsenden der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 in der Nähe der Einspannpunkte 4, 5 tordiert werden, so daß eine möglichst geringe Materialbelastung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 ge­ währleistet ist.

Um nun auch bei der zuletzt geschilderten Anregung der U-förmigen Coriolis-Lei­ tung 1 senkrecht zu ihrer Ebene eine Kopplung der Erfassung der Coriolis-Kraft und/oder Coriolis-Schwingung mit der Erfassung der Anregungs-Schwingung zu­ mindest teilweise zu erreichen, wird erfindungsgemäß der Meßwertaufnehmer als bi­ morphes Piezoelement ausgeführt, wobei gleichzeitig an dem Piezoelement eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft angreift. Ein bimorphes Piezoelement besteht aus zwei mechanisch miteinander gekoppelten, elektrisch voneinander entkoppelten und übereinanderliegenden Piezoelementen. Wird dieses bimorphe Piezoelement gleich­ mäßig gestaucht, so verhält es sich exakt wie ein einfaches Piezoelement. Wird ein bimorphes Piezoelement jedoch gebogen, so entspricht dies einer Stauchung des auf der Innenseite der Biegung liegenden Piezoelements und einer Dehnung des auf der Außenseite der Biegung liegenden Piezoelements. Da beide Piezoelemente des bi­ morphen Piezoelements somit elektrische Signale mit umgekehrtem Vorzeichen lie­ fern, kann eine Biegung des bimorphen Piezoelementes ohne weiteres nachgewiesen werden. Voraussetzung für das Gesagte ist natürlich, daß die piezoelektrische Achse des bimorphen Piezoelementes eine Komponente in Längsrichtung des bimorphen Piezoelementes besitzt und daß das bimorphe Piezoelement an seinen Längsenden kontaktiert ist. Eine solche Biegung wird jedoch gerade durch die Anregungs-Schwingung verursacht, wenn an dem bimorphen Piezoelement eine zur Anregungs­ richtung parallele Kraft angreift. Im Ergebnis ist also die teilweise erwünschte Kopp­ lung der Erfassung der Anregungs-Schwingung mit der Erfassung der Coriolis-Kraft und/oder der Coriolis-Schwingung auch bei einer Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1 senkrecht zu ihrer Ebene möglich. Die zur Anregungsrichtung parallele Kraft kann beispielsweise durch eine Feder realisiert werden. Dieses Ausführungsbei­ spiel macht nun gleichzeitig die Grenzen des Einsatzes der bekannten elektro-magne­ tischen Geschwindigkeitssensoren deutlich.

In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer S-förmigen Coriolis-Leitung 7 gemäß der zweiten Lehre der Erfindung dargestellt. An der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 sind zwei Schwingungserzeuger 8, 9 angeordnet, welche die S-förmige Coriolis-Lei­ tung 7 in die Anregungs-Schwingung versetzen. In dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung 7 gemäß der zweiten Lehre der Erfindung sind zwei als Piezoelemente 10, 11 ausgebildete Meßwertaufnehmer derart angeordnet, daß sie an ihren Enden einerseits mit dem mittleren Schenkel und andererseits jeweils mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die S-förmige Coriolis-Leitung 7 in zwei Ein­ spannpunkten 12, 13 derart eingespannt, daß die Einspannpunkte 12, 13 mit den Verbindungspunkten der Piezoelemente 10, 11 mit den äußeren Schenkeln der S-för­ migen Coriolis-Leitung 7 übereinstimmen. Die Anregung der S-förmigen Coriolis-Lei­ tung des erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes erfolgt so, daß die Anre­ gungs-Schwingung in der Ebene der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 liegt.

