DE102004023600A1

DE102004023600A1 - Sensor zur Bestimmung von Massendurchfluss und Dichte strömender Medien sowie Verfahren zur Betätigung des Sensors

Info

Publication number: DE102004023600A1
Application number: DE200410023600
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.rer.nat. Riegler; Armin Dr.rer.nat. Gasch; Troy Wray; Ulrich Dr.-Ing. Deckart
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2005-12-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung von Massendurchfluss und Dichte eines durch eine Rohrleitung (100) strömenden Mediums (101). Der Sensor (1) ist mit einem geraden Messrohr (2) ausgerüstet, das an den Enden (2A, 2B) mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung (2C und 2D) versehen ist. Das Messrohr (2) ist mit einem Trägerelement (3) verbunden. Es kann so in die Rohrleitung (100) integriert werdne, dass es von dem Medium (101) ebenfalls durchströmt wird. Eine Auslegermasse ist bei dem Messrohr (2) nicht vorgesehen. Um die Einwirkungen von Reaktionskräften auf die Enden (2A und 2B) des Messrohres (2) zu verhindern, werden die Schwingungen des messrohres (2) an die Schwingungen eines zusätzlichen Oszillators (3) gekoppelt werden. Erfindungsgemäß wird das Trägerelement (3) hierbei als Oszillator genutzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Bestimmung von Massendurchfluss und Dichte strömender Medien sowie ein Verfahren zur Betätigung des Sensors gemäß der Patentansprüche 1 und 7.
Ein solcher Sensor wird dazu genutzt, den Massendurchfluss und die Dichte eines Mediums zu bestimmen, das durch eine Rohrleitung strömt.

Aus der EP 0 849 568 B1 ist ein Sensor bekannt, der mit einem geraden Messrohr ausgerüstet ist. Dieses Messrohr wird so in eine Rohrleitung eingefügt, dass es von dem Medium in gleicher Weise wie die Rohrleitung durchströmt werden kann. Auf dem Messrohr ist mittig eine Auslegermasse in Form einer Scheibe installiert. Die Scheibe ist mit einer Bohrung versehen, durch die das Messrohr gesteckt ist. Im Bereich der Einlassöffnung und der Auslassöffnung des Messrohres ist ein Bauelement mit dem Messrohr verbunden. Das Messrohr ist von dem Bauelement hüllenartig umgeben. Das Bauelement ist als Rohr oder als geschlossener Rahmen ausgebildet. Es ist so gestaltet, dass seine Schwerlinie in Längsrichtung im Abstand parallel zu der Längsachse des Messrohres verläuft oder aber mit dieser zusammenfällt. Ferner kann das Bauelement so ausgebildet sein, dass seine Längsachse mit der Längsachse des Messrohres zusammenfällt. Bei dem Bauelement wird der Verlauf seiner Längsachse bzw. seiner Schwerlinie in Längsrichtung in Bezug auf die Längsachse des Messrohres von der Auslegermasse mitbestimmt. Das Bauelement hat unter anderem die Aufgabe, eine Gegenmasse zu der Masse des Auslegers zu erzeugen, um die von der Auslegermasse erzeugte Unwucht zu kompensieren. Die Maßnahmen, die erforderlich sind, um das Bauelement so auszugestalten, dass es eine Gegenmasse und zu der Auslegermasse bildet, sind sehr aufwendig. Der Sensor ist ferner mit einer Erregeranordnung für das Messrohr versehen, die zwischen den beiden Enden des Messrohres installiert ist. Sie wird beispielsweise durch einen Dauermagneten, der an dem Messrohr befestigt ist, und einer Spulenanordnung, die gegenüberliegend auf der Innenfläche des Bauelements installiert ist, gebildet. Mit Hilfe dieser Erregeranordnung kann das Messrohr zu Biegeschwingungen angeregt werden, deren Frequenz gleich der mechanischen Resonanzfrequenz des Messrohres ist. Diese Resonanzfrequenz ist, wie seit langem bekannt, ein Maß für die Dichte des Mediums, das durch die Rohrleitung strömt. Beidseitig von der Mitte des Messrohres ist jeweils eine Messvorrichtung installiert, mit deren Hilfe die Bewegungen ermittelt werden, welche die Enden des Messrohres ausführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auf eine Auslegermasse verzichtet und das Einwirken von Reaktionskräften auf die Aufhängungen des Messrohres unterbunden wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem ein solcher Sensor betrieben werden kann.

