DE4441225A1 - Massendurchfluß-Meßgerät - Google Patents
Massendurchfluß-MeßgerätInfo
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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 Qm aus der Glei
chung
berechnet, wobei
K eine Konstante, die von den Streifendaten und der verwendeten Wellenlänge abhängt,
Dt 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.
K eine Konstante, die von den Streifendaten und der verwendeten Wellenlänge abhängt,
Dt 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 (9)
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
Qm aus der Gleichung
berechnet, wobei
K eine Konstante, die von den Streifendaten und der verwendeten Wellenlänge abhängt,
Dt 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.
K eine Konstante, die von den Streifendaten und der verwendeten Wellenlänge abhängt,
Dt 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.
Priority Applications (6)
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