Der in Fig. 4 angedeutete Schwingungszustand der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 in Verbindung mit der angedeuteten Durchflußrichtung des strömenden Mediums durch die S-förmige Coriolis-Leitung 7 führt zu den an den Piezoelementen 10, 11 angreifenden, durch Pfeile symbolisierten Coriolis-Kräften. Der besondere Vorzug dieser Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes ge­ mäß der zweiten Lehre der Erfindung besteht darin, daß mit ihr ein besonderer, nega­ tiver Effekt der Piezoelemente 10, 11 kompensiert werden kann. Sämtliche bekannten Piezoelemente liefern nämlich bei gleichen Beträgen stauchender Kräfte oder deh­ nender Kräfte unterschiedliche Spannungssignale. Dieser Effekt wird bei dem vorlie­ genden Ausführungsbeispiel dadurch symmetriert, daß jeweils ein Piezoelement 10, 11 gestaucht wird, während das andere Piezoelement 11, 10 gestreckt wird. Die Auswer­ tung der Meßsignale der Piezoelemente 10, 11 erfolgt vorzugsweise dergestalt, daß die Summe und/oder die Differenz der Meßsignale gebildet werden.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massendurch­ flußmeßgerätes mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung 7 gemäß der zweiten Lehre der Erfindung dargestellt. Auch hier erhalten sämtliche mit dem in Fig. 4 dargestellten Massendurchflußmeßgerät identischen Elemente dieselben Bezugszeichen. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Massendurchflußmeßgerät ist die S-förmige Coriolis-Leitung 7 in zwei Einspannpunkten 14, 15 eingespannt, wobei die Einspannpunkte 14, 15 ne­ ben den Verbindungspunkten der als Piezoelemente 10, 11 ausgebildeten Meßwert­ aufnehmer mit jeweils einem der äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 liegen. Insbesondere liegen die Verbindungspunkte der als Piezoelemente 10, 11 ausgebildeten Meßwertaufnehmer mit jeweils einem äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 zwischen den Einspannpunkten 14, 15 und dem jeweiligen, dem äußeren Schenkel zugeordneten Bogen der S-förmigen Coriolis-Leitung 7. Durch diese Anordnung der Einspannpunkte 14, 15 wird wiederum gewährleistet, daß die Erfassung der Coriolis-Kraft und/oder der Coriolis-Schwingung mit der Erfassung der Anregungs-Schwingung zumindest teilweise gekoppelt ist. Dies wird auch aus dem in Fig. 5 angedeuteten Schwingungszustand ersichtlich.

Im weiteren gelten alle in Bezug auf die U-förmigen Coriolis-Leitungen gemachten Ausführungen analog - insbesondere die für eine Anregung senkrecht zur Ebene der Coriolis-Leitung -, da es sich bei einer S-förmigen Coriolis-Leitung prinzipiell um zwei hintereinander geschaltete U-förmige Coriolis-Leitungen handelt. Abschließend soll nur kurz erwähnt werden, daß natürlich auch in den Fig. 4 und 5 dargestellten Aus­ führungsbeispielen mit einer S-förmigen Coriolis-Leitung 7 die Leitungsein- bzw. -ausläufe so angeordnet werden können, daß sie koaxial sind.

In Fig. 6 ist nun ein Massendurchflußmeßgerät mit einer geraden Coriolis-Leitung 16 gemäß der dritten Lehre der Erfindung dargestellt. Die gerade Coriolis-Leitung 16 wird von einem Schwingungserzeuger 17 angeregt. Weiter ist ein als bimorphes Pie­ zoelement 18 ausgebildeter Meßwertaufnehmer im Anregungspunkt steif mit der ge­ raden Coriolis-Leitung 16 verbunden. Das bimorphe Piezoelement 18 ist in einem Axiallager 19 in Anregungsrichtung verschiebbar gelagert. Das Axiallager 19 sorgt für eine möglichst spielfreie Lagerung des bimorphes Piezoelementes 18 senkrecht zur Anregungsrichtung. Durch die steife Verbindung des bimorphen Piezoelemen­ tes 18 mit der geraden Coriolis-Leitung 16 äußert sich der Massendurchfluß des strö­ menden Mediums durch das erfindungsgemäße Massendurchflußmeßgerät darin, daß ein Kippmoment an dem bimorphen Piezoelement 18 angreift. In dem in Fig. 6 ange­ deuteten Schwingungszustand, verbunden mit der angedeuteten Durchflußrichtung des strömenden Mediums, entsteht beispielsweise ein Kippmoment auf das bimorphe Piezoelement 18 im Uhrzeigersinn. Ein solches Kippmoment äußerst sich in einer Bie­ gung des bimorphen Piezoelementes 18, welche in beschriebener Art und Weise zu einem Meßsignal führt. Im Ergebnis ist wiederum gewährleistet, daß die Coriolis-Kraft vollständig entkoppelt von der Anregungs-Schwingung der geraden Coriolis-Lei­ tung 16 erfaßbar ist.