Die Aufgabe, den Sensor betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gelöst.

Der erfindungsgemäße Sensor ist mit einem einzigen, geraden Messrohr ausgerüstet. Es kann so in eine Rohrleitung eingefügt werden, das ein Medium, das durch die Rohrleitung strömt, ebenfalls störungsfrei durch dieses Messrohr strömen kann. Das Messrohr des Sensors weist keine Auslegermasse auf. Das Auftreten von Reaktionskräften an den Aufhängungen des Messrohres wird dadurch verhindert, dass die Schwingungen des Messrohres an die Schwingungen eines zusätzlichen Oszillators gekoppelt werden. Der zusätzliche Oszillator wird so dimensioniert, dass seine individuelle Resonanzfrequenz den gleichen Wert hat wie die Resonanzfrequenz des Messrohres im nicht gekoppelten Zustand. Als zusätzlicher Oszillator wird ein Trägerelement genutzt, das an die Enden des Messrohres gekoppelt ist, und das Messrohr hüllenartig umgibt. Das Trägerelement ist vorzugsweise als Rohr ausgebildet. Ein geschlossener Rahmen kann jedoch hierfür auch genutzt werden. Als zusätzliche Schwingungen werden die Torsionsbewegungen des Trägerelements genutzt. Das Trägerelement ist zudem so ausgebildet und installiert, dass seine Schwerlinie in Längsrichtung parallel zur Längsachse des Messrohres verläuft, jedoch nicht mit der Längsachse des Mehrohres zusammenfällt. Zudem sind die Drehsteifigkeit und das Trägheitsmoment des Trägerelements so dimensioniert, dass die resultierende Torsionsfrequenz mit der Biegeschwingungsresonanzfrequenz des Messrohres übereinstimmt.

An den Enden des Messrohres treten keine Reaktionskräfte auf, wenn die Dichte, die Temperatur und der Druck des Mediums, welches durch das Messrohr des Sensors strömt, solche Werte aufweisen, dass die Resonanzfrequenz des Mehrohres im nicht gekoppelten Zustand gleich der Torsionseigenfrequenz des Trägerelements im nicht gekoppelten Zustand ist. Diese Größe dieser Resonanzfrequenz wird von der Masse des Messrohrs und der Masse des Mediums mitbestimmt. Weichen Dichte, Temperatur und Druck eines Mediums von diesen Werten ab, entspricht auch die Resonanzfrequenz des Messrohrs nicht den geforderten Bedingungen. In diesem Fall muss die Torsionseigenfrequenz des Trägerelements angepasst werden. Durch eine geeignete Dimensionierung des Trägerelements und durch die Wahl des Materials, aus dem es hergestellt wird, kann die Wirkung von Reaktionskräften auf die Aufhängungen des Messrohres ebenfalls verhindert werden. Vorzugsweise werden in diesem Fall die Begrenzungswände des Trägerelements aus einem möglichst leichten Material mit hoher Steifigkeit gefertigt.

Zusätzlich zu den oben genannten Maßnahmen kann das Trägheitsmoment des Trägerelements variabel gehalten werden. Das kann dadurch erreicht werden, dass der Schwerpunkt des Trägerelements mittels einer geeigneten Bewegungsvorrichtung relativ zur Achse des Messrohres bewegt wird. Hierfür werden beispielsweise elektromechanische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Stellglieder verwendet. Die Größe der Kräfte, welche auf die Aufhängungen des Messrohres einwirken, kann beispielsweise mit Hilfe von Beschleunigungsaufnehmers erfasst werden. Mit den dabei ermittelten Messwerten lässt sich das Trägheitsmoment des Trägerelements so einstellen, dass die Torsionsresonanzfrequenz des Trägerelements gleich der Biegeresonanzfrequenz des Messrohres ist. Dadurch wird sichergestellt, dass keine Reaktionskräfte mehr auf die Aufhängungen des Messrohres einwirken.

