DE4441225A1

DE4441225A1 - Massendurchfluß-Meßgerät

Info

Publication number: DE4441225A1
Application number: DE4441225A
Authority: DE
Inventors: Henning Max Hansen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Siemens AB
Priority date: 1994-11-19
Filing date: 1994-11-19
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2014-11-20
Also published as: FR2727202B1; CH691195A5; FR2727202A1; GB2295231A; DE4441225C2; GB9523309D0; DK127595A; US5637804A; GB2295231B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massendurchfluß-Meß gerät mit einem Durchflußkanal, mit mindestens einer Meßstrecke, die an einem Ende einen als längs der Meß strecke wandernde Wellen erzeugender Schwingungserreger und am anderen Ende einen als Schwingungsdetektor für diese wandernden Wellen arbeitenden Energieumformer aufweist, und mit einer Auswerteschaltung, die den Mas sendurchfluß aufgrund der in und gegen die Durchfluß richtung unterschiedlichen Wandergeschwindigkeiten er mittelt.

Bei einem bekannten Gerät dieser Art (DE-OS 39 23 409) wird die Meßstrecke mit Hilfe eines den Durchflußkanal begrenzenden Meßrohres gebildet. Die Ausnutzung der Wanderwellen hat den Vorteil, daß weder wegen Null punktsabweichungen noch wegen des Strömungsprofils eine Kalibrierung benötigt wird. Als Nachteil ist anzusehen, daß bei Verwendung eines Meßrohres mit üblicher Stei figkeit eine übergroße Länge des Meßrohres erforderlich ist, wenn man optimale Ergebnisse erzielen will.

Bei einem anderen bekannten Typ eines Massendurchfluß- Meßgeräts (US-PS 4 596 153) ist im Durchflußkanal eines geraden Meßrohres ein dünner Streifen angeordnet, der an einem Ende befestigt und am anderen Ende frei beweg lich ist. Durch einen in der Mitte angeordneten Schwin gungserreger wird der dünne Streifen mit Resonanzfre quenz angeregt, so daß sich eine stehende Welle bildet. Die Phasendifferenz zwischen den Messungen eines Schwingungsdetektors nahe dem befestigten Ende und ei nes Schwingungsdetektors nahe dem freien Ende wird zur Ermittlung des Massendurchflusses ausgewertet. Hierbei treten aber Nullpunktsabweichungen auf, die eine ent sprechende Kompensation erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Massen durchfluß-Meßgerät der eingangs beschriebenen Art an zugeben, das trotz geringer Länge eine hohe Meßgenau igkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßstrecke einen dünnen Streifen aus elastischem Material aufweist, der im Durchflußkanal angeordnet ist, an seinen Enden festgehaltenen ist, mit den Ener gieumformern zusammenwirkt und so bemessen ist, daß seine niedrigste Eigenfrequenz viel geringer ist als die Erregerfrequenz der Schwingungserreger.

Bei dieser Konstruktion können die elastischen Eigen schaften des dünnen Streifens unabhängig von der erfor derlichen Steifigkeit des Meßrohres gewählt werden. Es ist möglich, mit einer hohen Erregerfrequenz zu arbei ten, so daß die Wellenlänge der Wanderwelle klein ist im Vergleich zur Streifenlänge. Daher können die Lauf zeitunterschiede zwischen Mitstrom-Messung und Gegen strom-Messung sehr genau und auf einfache Weise auch bei kurzen Meßstrecken festgestellt werden. Insgesamt ergibt sich daher ein mit Wanderwellen arbeitendes Mas sendurchfluß-Meßgerät mit einer Baulänge, die mit den auf anderen Prinzipien beruhenden Meßgeräten konkurrie ren kann oder sogar noch kürzer ist.

Mit Vorteil ist nur eine Meßstrecke vorgesehen, deren nahe den Enden des dünnen Streifens angeordnete Ener gieumformer abwechselnd als Schwingungserzeuger und Schwingungsdetektor betreibbar sind. Dabei läßt sich die Laufzeit in Strömungsrichtung und in Gegenrichtung sehr genau festlegen, weil die gleiche Meßstrecke ver wendet wird.