Um nun wiederum eine erwünschte Teilkopplung zwischen der Erfassung der Corio­ lis-Kraft und/oder Coriolis-Schwingung mit der Erfassung der Anregungs-Schwin­ gung zu gewährleisten, greift an das bimorphe Piezoelement 18 eine zur Anregungs­ richtung parallele Kraft an. Dies wird im in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch gewährleistet, daß eine an einem Widerlager 20 befestigte Feder 21 für eine Stauchung bzw. Streckung des gesamten bimorphen Piezoelementes 18 sorgt.

Die im zuvor geschilderten konkreten Ausführungsbeispiele belegen die nur begrenz­ te Einsatzmöglichkeit für die bekannten Geschwindigkeitssensoren. Ein häufiger Hinderungsgrund für den Einsatz dieser Geschwindigkeitssensoren besteht darin, daß gleichzeitig zu der zu messenden Längsbewegung häufig auch eine Querbewegung auftritt. Die daraus entstehenden Anforderungen sind bei den bekannten Geschwin­ digkeitssensoren nur sehr aufwendig zu lösen.

Weiterhin soll der Vollständigkeit halber erwähnt werden, daß sämtliche Ausführun­ gen, die nur für einfache Anordnungen von Coriolis-Leitungen gemacht worden sind, selbstverständlich auch auf doppelte oder mehrfache, nebeneinanderliegende Corio­ lis-Leitungen übertragbar sind.

In Fig. 7 ist nunmehr ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Massen­ durchflußmeßgerätes nach der vierten Lehre der Erfindung dargestellt. Die bereits eingeführten Elemente der in diesem Ausführungsbeispiel wieder S-förmigen Coriolis-Leitung 7 erhalten wiederum die bekannten Bezugszeichen. In diesem Ausführungs­ beispiel ist nun sowohl der Schwingungserzeuger als ein erstes bimorphes Piezoele­ ment 22 als auch der Meßwertaufnehmer als ein zweites bimorphes Piezoelement 23 ausgeführt. Das erste bzw. das zweite Piezoelement 22, 23 ist einerseits mit einem Einspannpunkt 25 bzw. einem Einspannpunkt 26 wirksam verbunden, andererseits über einen kurzen Hebel 26 mit der S-förmigen Coriolis-Leitung 7 wirksam verbun­ den. Durch den kurzen Hebel 26 wird die sehr geringe Auslenkung des bimorphen Piezoelementes 22 mechanisch verstärkt, so daß auf diese Weise ausreichend große Amplituden der Anregungs-Schwingung realisierbar sind. Das zweite bimorphe Pie­ zoelement 23 dient hierbei einerseits als Meßwertaufnehmer für die Anregungs-Schwingung, andererseits als Meßwertaufnehmer für die Coriolis-Schwingung, die eine Biegung des zweiten bimorphen Piezoelementes 23 bewirkt.

