EP1889011A1 - Massendurchflussmessgerät - Google Patents

Massendurchflussmessgerät

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Publication number
EP1889011A1
EP1889011A1 EP05749120A EP05749120A EP1889011A1 EP 1889011 A1 EP1889011 A1 EP 1889011A1 EP 05749120 A EP05749120 A EP 05749120A EP 05749120 A EP05749120 A EP 05749120A EP 1889011 A1 EP1889011 A1 EP 1889011A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring tube
chamber
medium
mass flowmeter
tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05749120A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Simonsen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1889011A1 publication Critical patent/EP1889011A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/02—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature
    • G01F15/022—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature using electrical means
    • G01F15/024—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature using electrical means involving digital counting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/8413—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details means for influencing the flowmeter's motional or vibrational behaviour, e.g., conduit support or fixing means, or conduit attachments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/845—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits
    • G01F1/8468—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits
    • G01F1/849—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits having straight measuring conduits

Definitions

  • the invention relates to a mass flow meter which operates according to the Coriolis principle, with at least one substantially straight measuring tube leading to a flowing medium according to the preamble of claim 1.
  • Mass flow meters with only a single straight Coriolis measuring tube have become increasingly popular. According to the Coriolis principle mass flowmeters, which have only a single straight measuring tube, have significant advantages over those with two straight measuring tubes or a loop-shaped measuring tube. Namely, no flow divider and flow merge are needed, or a straight measuring tube is easier to produce than a loop-shaped. In addition, the pressure drop is lower and a straight measuring tube can be cleaned more easily.
  • Mass flowmeters with two straight measuring tubes the oscillating parts are identically designed and arranged and vibrated so that they oscillate against each other. This ensures that the center of gravity of the system remains stationary and thus the oscillating system is not effective to the outside. Consequently, no vibrations are introduced into a piping system incorporating such a mass flowmeter. Likewise affect vibrations, which from the. Piping system are introduced into the meter, the measurement result to a lesser extent. Since this is not possible with a mass flowmeter with a single straight measuring tube, complex compensation methods are necessary. From EP 0 317 340 B1 a mass flow meter with a single straight measuring tube is known.
  • each mass body are attached to the two ends of the measuring tube, which are intended to cause at the ends of the measuring tube vibration nodes with little radial movement.
  • a bellows is additionally provided which is intended to prevent thermal expansions due to temperature changes from leading to changes in the mechanical stress conditions in the measuring tube, thus influencing the measurement result.
  • Mass flowmeter caused disadvantageously a relatively high production cost.
  • Another mass flow meter which operates according to the Coriolis principle and has a straight measuring tube is known from EP 0 837 303 A1.
  • the measuring tube is arranged in a chamber which is filled with an incompressible liquid, for example oil.
  • an incompressible liquid for example oil.
  • a pressure compensation membrane In the area of one end of the measuring tube there is a pressure compensation membrane. Since there are hardly any pressure differences between the interior and the surroundings of the measuring tube in the area of the chamber, it is possible to use a thin and thus flexible measuring tube, even if a mass flow rate under high pressure is to be measured. Adversely, however, there is a strong vibration coupling between measuring tube and the pipe in which the mass flow device is installed at the firmly clamped end of the measuring tube.
  • the invention is based on the object
  • Mass flowmeter that works on the Coriolis principle to create, which is good at Measuring accuracy characterized by a relatively low production cost.
  • the invention has the advantage that no axial forces via pipe or housing, for example caused by temperature fluctuations, are introduced into the measuring tube. This is achieved in particular by the fact that the two pipe ends do not serve to support the measuring tube.
  • the storage of the measuring tube is namely arranged between the two pipe ends at an axial distance from them.
  • the pipe ends are thus free floating, the measuring tube can expand with temperature changes and there are no changes in the internal mechanical stress conditions.
  • the arrangement of the bearing at an axial distance from the tube ends also prevents mechanical vibrations of the pipeline system, in which the mass flowmeter is installed, from being coupled into the measuring tube via the tube ends. This also has a positive effect on the measuring accuracy.
  • a pressure equalization between the interior and the surroundings of the measuring tube is achieved in an advantageous manner.