Vorzugsweise verläuft der dünne Streifen längs der Ach se eines geraden Durchflußkanals. Bei dieser Anordnung ergibt sich die größtmögliche Beeinflussung durch die Strömung.

Es empfiehlt sich, daß die Schwingungserzeuger die wan dernden Wellen als Biegeschwingungen des dünnen Strei fens anregen. In Biegerichtung ergibt sich die stärkste elastische Verformung und eine entsprechend starke Be einflussung durch die Strömung.

Die tatsächlich benötigte Länge des Meßgeräts hängt in erster Linie von der Ausbildung des dünnen Streifens ab, also von der Materialdicke, der Breite des Strei fens und dem verwendeten Material. Ohne Schwierigkeiten läßt sich erreichen, daß die Länge des dünnen Streifens kleiner als der zehnfache Durchmesser, vorzugsweise kleiner als der fünffache Durchmesser des Durchflußka nals ist.

Von besonderem Vorteil ist es, daß der dünne Streifen durch die Befestigungsmittel unter konstanter Zugspan nung gehalten ist. Die Zugspannung bewirkt, daß äußerst dünne und damit hochelastische Streifen verwendet wer den können, wobei für alle Erregerfrequenzen die glei che Wanderungsgeschwindigkeit gegeben ist und daher auch für einen Breitband-Spannungsimpuls zur Schwin gungserregung keine Verlängerung des Impulses bei der Wanderung erfolgt. Es reichen daher noch kürzere Meß strecken aus, um genaue Ergebnisse zu erzielen.

Unter der hierdurch gegebenen Voraussetzung, daß man die Biegesteifigkeit des Streifens vernachlässigen kann, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, daß die Auswerteschaltung den Massendurchfluß Q_m aus der Glei chung

berechnet, wobei
K eine Konstante, die von den Streifendaten und der verwendeten Wellenlänge abhängt,
D_t die Differenz der Laufzeiten der Wanderwellen in und gegen die Durchflußrichtung,
T die Zugspannung im dünnen Streifen und
L die Länge der Meßstrecke
ist. Wegen des einfachen Aufbaus der Gleichung, bei der die Laufzeitdifferenz die einzige Variable ist, ergibt sich eine wenig aufwendige Auswerteschaltung.

Günstig ist es auch, daß das Ende des dünnen Streifens von einer Fassung gehalten ist, die zwischen zwei sich etwa in Streifenrichtung erstreckenden Wänden einen vom Durchflußkanal getrennten Raum aufweist, in dem der Energieumformer angeordnet ist. Auf diese Weise können Schwingungserreger beziehungsweise Schwingungsdetektor in einem vom zu messenden Medium geschützten Bereich, der auch von außen zugänglich ist, untergebracht sein. Mit Hilfe der zwei Wände lassen sich auf einfache Weise Biegeschwingungen auf den dünnen Streifen übertragen.

In weiterer Ausgestaltung ist dafür gesorgt, daß das Ende des dünnen Streifens mit einem Stützelement ver sehen ist, an dem ein die Zugspannung bewirkendes Fe derelement angreift. Auf diese Weise wird auf den dün nen Streifen eine definierte Kraft ausgeübt.

Des weiteren ist es von Vorteil, daß der dünne Streifen schräg zur Achse des Durchflußkanals verläuft und seine Enden in Taschen greifen, die außen an den Durchflußka nal anschließen. Diese Schräglage des Streifens wird hauptsächlich angewendet, wenn der Durchflußkanal einen großen Querschnitt besitzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsge mäßen Massendurchfluß-Meßgeräts,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Meßrohr,

Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch ein weiteres Aus führungsbeispiel,

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch ein anderes Ausfüh rungsbeispiel und

Fig. 5 einen Teillängsschnitt durch eine weitere Aus führungsform.

Ein Meßrohr 1 begrenzt einen Durchflußkanal 2, durch den die Strömung in der Richtung X fließt. In diesem Durchflußkanal ist ein dünner Streifen 3 aus elasti schem Material angeordnet, der sich längs der Meßrohr achse erstreckt. Der dünne Streifen 3 ist an einem Ende über Befestigungsmittel 4 am Meßrohr 1 befestigt und trägt am anderen Ende Befestigungsmittel 5, die mit Hilfe einer Schraube 6, die sich an einem im Meßrohr 1 angeordneten Widerlager 7 abstützt, unter Zugspannung T gesetzt ist.