In Fig. 8 ist nunmehr eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mas­ sendurchflußmeßgerätes gemäß der vierten Lehre der Erfindung dargestellt, wobei wieder die bekannten Bezugszeichen verwendet werden. Bei dem in Fig. 8 darge­ stellten Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Massendurchflußmeßgerät ist jedoch ein drittes bimorphes Piezoelement 27 als Meßwertaufnehmer und ein viertes bimorphes Piezoelement 28 als Schwingungserzeuger vorgesehen. Diese sind wie­ derum einerseits mit Einspannpunkten 29, 30 wirksam verbunden, andererseits mit dem kurzen Hebel 26 wirksam verbunden. Durch diese Symmetrierung der bimor­ phen Piezoelemente 22, 27 auf die gegenüberliegende Seite kann man, bei geeigneter Auswertung der Signale durch Differenzbildung, die Entkopplung der Signale aus der Anregungs-Schwingung von den Signalen aus der Coriolis-Schwingung verbes­ sern.

Bei den als Meßwertaufnehmer dienenden bimorphen Piezoelementen 23, 27 kann es zu S-förmigen Biegelinien während des Betriebs des Massendurchflußmeßgerätes kommen. Um eine hierdurch bedingte Signalkompensation, durch abschnittsweises Dehnen und Stauchen, zu vermeiden, sind die Kontaktflächen der als Meßwertauf­ nehmer dienenden bimorphen Piezoelemente 23, 27 in einem nicht auf Biegung be­ anspruchten Teil unterbrochen. Die getrennten Bereiche können somit separat aus­ gewertet werden.

Fig. 9 zeigt die Signalverhältnisse der bimorphen Piezoelemente 22, 23, 27, 28 bei ei­ nem erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerät, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Die Spannung an den bimorphen Piezoelementen 22, 23, 27, 28 ergibt sich aus der Länge der schrägen Linien, von ihrem Schnittpunkt mit der X-Achse aus gesehen. Die X-Komponente der Spannungen symbolisiert den Anteil der Anregungs-Schwin­ gung an der Gesamtspannung, die Y-Komponente der Spannungen hingegen den Anteil der Coriolis-Schwingung an der Gesamtspannung. Man erkennt aus Fig. 9, daß man durch die Symmetrierung und eine geeignete Differenzbildung die Spannungs­ komponente der Coriolis-Schwingung separieren kann und daß man einen beliebigen Offset gleichzeitig eliminieren kann.

Alternativ zu der Ausführung eines Massendurchflußmeßgerätes nach der vierten Lehre der Erfindung wird gemäß einer fünften Lehre der Erfindung ein Massen­ durchflußmeßgerät nach dem Coriolis-Prinzip, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitet, dadurch weitergebildet, daß die Coriolis-Leitung an der Position des Schwingungserzeugers mit einem ferromagnetischen Ma­ terial galvanisiert ist. Eine solche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mas­ sendurchflußmeßgerätes ist nicht in den Figuren dargestellt. Es ist sowohl aus ferti­ gungstechnischen Gründen wie auch aus Gründen, die später noch deutlicher wer­ den, vorteilhaft, die Galvanisierung ringförmig an der Coriolis-Leitung abzuscheiden. Da außerdem die ferromagnetischen Eigenschaften des abzuscheidenden Materials für den Wirkungsgrad des Schwingungserzeugers maßgebend sind, ist es besonders vorteilhaft, zur Galvanisierung ein Material mit einer besonders hohen Sättigungsma­ gnetisierung und Remanenzmagnetisierung - vorzugsweise Nickel-Eisen - zu ver­ wenden.

Gemäß einer sechsten Lehre der Erfindung kann der nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitende Schwingungserzeuger des Massendurchflußmeßgerätes weiter da­ durch verbessert werden, daß er mindestens zwei gemeinsam auf einen an er Coriolis-Leitung angebrachten Anker wirkende Erregerspulen aufweist. Dies bringt im Ge­ gensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten, nach dem elektro-magneti­ schen Prinzip arbeitenden Schwingungserzeugern mit einer Erregerspule den Vorteil mit sich, daß das Magnetfeld über die Coriolis-Leitung weitgehend homogenisiert wird und somit die bislang stark nichtlinearen Kennlinien eines elektro-magnetischen Schwingungserregers lineariert werden.