Der erfindungsgemäße Sensor ist mit einer Erregungsanordnung für das Messrohr ausgerüstet. Diese wird vorzugsweise mittig zwischen den beiden Enden des Messrohres installiert ist. Sie kann beispielsweise aus einem Dauermagneten bestehen, der an dem Messrohr befestigt ist, sowie einer Spulenanordnung, die gegenüber von dem Dauermagneten an der Innenfläche des Trägerelements installiert ist.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer Zeichnung näher erläutert.
Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt einen Sensor 1 mit einem Messrohr 2, einem Trägerelement 3, einer Erregeranordnung 4 und zwei Messvorrichtungen 5. Das Messrohr 2 ist gerade ausgebildet. Am ersten bzw. am zweiten Ende 2A und 2B des Messrohres 2 befindet sich eine Einlassöffnung 2C bzw. eine Auslassöffnung 2D. Das Messrohr 2 ist an jedem der beiden Enden 2A, 2B mit jeweils einem nach außen gerichteten Flansch 2F versehen. Damit ist es möglich, das Messrohr 2 in eine Rohrleitung 100 zu integrieren, durch die ein Medium 101 strömt, dessen Massendurchfluss und dessen Dichte bestimmt werden soll. Die Rohrleitung 100 ist an den beiden Anschlussstücken ebenfalls mit jeweils einem Flansch 100F versehen, der wiederum mit einem der Flansch 2F des Messrohrs 2 verbindbar ist.
Das Trägerelement 3 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Rohr ausgebildet. Falls es die Gegebenheiten erfordern, kann er auch als geschlossener Rahmen (hier nicht dargestellt) ausgebildet werden. Die Abmessungen des Trägerelements 3 sind so gewählt, dass es das Messrohr 2 in einem definierten Abstand hüllenartig umgibt. Das Trägerelement 3 ist mit jedem Ende 3A, 3B ist über jeweils einen Innen flansch 3F an jeweils ein Ende 2A, 2B des Messrohrs 2 gekoppelt. Die Ankopplung geschieht vorzugsweise so, dass der Schwerpunkt des Trägerelements 3 nicht auf der Längsachse des Messrohres 2 liegt. bzw. die Schwerlinie des Trägerelements 3 in Längsrichtung parallel zur Längsachse des Messrohres 3 verläuft, jedoch nicht mit der Längsachse des Mehrohres 2 zusammenfällt. Die Abmessungen des Trägerelements 3 sind so gewählt, dass seine individuelle Resonanzfrequenz den gleichen Wert hat wie die Resonanzfrequenz des Messrohres 2 im nicht gekoppelten Zustand. Durch das Ankoppeln des Trägerelements 3 an das Messrohr 3 wird der Einfluss von Reaktionskräften auf die Enden 2A und 2B des Messrohres 2 unterbunden, da die Schwingungen des Messrohres 2 an die Schwingungen des Trägerelements 3 gekoppelt sind. Das Trägerelement 3 dient hierbei als zusätzlicher Oszillator. Die Torsionsbewegungen des Trägerelements werden dabei als zusätzliche Schwingungen genutzt. Die Drehsteifigkeit und das Trägheitsmoment des Trägerelements 3 sind hierbei so dimensioniert, dass die resultierende Torsionsfrequenz des Trägerelements 3 mit der Biegeschwingungsresonanzfrequenz des Messrohres 2 übereinstimmt.
Auf dem Messrohr 2 ist mittig ein Dauermagnet 4M installiert. Auf der Innenfläche des Trägerelements 3 ist, dem Dauermagneten 4M gegenüberliegend, eine elektromagnetische Spule 4S befestigt. Der Dauermagnet 4M und die elektromagnetische Spule 4S bilden zusammen die Erregeranordnung 4, mit deren Hilfe das Messrohr 2 in Schwingungen versetzt werden kann. Es ist durchaus möglich, auch eine anders ausgebildete Vorrichtung zur Erregung des Messrohres 2 zu verwenden.