  • the pressure of the medium flowing through the measuring tube has no influence on the mechanical
  • a measuring tube can be used which has a comparatively thin tube wall. This makes the measuring tube more flexible, has a higher sensitivity to Coriolis forces and greater insensitivity to external disturbances.
  • the mass flow meter can use a more flexible Metering tube are operated with lower power consumption.
  • the chamber in which the measuring tube is mounted can be divided into at least two chamber spaces, wherein a first chamber space is provided with the opening for supplying the medium and in this is the first end of the measuring tube and wherein a second chamber of the chamber the opening is provided for the discharge of the medium and in this is the second end of the measuring tube.
  • a substantially tubular chamber which is arranged concentrically to the measuring tube, has the advantage that a particularly simple construction of the chamber is achieved, which is associated with a comparatively low production cost.
  • at least a first bearing of the measuring tube can be formed by a substantially disk-shaped membrane, which is arranged with its plane transverse to the longitudinal axis of the measuring tube, in its center carries the measuring tube and the two chamber spaces sealingly separate from each other.
  • a membrane is relatively stiff in the radial direction, but allows small displacements in the axial direction and a rotation of the measuring tube to a limited extent.
  • the membrane additionally fulfills the function of sealing the two chamber spaces so that no part of the medium guided through the mass flowmeter can flow past the measuring tube.
  • the membrane advantageously also permits torsions and axial displacements of the measuring tube to a greater extent, it can be provided with impressed, concentric waves as a profile.
  • the vibration generator can be arranged in the region of the axial center of the measuring tube.
  • two bearings are provided, which are located substantially in the region of the vibration nodes. This has the advantage that oscillations do not or only to a small extent propagate outward over the bearings, since vibration nodes are characterized by the property that no displacement of the measuring tube takes place in the radial direction.
  • the measuring tube has a hollow cylindrical shape with a constant cross-section.
  • the arrangement of the bearings is advantageously chosen so that they are each axially 20 to 25% of the measuring tube length of the adjacent end of the measuring tube axially removed, since in these areas are the two nodes of the first bending mode.
  • the two bearings can be formed in a simple manner as concentric to the measuring tube, disc-shaped membranes, each secured with its outer edge to the inside of the chamber and carry in their respective center the measuring tube, one of the two membranes preferably medially permeable is.
  • a symmetrical construction of measuring tube and storage is achieved and allows a good balance of the vibration system.
  • the pressure drop which arises in the case of a medium flowing through the measuring tube over the length of the measuring tube leads to an axial displacement of the measuring tube. This pressure drop is dependent on the flow rate and the viscosity of the flowing medium. If the axial displacement is detected by a measuring device, the viscosity of the medium can advantageously be calculated. In addition, a monitoring of the pipe bearings and a diagnosis is made possible, whether the measuring tube still mounted axially displaceable is or already faulty abuts with one of its two pipe ends on the chamber inner wall.
  • a use of the mass flowmeter for measuring the mass flow of a gaseous medium has the advantage that the measurement result is hardly influenced by the medium, which also fills the cavities in the chamber and thus in the environment of the measuring tube.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a sensor for a mass flow meter
  • FIG. 2 shows a diagram for clarifying the oscillation deflection in the first bending mode of FIG.
  • FIG. 1 shows a sensor of a mass flowmeter is shown in a longitudinal section.
  • a flowing medium is, as shown by arrows 12 and 13, fed through a feed opening 9 of a chamber 14 and flows out through a discharge opening 10 out of the chamber 14 again.
  • a measuring tube 4 is arranged, which is supported by two membranes 5 and 6 axially floating.
  • the measuring tube 4 is excited by a vibration generator 3, which is located approximately in the central region of the measuring tube 4, to oscillate transversely to a longitudinal axis 22 of the measuring tube 4.
  • the deflection of the measuring tube 4 is detected with two transducers 1 and 2.
  • Vibration generator 3 and transducers 1 and 2 are connected to a control and evaluation, which is not shown for clarity in the drawing.
  • the signals generated with the transducers 1 and 2 are evaluated in terms of amplitude and phase.
  • a first end 15 of the measuring tube 4 is arranged opposite the opening 9 for the supply of the medium such that a free gap between the end 15 and the chamber inner wall remains.
  • a second end 16 of the measuring tube 4 opposite the opening 10 for discharging the medium.
  • a gap between the pipe end 16 and the inner wall of the chamber 14 is left.