Bei einer Anregung der U-förmigen Coriolis-Leitung 1, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist es vorteilhaft, beide Erregerspulen um die U-förmige Coriolis-Leitung 1 herum an­ zuordnen, so daß die Coriolis-Leitung 1 durch die Mitte der jeweiligen Erregerspulen verläuft. Bei einer solchen Anordnung wird also die Coriolis-Leitung 1 - mit ihrer ringförmigen Galvanistierung - nach Art eines Kolbens innerhalb der Spulen vor- und zurückbewegt. Wählt man hingegen eine Anregung der Coriolis-Leitung senkrecht zu der Ebene der Coriolis-Leitung, so ist es vorteilhaft, beide Erregerspulen auf ge­ genüberliegenden Seiten der Coriolis-Leitung anzuordnen. Hierbei ist es natürlich auch sinnvoll, die galvanisierten Abschnitte und die Achsen der Erregerspulen so zu wählen, daß diese auf einer gemeinsamen Linie liegen. Nur so wird die Homogenität des Magnetfeldes optimal genutzt.

Die erwünschte Homogenität des Magnetfeldes wird dadurch gewährleistet, daß die Erregerspulen jeweils gleichsinnig bestromt sind. Der galvanisierte Anker zwischen beiden Erregerspulen wird hierbei nach der Lenz′schen Regel so magnetisiert, daß seine magnetischen Pole denen des magnetisierenden Feldes entgegengerichtet sind. Die aus dieser Gegenpolung resultierende Kraft sorgt für den Antrieb der Coriolis-Leitung.

Zur Anregung zweier Coriolis-Leitungen mit einem Schwingungserzeuger, der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, werden vorteilhafterweise drei Erreger­ spulen eingesetzt. Diese befinden sich mit ihrer Achse sämtlich auf einer gemeinsamen Linie, z. B. eine Erregerspule unter der ersten Coriolis-Leitung, eine Erregerspule zwi­ schen der ersten und der zweiten Coriolis-Leitung und eine Erregerspule über der zweiten Coriolis-Leitung. Da, bei einem Massendurchflußmeßgerät mit zwei Coriolis-Leitungen, diese üblicherweise im Gegentakt schwingen, muß dafür gesorgt werden, daß die Coriolis-Leitungen in entgegengesetzter Richtung anschwingen. Dies er­ reicht man dadurch, daß die Coriolis-Leitungen einen anderen Abstand zur mittleren Erregerspule im Vergleich zu dem Abstand zu den äußeren Erregerspulen besitzen.

Nach einer siebten Lehre der Erfindung ist ein Massendurchflußmeßgerät für strö­ mende Medien dadurch vorteilhaft weitergebildet, daß mindestens eine aktive elek­ trische Kompensationseinrichtung die Schwingung des Massenschwerpunkts der Coriolis-Leitung kompensiert. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß der Massenschwerpunkt des gesamten Massendurchflußmeßgerätes in Ruhe bleibt und somit eine Ankopplung der Anregungs-Schwingung an die äußere Umgebung, z. B. an die Anschlußleitungen für das strömende Medium, verhindert. Eine solche vermin­ derte Ankopplung führt bekanntermaßen zu einer Erhöhung der Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Massendurchflußmeßgerätes.

Um eine vollständige Kompensation der Schwingungen des Massenschwerpunktes zu erreichen, ist es notwendig, daß die aktive elektrische Kompensationseinrichtung in Amplitude und Frequenz mit der Schwingung der Coriolis-Leitung synchronisier­ bar ist. Hierdurch wird gewährleistet, daß eine Veränderung in der Resonanzfrequenz bzw. in der Amplitude der Anregungs-Schwingung, durch eine Veränderung der Dichte des Meßmediums oder durch eine Veränderung der Aufnehmertemperatur, kompensierbar ist.