Nahe seinen Enden trägt der dünne Streifen 3 zwei Ener gieumformer 8 und 9, zwischen denen sich eine Meß strecke 10 mit der Länge L erstreckt. Die Energieumfor mer 8 und 9 arbeiten abwechselnd als Schwingungserre ger, welcher längs der Meßstrecke 10 wandernde Wellen erzeugt, und als Schwingungsdetektor, welcher die wan dernden Wellen erfaßt. Eine Auswerteschaltung 11 dient der Erzeugung der Erregerschwingungen und der Ermitt lung der Wandergeschwindigkeiten der in Durch flußrichtung und der in entgegensetzter Richtung lau fenden Wanderwellen.

Der dünne Streifen 3 besteht aus einem elastischen Ma terial, insbesondere Metall, wie Messing, Bronze oder Stahl. Die Dicke des Streifens liegt zweckmäßigerweise unter 0,5 mm, wobei der Bereich von 0,2 bis 0,3 mm be vorzugt wird. Die Breite des Streifens ist von den Rohrabmessungen abhängig.

Es läßt sich zeigen, daß für den unter Zugspannung ge setzten Streifen 3 die Gleichung [1] gilt.

In Fig. 3 ist das Meßrohr 101 mit einem seitlichen Zu fluß 112 versehen. Der Durchflußkanal 102 ist stirnsei tig durch eine Endwand 113 abgeschlossen. Der im Durch flußkanal 102 angeordnete dünne Streifen 103 ist in einer Fassung 114 gehalten, die zwei parallele Wände 115 und 116 aufweist, welche einen vom Durchflußkanal 2 getrennten Raum 117 begrenzen. Die beiden Wände 115 und 116, die sich in der gleichen Richtung wie der dünne Streifen 103 erstrecken, tragen auf den einander zuge wandten Seiten je einen Energieumformer 118 und 119 aus piezoelektrischem Material. Je nach Erregung biegen sich die Wände 115 und 116 nach der einen oder anderen Richtung aus und erzeugen eine wandernde Biegeschwin gung im Streifen 103.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist das Meßrohr 201 mit einem seitlichen Zuflußstutzen 212 versehen. Im Durchflußkanal 202 befindet sich ein dünner Streifen 203, der mit einem Energieumformer 209 versehen ist. Der Streifen 203 ist mit einem Stützelement 220 verse hen, auf welches ein Federelement 221, das sich an ei ner Querwand 222 des Meßrohres 201 abstützt, wirkt. Auf diese Weise wird eine definierte Zugspannung im Strei fen 203 erzeugt. Das Federelement ist als Balg darge stellt, kann aber auch durch eine normale Schraubenfe der o. dgl. gebildet sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 begrenzt das Meß rohr 301 einen Durchflußkanal 302 mit größerem Quer schnitt. Ein dünner Streifen 303, der nahe seiner Enden mit einem Energieumformer 308 bzw. 309 versehen ist, erstreckt sich schräg zur Achse des Durchflußkanals 302. Die Enden befinden sich in Taschen 323 und 324, die seitlich über den Durchflußkanal 302 überstehen.

Durch Federn 325 und 326 ist angedeutet, daß der dünne Streifen 303 unter Zugspannung stehend an seinen Enden befestigt ist.

Die Schwingungserreger können die Wanderwellen in Form von Verschiebungsschwingungen, Torsionsschwingungen oder anderen Schwingungen, insbesondere als Biege schwingungen, anregen. Die Erregung kann mit einem Breitband-Spannungsimpuls erfolgen, vorzugsweise aber mit einem kurzen Impuls, der eine ausgeprägte Frequenz besitzt. Ein solcher Schwingungszug kleiner Bandbreite ergibt sich, wenn man wenige Sinusschwingungen, bei spielsweise 3 oder 4 Sinusschwingungen, in einer Hüll kurve verwendet, welche der Gaußschen Funktion oder Glockenkurve entspricht. Die Schwingungserreger können elektromagnetisch, elektrostatisch, piezoelektrisch, hydraulisch, magnetisch, magnetostriktiv oder auf ande re bekannte Weise betrieben werden. Die Schwingungsde tektoren können in ähnlicher Weise aufgebaut sein. Sie können auf die Lage, die Geschwindigkeit oder die Be schleunigung des dünnen Streifens ansprechen. Aus den gewonnenen Signalen läßt sich dann der Anfangsabschnitt der wandernden Welle, beispielsweise ein vorgegebener positiver Nulldurchgang feststellen. Die Schwingungs detektoren können aber auch optisch, piezoelektrisch, elektromagnetisch, magnetostriktiv, elektrostatisch arbeiten, als Straingauges ausgebildet sein oder auf eine andere bekannte Weise betrieben werden.