  • the two membranes 6 and 7 are designed as corrugated membranes were impressed in the concentric waves, which allow a displacement of the measuring tube 4 in the axial direction and a rotation about the diaphragm center.
  • the membrane 6 is sealingly inserted between the measuring tube 4 and chamber inner wall, so that two separate spaces 18 and 19 of the chamber 14 are formed. This prevents that a part of the medium can flow around the measuring tube 4.
  • the resulting due to a flow through the measuring tube 4 pressure drop is thus on the membrane 6 and leads to an axial displacement of the measuring tube 4, which can be evaluated for viscosity calculation.
  • a pickup 17 the size of the gap between the pipe end
  • the medium temperature can be determined as a process variable and output for processing or message.
  • the two membranes 5 and 6 as bearings of the measuring tube 4 are each 20 to 25% of the measuring tube length of the respective adjacent end 15 and 16 of the measuring tube 4 axially away. In this range at about 22.5% there are nodes of the first bending mode of the measuring tube 4, to which the measuring tube 4 is excited by the vibrator 3.
  • a vibration node is characterized by the property that the measuring tube 4 experiences no deflection in the radial direction at this point. Due to the two gaps between the first end 15 and the second end 16 of the measuring tube 4 and the respective opposite inner wall of the chamber 14, a thermal expansion of the measuring tube 4 is allowed without changing its mechanical stress conditions. Furthermore, it is ensured by the column that vibrations practically not from the measuring tube 4 on a pipeline, in which the transducer is installed, are transmitted. Even vibrations of the pipeline are hardly coupled into the measuring tube 4 and can thus influence the measurement result only to a small extent. The measurement result thus does not depend on axial forces in the pipeline, since no such forces are transmitted to the measuring tube 4.
  • the shown construction of the transducer offers the advantage that the measuring tube is perfectly balanced for all media densities, since the position of the nodes of the measuring tube 4 is practically independent of the density of the medium.
  • the measurement is independent of the pressure of the medium, as over the wall of the transducer
  • Measuring tube 4 no pressure differences fall off.
  • the construction shown additionally has the advantage of simultaneously measuring the mass flow rate, the density of the medium, its temperature and its viscosity allows. He is associated with a relatively low production cost.
  • the sensor is particularly suitable for measuring the mass flow rate of gaseous media, since the environment of the measuring tube 4 filled with the same medium influences the oscillations only to a small extent.
  • FIG. 2 shows two bending lines 20 and 21 of the measuring tube in the first bending mode over the normalized measuring tube length. It is clear that two
  • Vibration nodes are about 0.225 and 0.775 of the measuring tube length.
  • the storage of the measuring tube is provided at this node, since there is no deflection of the measuring tube axis and thus no shift in the radial direction.
  • the course of the bending lines 20 and 21 is mirror-symmetrical to a plane which extends at half of the measuring tube length perpendicular to its longitudinal axis. Due to the Coriolis forces that arise at a mass flow through the measuring tube, these oscillations, an oscillation about the manner of the second bending mode, which is point-symmetrical to a point at half of the measuring tube length, superimposed on the bending lines 20 and 21. The resulting phase shift of the oscillation can easily be detected and evaluated by the transducers 1 and 2 shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Massendurchflussmessgerät, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet. Ein Messrohr (4) ist in einer Kammer (14) gelagert, die mit zumindest zwei Öffnungen (9, 10) zur Zu- bzw. Ableitung des Mediums zum jeweiligen Ende (15, 16) des Messrohrs (4) versehen ist. Die Lagerung des Messrohrs ist zwischen den beiden Rohrenden (15, 16) in axialem Abstand zu diesen angeordnet. Vorzugsweise befindet sie sich in einem Schwingungsknoten des ersten Biegemodus. Die in axialem Abstand zu den Rohrenden angeordnete Lagerung hat den Vorteil, dass thermische Ausdehnungen praktisch keinen Einfluss auf die inneren mechanischen Spannungsverhältnisse des Messrohrs (4) haben und somit das Messergebnis kaum beeinflussen. Mit besonderem Vorteil kann das Massendurchflussmessgerät bei gasförmigen Medien eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
Massendurchflussmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Massendurchflussmessgerät, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit zumindest einem ein strömendes Medium führenden, im Wesentlichen geraden Messrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es haben sich zunehmend Massendurchflussmessgeräte mit nur einem einzigen geraden Coriolis-Messrohr durchgesetzt. Nach dem Coriolis-Prinzip arbeitende Massendurchflussmessgeräte, die nur ein einziges gerades Messrohr aufweisen, haben gegenüber solchen mit zwei geraden Messrohren oder einem schleifenförmigen Messrohr erhebliche Vorteile. Es werden nämlich keine Strömungsteiler und Strömungszusammenführer benötigt, bzw. ein gerades Messrohr ist einfacher herstellbar als ein schleifenförmiges . Zudem ist der Druckabfall geringer und ein gerades Messrohr kann einfacher gereinigt werden.