Als Signal zur Synchronisation der aktiven elektrischen Kompensationseinrichtung kann zunächst das Signal des Meßwertaufnehmers dienen. Dies ist in der Hinsicht vorteilhaft, als daß keine weiteren Sensoren an der Coriolis-Leitung angeordnet wer­ den müssen. Alternativ oder auch zusätzlich können Beschleunigungssensoren vor­ gesehen sein, wobei das Signal der Beschleunigungssensoren zur Synchronisation der aktiven elektrischen Kompensionseinrichtung dient. Diese Beschleunigungssen­ soren können unmittelbar an der Coriolis-Leitung und/oder an dem Gehäuse des Massendurchflußmeßgerätes angeordnet sein. Ein Beschleunigungssensor am Gehäu­ se des Massendurchflußmeßgerätes bietet den Vorteil, daß der Kompensationseffekt rückgekoppelt wird.

Zur Steuerung der Synchronisation der aktiven elektrischen Kompensationseinrich­ tung ist erfindungsgemäß ein elektronischer Regelkreis vorgesehen. Ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines solchen elektronischen Regelkreises ist in Fig. 10 anhand eines Signalflußplanes dargestellt. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen vorgeschla­ genen elektronischen Regelkreises um einen modellgestützten aktiven Regelkreises. Dieser Regelkreis besteht aus einem Regler 31, welcher ein Ausgangssignal u liefert. Das Ausgangssignal u dient zunächst als Eingangssignal für den Regelungsprozeß 32 und wird in dem Regelungsprozeß 32 über eine Leistungselektronik 33 und einen Wandler 34 in eine Stellgröße F transformiert. Die Stellgröße F bildet die Eingangs­ größe der aktiven elektrischen Kompensationseinrichtung und wirkt somit auf das gesamte mechanische System 35 des Massendurchflußmeßgerätes. Die Reaktion des mechanischen Systems 35 wird von einem Beschleunigungssensor 36 registriert. Das Sensorsignal y des Beschleunigungssensors 36 dient unter anderem wieder als Ein­ gangsgröße des Reglers 31. Weiter dient das Sensorsignal y ebenso wie das Aus­ gangssignal u als Eingangssignal einer Regelungsidentifikation 37. Die Regelungs­ identifikation 37 erzeugt zunächst über ein erstes und ein zweites Formfilter 38, 39 aus dem Sensorsignal y und dem Ausgangssignal u transformierte Größen und . Diese transformierten Größen und dienen wiederum als Eingangssignale eines so­ genannten Prozeßmodells 40, 41. Die Ausgangsfunktion e des Prozeßmodells 40, 41 bildet die Grundlage einer LS-Parameterschätzung 42, die on-line durchgeführt wird. Die LS-Parameterschätzung liefert als Ergebnis möglicherweise veränderte Parameter des Reglers 31 und vervollständigt somit den Signalflußplan für eine modellgestützte aktive Regelung.

Da die Schwingungen innerhalb eines Massendurchflußmeßgerätes nach dem Corio­ lis-Prinzip nicht unbedingt nur in einer Richtung stattfinden, kann das erfindungsge­ mäße Massendurchflußmeßgerät dahingehend weiter gebildet werden, daß zur Kom­ pensation von Schwingungen in voneinander unabhängige Richtungen mindestens zwei aktive elektrische Kompensationseinrichtungen vorgesehen sind. Eine voll­ ständige Kompensation wird man in jedem Fall erlangen, wenn drei aktive elektrische Kompensationseinrichtungen vorgesehen sind, deren Kompensationsrichtungen voneinander unabhängig sind.

Ein weiteres wesentliches Element der aktiven elektrischen Kompensationseinrich­ tung ist neben dem elektronischen Regler das Stellglied. Mit Hilfe dieses Stellglieds wird die Masse, die zur Kompensation der Schwingungen des Massenschwerpunktes notwendig ist, beschleunigt und abgebremst. Neben den bekannten Stellgliedern, die nach dem elektro-dynamischen oder elektro-magnetischen Prinzip arbeiten, ist das er­ findungsgemäße Stellglied der aktiven elektrischen Kompensationseinrichtung als Piezoelement ausgebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, da Piezoelemente eine sehr geringe Eigenträgheit aufweisen und somit die Ansteuerung durch den elektroni­ scher Regler besonders einfach ist.