Wegen weiterer Einzelheiten wird auf DE-OS 39 23 409 verwiesen. Dies gilt insbesondere bezüglich des Aufbaus der Erreger- und Auswerteschaltung 11. Sie kann insbe sondere auch eine Regelschaltung für die Anregungsfre quenz des Schwingungserregers enthalten, die die Wel lenlänge der längs des dünnen Streifens 3 wandernden Welle konstant hält. Wenn der Streifen 3 unter Zugspan nung steht, ist es möglich, eine einfache und daher billige Auswerteschaltung 11 zu verwenden, weil dann mit der vereinfachten Gleichung [1], gegebenenfalls nach Korrektur durch einen Faktor, gearbeitet werden kann.

Selbstverständlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert wer den, beispielsweise kann die Streifenbefestigung der Fig. 3 auch bei der Ausführungsform nach der Fig. 5 angewendet werden.

Claims

1. Massendurchfluß-Meßgerät mit einem Durchflußkanal, mit mindestens einer Meßstrecke, die an einem Ende einen als längs der Meßstrecke wandernde Wellen er zeugender Schwingungserreger und am anderen Ende einen als Schwingungsdetektor für diese wandernden Wellen arbeitenden Energieumformer aufweist, und mit einer Auswerteschaltung, die den Massendurch fluß aufgrund der in und gegen die Durchflußrich tung unterschiedlichen Wandergeschwindigkeiten er mittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (10) einen dünnen Streifen (3; 103; 203; 303) aus elastischem Material aufweist, der im Durchflußka nal (2; 102; 202; 302) angeordnet ist, an seinen Enden festgehaltenen ist, mit den Energieumformern (8, 118, 119; 9; 209; 308, 309) zusammenwirkt und so bemessen ist, daß seine niedrigste Eigenfrequenz viel geringer ist als die Erregerfrequenz der Schwingungserreger.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Meßstrecke (1) vorgesehen ist, deren nahe den Enden des dünnen Streifens angeordnete Energieumformer (8, 9; 308, 309) abwechselnd als Schwingungserzeuger und Schwingungsdetektor betreibbar sind.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der dünne Streifen (3; 103; 203) längs der Achse eines geraden Durchflußkanals (2; 102; 202) verläuft.

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumformer (8, 9; 118, 119; 209; 308, 309) die wandernden Wellen als Bie geschwingungen des dünnen Streifens (3; 103; 203; 303) anregen.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Streifen (3; 103; 203; 303) durch die Befestigungsmittel unter kon stanter Zugspannung (T) gehalten ist.

6. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11) den Massendurchfluß Q_m aus der Gleichung berechnet, wobei
K eine Konstante, die von den Streifendaten und der verwendeten Wellenlänge abhängt,
D_t die Differenz der Laufzeiten der Wander wellen in und gegen die Durchflußrichtung,
T die Zugspannung im dünnen Streifen und
L die Länge der Meßstrecke ist.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des dünnen Streifens (103) von einer Fassung (114) gehalten ist, die zwischen zwei sich etwa in Streifenrichtung er streckenden Wänden (115, 116) einen vom Durchfluß kanal (102) getrennten Raum (117) aufweist, in dem der Energieumformer (118, 119) angeordnet ist.

8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des dünnen Streifens (203) mit einem Stützelement (220) versehen ist, an dem ein die Zugspannung bewirkendes Federelement (222) angreift.

9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Streifen (303) schräg zur Achse des Durchflußkanals (302) verläuft und seine Enden in Taschen (323, 324) greifen, die au ßen an den Durchflußkanal (302) anschließen.