Massendurchflussmessgeräte, die nach dem Coriolis-Prinzip arbeiten und ein gerades Messrohr aufweisen, sind jedoch mit einem grundsätzlichen Problem behaftet: Wenn das Coriolis- Messrohr in Schwingungen versetzt wird, führt sein Massenschwerpunkt eine Schwingung aus. Bei
Massendurchflussmessgeräten mit zwei geraden Messrohren sind die schwingenden Teile identisch ausgeführt und derart angeordnet und zu Schwingungen angeregt, dass sie gegeneinander schwingen. Damit wird erreicht, dass der Massenschwerpunkt des Systems ortsfest bleibt und somit das schwingende System nicht nach außen hin wirksam wird. Folglich werden in ein Rohrleitungssystem, in das ein solches Massendurchflussmessgerät eingebaut ist, keine Schwingungen eingeleitet. Ebenso beeinflussen Schwingungen, die aus dem. Rohrleitungssystem in das Messgerät eingeleitet werden, das Messergebnis in geringerem Maße. Da dies bei einem Massendurchflussmessgerät mit einem einzigen geraden Messrohr nicht möglich ist, sind aufwendige Kompensationsverfahren notwendig. Aus der EP 0 317 340 Bl ist ein Massendurchflussmessgerät mit einem einzigen geraden Messrohr bekannt. Um eine Übertragung von Schwingungen vom Messrohr in das Rohrleitungssystem und umgekehrt zu erschweren, sind an den beiden Enden des Messrohrs jeweils Massenkörper befestigt, die bewirken sollen, dass an den Enden des Messrohrs Schwingungsknoten mit geringer radialer Bewegung entstehen. An den beiden Enden des Messrohrs ist zudem jeweils ein Faltenbalg vorgesehen, der verhindern soll, dass thermische Ausdehnungen aufgrund von Temperaturänderungen zu Veränderungen der mechanischen Spannungsverhältnisse im Messrohr führen und so das Messergebnis beeinflussen. Der Aufbau des
Massendurchflussmessgeräts bedingt in nachteiliger Weise einen vergleichsweise hohen Herstellungsaufwand.
Ein weiteres Massendurchflussmessgerät, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet und ein gerades Messrohr aufweist, ist aus der EP 0 837 303 Al bekannt. Das Messrohr ist in einer Kammer angeordnet, die mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, beispielsweise Öl, gefüllt ist. Im Bereich eines Endes des Messrohrs befindet sich eine Druckausgleichsmembran. Da somit kaum Druckunterschiede zwischen Innenraum und Umgebung des Messrohrs im Bereich der Kammer herrschen, ist es möglich, ein dünnes und somit flexibles Messrohr zu verwenden, selbst wenn ein Massendurchfluss unter hohem Druck gemessen werden soll. In nachteiliger Weise besteht jedoch am fest eingespannten Ende des Messrohrs eine starke Schwingungskopplung zwischen Messrohr und der Rohrleitung, in welcher das Massendurchflussgerät eingebaut ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Massendurchflussmessgerät, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, zu schaffen, das sich bei einer guten Messgenauigkeit durch einen vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Massendurchflussmessgerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass keine axialen Kräfte über Rohrleitung oder Gehäuse, beispielsweise verursacht durch Temperaturschwankungen, in das Messrohr eingeleitet werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die beiden Rohrenden nicht zur Lagerung des Messrohres dienen. Die Lagerung des Messrohrs ist nämlich zwischen den beiden Rohrenden in axialem Abstand zu diesen angeordnet. Die Rohrenden sind somit frei schwimmend, das Messrohr kann sich bei Temperaturänderungen ausdehnen und es entstehen dabei keine Veränderungen der inneren mechanischen Spannungsverhältnisse. In vorteilhafter Weise wird durch die Anordnung der Lagerung in axialem Abstand zu den Rohrenden zudem verhindert, dass mechanische Schwingungen des Rohrleitungssystems, in welches das Massendurchflussmessgerät eingebaut ist, über die Rohrenden in das Messrohr eingekoppelt werden. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf die Messgenauigkeit aus. Durch die Kammer, in welcher das Messrohr gelagert ist, wird in vorteilhafter Weise ein Druckausgleich zwischen Innenraum und Umgebung des Messrohres erreicht. Somit hat auch der Druck des durch das Messrohr strömenden Mediums keinen Einfluss auf die mechanischen