Claims (41)

1. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder ge­ krümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Corio­ lis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, wo­ bei der Meßwertaufnehmer derart angeordnet ist, daß die Coriolis-Kraft und/oder die Coriolis-Schwingung zumindest weitgehend entkoppelt von der Anregungs-Schwin­ gung der Coriolis-Leitung erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Coriolis-Leitung (1) U-förmig ausgebildet ist und der Meßwertaufnehmer an den Enden mit beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) verbunden ist.

2. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ regung der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) so erfolgt, daß die Anregungs-Schwin­ gung in der Ebene der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) stattfindet.

3. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) einen Winkel abweichend von 90° bildet.

4. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ regung der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) so erfolgt, daß die Anregungs-Schwin­ gung senkrecht zu der Ebene der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) stattfindet.

5. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer mit den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln der U-förmigen Coriolis-Leitung (1) einen Winkel abweichend von 90° bildet.

6. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement ausgeführt ist und an dem bimorphen Piezoelement eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft angreift.

7. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder ge­ krümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Corio­ lis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, wo­ bei der Meßwertaufnehmer derart angeordnet ist, daß die Coriolis-Kraft und/oder die Coriolis-Schwingung zumindest weitgehend entkoppelt von der Anregungs-Schwin­ gung der Coriolis-Leitung erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Coriolis-Leitung (7) S-förmig ausgebildet ist und mindestens ein Meßwertaufnehmer an seinen Enden mit dem mittleren Schenkel und mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) verbunden ist.

8. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ regung der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) so erfolgt, daß die Anregungs-Schwin­ gung in der Ebene der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) stattfindet.

9. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßwertaufnehmer vorgesehen sind und die Summe und/oder die Differenz der Meßsignale der Meßwertaufnehmer auswertbar ist.

10. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die S-förmige Coriolis-Leitung (7) in zwei Einspannpunkten (14, 15) eingespannt ist und die Einspannpunkte (14, 15) neben dem Verbindungspunkt des Meßwertauf­ nehmers mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) liegen.

11. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des Meßwertaufnehmers mit einem der beiden äußeren Schenkel der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) zwischen dem Einspannpunkt und dem dem äu­ ßeren Schenkel zugeordneten Bogen der S-förmigen Coriolis-Leitung (7) vorgesehen ist.

12. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als Geschwindigkeitssensor ausgebildet ist.

13. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als Kraftsensor ausgebildet ist.

14. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Piezoelement den Kraftsensor bildet.

15. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Dehnungsmeßstreifen versehenes Dehnungsmeßelement den Kraftsensor bildet.

16. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsmeßelement gebogen ausgebildet ist.

17. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder ge­ krümmten Coriolis-Leitung, mit mindestens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit mindestens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Corio­ lis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, wo­ bei der Meßwertaufnehmer derart angeordnet ist, daß die Coriolis-Kraft und/oder die Coriolis-Schwingung zumindest weitgehend entkoppelt von der Anregungs-Schwin­ gung der Coriolis-Leitung erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Coriolis-Lei­ tung (16) zumindest im wesentlichen gerade ausgebildet ist und daß der Meßwert­ aufnehmer als bimorphes Piezoelement (18) ausgebildet ist und im Anregungspunkt mit der geraden Coriolis-Leitung (16) steif verbunden ist.

18. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das bimorphe Piezoelement (18) in Anregungsrichtung verschiebbar und senkrecht zur Anregungsrichtung fest gelagert ist.

19. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß an das bimorphe Piezoelement (18) eine zur Anregungsrichtung parallele Kraft angreift.

20. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 19 mit mindestens einer das strömende Medium führenden geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit min­ destens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit min­ destens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis- Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, wobei der Schwingungserzeuger und/oder der Meßwertaufnehmer als bimorphes Piezoelement (22, 23, 27, 28) ausge­ führt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das bimorphe Piezoelement (22, 23, 27, 28) über einen kurzen Hebel (26) mit der Coriolis-Leitung (7) wirksam verbunden ist.

21. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bimorphe Piezoelemente (22, 23) über einen gemeinsamen kurzen Hebel (26) mit der Coriolis-Leitung (7) verbunden sind.

22. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste bimorphe Piezoelement (22) als Schwingungserzeuger wirkt und das zweite bi­ morphe Piezoelement (23) als Meßwertaufnehmer dient.

23. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes, als Meßwertaufnehmer dienendes bimorphes Piezoelement (27) über den ge­ meinsamen kurzen Hebel (26) mit der Coriolis-Leitung (7) verbunden ist.

24. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen der als Meßwertaufnehmer dienenden bimorphen Piezoele­ mente (23, 28) in einem nicht auf Biegung beanspruchten Teil unterbrochen sind.

25. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit min­ destens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit min­ destens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, dadruch gekennzeichnet, daß die Coriolis-Leitung an der Position des Schwingungserzeugers mit einem ferromagneti­ schen Material galvanisiert ist.

26. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanisierung ringförmig an der Coriolis-Leitung abgeschieden ist.

27. Massendurchflußmeßgeräte nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß zur Galvanisierung ein Material mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung und einer hohen Remanenzmagnetisierung - vorzugsweise Nickel-Eisen - verwendet ist.

28. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, daß nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 25 bis 27, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit min­ destens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit min­ destens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, wobei der Schwingungserzeuger nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitende Schwingungserzeuger mindestens zwei gemeinsam auf einen an der Coriolis-Leitung angebrachten Anker wirkende Er­ regerspulen aufweist.

29. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß beide Erregerspulen um die Coriolis-Leitung herum angeordnet sind.

30. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß beide Erregerspulen auf gegenüberliegenden Seiten der Coriolis-Leitung angeordnet sind.

31. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Achsen der Erregerspulen und die galvanisierten Abschnitte der Coriolis-Leitung auf einer Linie liegen.

32. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erregerspulen jeweils gleichsinnig bestromt sind.

33. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der nach dem elektro-magnetischen Prinzip arbeitende Schwin­ gungserzeuger zur Anregung zweier Coriolis-Leitungen drei Erregerspulen aufweist.

34. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß beide Coriolis-Leitungen einen anderen Abstand zur mittleren Erregerspule im Ver­ gleich zu dem Abstand zu den äußeren Erregerspulen besitzen.

35. Massendurchflußmeßgerät für strömende Medien, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 34, mit mindestens einer das strömende Medium führenden, geraden oder gekrümmten Coriolis-Leitung, mit min­ destens einem die Coriolis-Leitung anregenden Schwingungserzeuger und mit min­ destens einem Coriolis-Kräfte und/oder auf Coriolis-Kräften beruhende Coriolis-Schwingungen erfassenden Meßwertaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens eine aktive elektrische Kompensationseinrichtung die Schwingung des Mas­ senschwerpunkts der Coriolis-Leitung kompensiert.

36. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Kompensationseinrichtung in Amplitude und Frequenz mit der Schwingung der Coriolis-Leitung synchronisierbar ist.

37. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Meßwertaufnehmers zur Synchronisation der aktiven Kompensationsein­ richtung dient.

38. Massendurchflußmeßgerät nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist und das Signal des Be­ schleunigungssensors zur Synchronisation der aktiven Kompensationseinrichtung dient.

39. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Synchronisation der aktiven Kompensationseinrichtung ein elektronischer Regelkreis vorgesehen ist.

40. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Kompensation von Schwingungen in voneinander unabhän­ gigen Richtungen mindestens zwei aktive Kompensationseinrichtungen vorgesehen sind.

41. Massendurchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 35 bis 40, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Stellglied der aktiven Kompensationseinrichtung als Piezoele­ ment ausgebildet ist.