Spannungsverhältnisse des Messrohrs. Zudem kann unabhängig vom Mediendruck ein Messrohr verwendet werden, das eine vergleichsweise dünne Rohrwand besitzt. Dadurch wird das Messrohr biegsamer, besitzt eine höhere Empfindlichkeit bezüglich Coriolis-Kräften und eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Störungen von außen. Zudem kann das Massendurchflussmessgerät bei Verwendung eines flexibleren Messrohres mit geringerem Leistungsverbrauch betrieben werden.
Die Kammer, in welcher das Messrohr gelagert ist, kann dabei in zumindest zwei Kammerräume unterteilt werden, wobei ein erster Kammerraum mit der Öffnung zur Zuleitung des Mediums versehen ist und sich in diesem das erste Ende des Messrohrs befindet und wobei ein zweiter Raum der Kammer mit der Öffnung zur Ableitung des Mediums versehen ist und sich in diesem das zweite Ende des Messrohres befindet. Das hat den Vorteil, dass das durch das Massendurchflussmessgerät strömende Medium vollständig durch das Messrohr geleitet wird. Zudem ist die Abdichtung zwischen den Kammeröffnungen und dem jeweiligen Rohrende unkritisch, so dass an den beiden Enden des Messrohrs ein größerer Spalt zum Ausgleich von Temperaturänderungen belassen werden kann.
Eine im Wesentlichen rohrförmige Kammer, die konzentrisch zum Messrohr angeordnet ist, hat den Vorteil, dass ein besonders einfacher Aufbau der Kammer erreicht wird, der mit einem vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand verbunden ist. Dabei kann zumindest ein erstes Lager des Messrohres durch eine im Wesentlichen scheibenförmige Membran gebildet werden, die mit ihrer Ebene quer zur Längsachse des Messrohrs angeordnet ist, in ihrer Mitte das Messrohr trägt und die beiden Kammerräume dichtend voneinander trennt. Eine derartige Membran ist in radialer Richtung vergleichsweise steif, lässt jedoch kleine Verschiebungen in axialer Richtung sowie eine Drehung des Messrohrs in beschränktem Maße zu. Ergänzend zur Lagerung des Messrohrs erfüllt die Membran zusätzlich die Funktion, die beiden Kammerräume dichtend voneinander zu trennen, so dass kein Teil des durch das Massendurchflussmessgerät geführten Mediums am Messrohr vorbeifließen kann. Damit die Membran in vorteilhafter Weise Verdrehungen und axiale Verschiebungen des Messrohrs auch im größeren Maße zulässt, kann sie mit eingeprägten, konzentrischen Wellen als Profil versehen werden. Der Schwingungserzeuger kann im Bereich der axialen Mitte des Messrohres angeordnet werden. Zur Lagerung des Messrohrs werden dann vorteilhaft zwei Lager vorgesehen, die sich im Wesentlichen im Bereich der Schwingungsknoten befinden. Das hat den Vorteil, dass sich Schwingungen nicht oder nur im geringen Maße über die Lager nach außen fortpflanzen, da sich Schwingungsknoten durch die Eigenschaft auszeichnen, dass keine Verschiebung des Messrohrs in radialer Richtung stattfindet .
Eine besonders einfache Herstellung des Messrohrs wird erreicht, wenn es eine hohlzylindrische Form mit konstantem Querschnitt aufweist. In diesem Fall wird die Anordnung der Lager vorteilhaft so gewählt, dass sie jeweils 20 bis 25% der Messrohrlänge vom benachbarten Ende des Messrohrs axial entfernt sind, da sich in diesen Bereichen die beiden Schwingungsknoten des ersten Biegemodus befinden.
Bei einem hohlzylindrischen Messrohr können die beiden Lager in einfacher Weise als zum Messrohr konzentrisch angeordnete, scheibenförmige Membranen ausgebildet werden, die jeweils mit ihrer Außenkante an der Innenseite der Kammer befestigt sind und in ihrer jeweiligen Mitte das Messrohr tragen, wobei eine der beiden Membranen vorzugsweise mediendurchlässig ist. Somit wird ein symmetrischer Aufbau von Messrohr und Lagerung erreicht und eine gute Ausbalancierung des Schwingungssystems ermöglicht .
Der Druckabfall, der bei einem durch das Messrohr fließenden Medium über der Länge des Messrohrs entsteht, führt zu einer axialen Verschiebung des Messrohrs. Dieser Druckabfall ist von der Fließgeschwindigkeit und von der Viskosität des strömenden Mediums abhängig. Wird die axiale Verschiebung durch eine Messeinrichtung erfasst, so kann in vorteilhafter Weise die Viskosität des Mediums berechnet werden. Zusätzlich wird damit eine Überwachung der Rohrlager und eine Diagnose ermöglicht, ob das Messrohr noch axial verschiebbar gelagert ist oder bereits fehlerhaft mit einem seiner beiden Rohrenden an der Kammerinnenwand anstößt .
Eine Verwendung des Massendurchflussmessgeräts zur Messung des Massenflusses eines gasförmigen Mediums hat den Vorteil, dass das Messergebnis durch das Medium, welches auch die Hohlräume in der Kammer und damit in der Umgebung des Messrohrs ausfüllt, kaum beeinflusst wird.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Aufnehmers für ein Massendurchflussmessgerät und
Figur 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Schwingungsauslenkung im ersten Biegemodus eines
Messrohres .
In Figur 1 ist ein Aufnehmer eines Massendurchflussmessgeräts in einem Längsschnitt dargestellt. Ein strömendes Medium wird, wie es durch Pfeile 12 und 13 dargestellt ist, durch eine Zuleitungsöffnung 9 einer Kammer 14 zugeführt und strömt durch eine Ableitungsöffnung 10 wieder aus der Kammer 14 heraus. Innerhalb der Kammer ist ein Messrohr 4 angeordnet, welches durch zwei Membranen 5 und 6 axial schwimmend gelagert ist. Im Messbetrieb wird das Messrohr 4 durch einen Schwingungserzeuger 3, der sich etwa im mittleren Bereich des Messrohrs 4 befindet, zu Schwingungen quer zu einer Längsachse 22 des Messrohrs 4 angeregt. Die Auslenkung des Messrohres 4 wird mit zwei Messwertaufnehmern 1 und 2 erfasst. Schwingungserzeuger 3 sowie Messwertaufnehmer 1 und 2 sind an eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung angeschlossen, welche der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Zur Bestimmung des Massendurchflusses werden in dieser Einrichtung die mit den Messwertaufnehmern 1 und 2 erzeugten Signale bezüglich Amplitude und Phasenlage ausgewertet.
Ein erstes Ende 15 des Messrohrs 4 ist gegenüber der Öffnung 9 zur Zuleitung des Mediums derart angeordnet, dass ein freier Spalt zwischen dem Ende 15 und der Kammerinnenwand bleibt. Ebenso befindet sich ein zweites Ende 16 des Messrohres 4 gegenüber der Öffnung 10 zur Ableitung des Mediums. Auch hier wird ein Spalt zwischen dem Rohrende 16 und der Innenwand der Kammer 14 belassen. Durch die beiden Spalte kann das Medium in die Umgebung des Messrohres 4 eindringen, so dass ein Druckausgleich zwischen dem Innenraum des Messrohrs 4 und seiner Umgebung erreicht wird. Dadurch wird es ermöglicht, dass zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Aufnehmers ein Messrohr 4 mit einer vergleichsweise dünnen und biegsamen Wand verwendet werden kann. Die Kammer 14 ist dagegen mit einer druckfesten Wand versehen. Die beiden Membranen 6 und 7 sind als Wellmembranen ausgeführt, in die konzentrisch verlaufende Wellen eingeprägt wurden, die eine Verschiebung des Messrohrs 4 in axialer Richtung sowie eine Verdrehung um den Membranmittelpunkt ermöglichen. Die Membran 6 ist dichtend zwischen Messrohr 4 und Kammerinnenwand eingesetzt, so dass zwei voneinander getrennte Räume 18 und 19 der Kammer 14 gebildet werden. Dadurch wird verhindert, dass ein Teil des Mediums um das Messrohr 4 herumfließen kann. In der Membran 5 befindet sich dagegen eine Öffnung 7, die für einen Druckausgleich sorgt. Der aufgrund einer Strömung durch das Messrohr 4 entstehende Druckabfall liegt somit an der Membran 6 an und führt zu einer axialen Verschiebung des Messrohrs 4, die zur Viskositätsberechnung ausgewertet werden kann. Durch einen Aufnehmer 17 wird die Größe des Spalts zwischen dem Rohrende
16 und der Kammerinnenwand gemessen, um den Betriebszustand des Aufnehmers des Massendurchflussmessgeräts zu überwachen und festzustellen, ob das Messrohr 4 im Fehlerfall gegen die Kammerinnenwand anstößt. Gleichzeitig liefert der Aufnehmer
17 einen Messwert für die axiale Verschiebung des Messrohrs 4, der für eine Berechnung der Viskosität des durch das Messrohr 4 geleiteten Mediums herangezogen wird. Ein Temperaturaufnehmer 11, der in der Öffnung 9 angeordnet ist, erfasst die Temperatur des Mediums. Somit können Einflüsse von Temperaturschwankungen auf das Ergebnis kompensiert werden und mit dem Aufnehmer kann die Medientemperatur als Prozessvariable ermittelt und zur Verarbeitung oder Meldung ausgegeben werden. Vorzugsweise sind die beiden Membranen 5 und 6 als Lager des Messrohrs 4 jeweils 20 bis 25% der Messrohrlänge von dem jeweils benachbarten Ende 15 bzw. 16 des Messrohrs 4 axial entfernt. In diesem Bereich bei etwa 22,5% befinden sich Schwingungsknoten des ersten Biegemodus des Messrohrs 4, zu welchem das Messrohr 4 durch den Schwingungserzeuger 3 angeregt wird. Ein Schwingungsknoten zeichnet sich durch die Eigenschaft aus, dass das Messrohr 4 an dieser Stelle keine Auslenkung in radialer Richtung erfährt. Aufgrund der beiden Spalte zwischen dem ersten Ende 15 sowie dem zweiten Ende 16 des Messrohrs 4 und der jeweils gegenüberliegenden Innenwand der Kammer 14 wird eine thermische Ausdehnung des Messrohrs 4 zugelassen, ohne dass sich dessen mechanische Spannungsverhältnisse ändern. Weiterhin ist durch die Spalte sichergestellt, dass Schwingungen praktisch nicht vom Messrohr 4 auf eine Rohrleitung, in welche der Aufnehmer eingebaut ist, übertragen werden. Auch Schwingungen der Rohrleitung werden kaum in das Messrohr 4 eingekoppelt und können somit das Messergebnis nur in geringem Umfang beeinflussen. Das Messergebnis hängt somit nicht von axialen Kräften in der Rohrleitung ab, da keine derartigen Kräfte auf das Messrohr 4 übertragen werden. Weiterhin bietet der gezeigte Aufbau des Aufnehmers den Vorteil, dass das Messrohr perfekt ausbalanciert ist für alle Mediendichten, da die Lage der Schwingungsknoten des Messrohrs 4 praktisch unabhängig von der Dichte des Mediums ist. Zudem ist die Messung unabhängig vom jeweiligen Druck des Mediums, da über der Wand des
Messrohrs 4 keine Druckdifferenzen abfallen. Der gezeigte Aufbau hat zusätzlich den Vorteil, dass er gleichzeitig die Messung des Massendurchflusses, der Dichte des Mediums, dessen Temperatur und dessen Viskosität ermöglicht. Dabei ist er mit einem vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand verbunden. Der Aufnehmer ist besonders geeignet für die Messung des Massendurchflusses gasförmiger Medien, da die mit demselben Medium gefüllte Umgebung des Messrohrs 4 die Schwingungen nur in geringem Umfang beeinflusst.
In Figur 2 sind zwei Biegelinien 20 und 21 des Messrohrs im ersten Biegemodus über der normierten Messrohrlänge dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass zwei
Schwingungsknoten etwa bei 0,225 und 0,775 der Messrohrlänge liegen. Vorzugsweise wird an diesen Knoten die Lagerung des Messrohrs vorgesehen, da hier keine Auslenkung von der Messrohrachse und somit keine Verschiebung in radialer Richtung stattfindet. Der Verlauf der Biegelinien 20 und 21 ist spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, die bei der Hälfte der Messrohrlänge senkrecht zu dessen Längsachse verläuft. Aufgrund der Coriolis-Kräfte, die bei einem Massendurchfluss durch das Messrohr entstehen, wird diesen Schwingungen eine Schwingung etwa nach Art des zweiten Biegemodus, der punktsymmetrisch zu einem Punkt bei der Hälfte der Messrohrlänge verläuft, den Biegelinien 20 und 21 überlagert. Die dadurch verursachte Phasenverschiebung der Schwingung kann leicht durch die in Figur 1 gezeigten Messwertaufnehmer 1 und 2 erfasst und ausgewertet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Massendurchflussπiessgerät, das nach dem Coriolis-Prinzip arbeitet, mit zumindest einem ein strömendes Medium führenden, im Wesentlichen geraden Messrohr (4), mit zumindest einem Schwingungserzeuger (3) zur Anregung des Messrohrs (4) zu Schwingungen im Wesentlichen quer zu seiner Längsrichtung, mit zumindest einem Messwertaufnehmer (1, 2) zur Erfassung von Coriolis-Kräften und/oder auf Coriolis-Kräften beruhenden Schwingungen und mit einer Kammer (14), in welcher das Messrohr (4) gelagert ist und die mit zumindest zwei Öffnungen (9, 10) zur Zu- bzw. Ableitung des Mediums zum jeweiligen Ende (15, 16) des Messrohrs (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung des Messrohrs (4) zwischen den beiden Rohrenden (15, 16) in axialem Abstand zu diesen angeordnet ist.
2. Messrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (14) in zumindest zwei Kammerräume (18, 19) unterteilt ist, wobei ein erster Kammerraum (18) mit der Öffnung (9) zur Zuleitung des Mediums versehen ist und sich in diesem das erste Ende (15) des Messrohrs (4) befindet und wobei ein zweiter Kammerraum (19) mit der Öffnung (16) zur Ableitung des Mediums versehen ist und sich in diesem das zweite Ende (16) des Messrohrs (4) befindet.
3. Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (14) im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und konzentrisch zum Messrohr (4) angeordnet ist und dass zumindest ein erstes Lager des Messrohrs (4) durch eine im Wesentlichen scheibenförmige Membran (6) gebildet ist, die mit ihrer Ebene quer zur Längsachse des Messrohrs (4) angeordnet ist, in ihrer Mitte das Messrohr (4) trägt und die beiden Kammerräume (18, 19) dichtend voneinander trennt.
4. Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) mit eingeprägten, konzentrischen Wellen versehen ist.
5. Massendurchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (3) im Bereich der axialen Mitte des Messrohrs (4) angeordnet ist und dass die Lagerung des Messrohrs (4) aus zwei Lagern besteht, die sich im Wesentlichen im Bereich der Schwingungsknoten befinden.
6. Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (4) hohlzylindrisch ist und dass die beiden Lager (5, 6) jeweils 20 bis 25% der Messrohrlänge vom benachbarten Ende (15, 16) des Messrohrs (4) axial entfernt sind.
7. Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lager (5, 6) als zum Messrohr (4) konzentrisch angeordnete, scheibenförmige Membranen (5, 6) ausgebildet sind, die jeweils mit ihrer Außenkante an der Innenseite der Kammer (14) befestigt sind und in ihrer Mitte das Messrohr (4) tragen, wobei eine Membran (5) der beiden Membranen (5, 6) mediendurchlässig ist.
8. Massendurchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (17) zur Erfassung der axialen Verschiebung des Messrohres (4) vorgesehen ist.
9. Massendurchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das strömende Medium gasförmig ist.
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