Mit Hilfe der beiden Messvorrichtungen 5 können die Beschleunigungen ermittelt werden, welche die Enden 2A und 2B des Messrohres 2 unter der Einwirkung von Reaktionskräften erfahren. Jeweils eine dieser Messvorrichtungen 5 wird beispielsweise auf der Innenfläche des Trägerelements 3 in einem geringen Abstand zu jeweils einem der Enden 2A, 2B des Messrohres 2 installiert.
Reaktionskräfte treten an den Enden des Messrohrs 3 dann nicht auf, wenn die Dichte, die Temperatur und der Druck eines Mediums 101, welches durch das Messrohr 2 des Sensors 1 strömt, definierte Werte aufweisen. Ist das der Fall, dann ist die Resonanz frequenz des Messrohrs 2 im nicht gekoppelten Zustand, welche durch die Masse des Messrohres 2 und die Masse des Mediums mitbestimmt wird, gleich der Torsionseigenfrequenz des Trägerelements 3 im nichtgekoppelten Zustand.
Bei einem Medium 101, bei dem die Dichte, die Temperatur und der Druck nicht solche Werte aufweisen, dass die Resonanzfrequenz des Messrohrs 2 den gewünschten Bedingungen genügt, besteht die Möglichkeit, das Trägerelement 3 entsprechend anzupassen. Durch eine geeignete Dimensionierung des Trägerelements 3, und durch die Wahl des Materials, aus dem es hergestellt wird, kann die Wirkung von Kräften auf die Aufhängungen des Messrohres 2 verhindert werden. Vorzugsweise wird dann ein Trägerelement 3 verwendet, bei dem die Begrenzungswände, die mit dem Messrohr 2 gekoppelt sind, aus einem möglichst leichten Material mit hoher Steifigkeit gefertigt sind.
Das Trägheitsmoment des Trägerelements 3 kann zusätzlich zu den oben genannten Maßnahmen variabel gehalten werden. Das wird dadurch erreicht, dass der Schwerpunkt des Trägerelements 3 mittels einer geeigneten Bewegungsvorrichtung (hier nicht dargestellt) relativ zur Längsachse des Messrohres 2 bewegt wird. Hierfür werden beispielsweise elektromechanische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Stellglieder (hier nicht dargestellt) verwendet. Mit Hilfe der Messvorrichtungen 5 kann die Größe der Kräfte ermittelt werden, welche auf die Enden des Messrohres einwirken. Mit Hilfe dieser Messwerte lässt sich das Trägheitsmoment des Trägerelements 3 so einstellen, dass die Torsionsresonanzfrequenz des Trägerelements 3 gleich der Biegeresonanzfrequenz des Messrohres 2 ist. Damit wird erreicht, dass keine Reaktionskräfte mehr auf die Aufhängungen des Messrohres 2 einwirken.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen der Vorrichtung und des Verfahrens, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.

Claims

Sensor zur Bestimmung des Massendurchflusses und der Dichte eines durch eine Rohrleitung (100) strömenden Mediums (101), mit einem geraden Messrohr (2), das an den Enden (2A, 2B) mit einer Einlassöffnung und eine Auslassöffnung (2C und 2D) versehen, in die Rohrleitung (100) integrierbar, mit einem Trägerelement (3) verbindbar sowie von einer Erregeranordnung (4) in Schwingungen versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Oszillator (3) vorgesehen und mit dem Messrohr (2) gekoppelt ist.
Sensor nach Anspruch 1, dass der Oszillator (3) so dimensioniert ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz den gleichen Wert hat wie die Resonanzfrequenz des Messrohres (2) im nicht gekoppelten Zustand.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) als zusätzlicher Oszillator vorgesehen ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) so ausgebildet und installiert ist, dass sein Schwerpunkt außerhalb der Längsachse des Mehrohres (2) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsteifigkeit und das Trägheitsmoment des Trägerelements (3) so dimensioniert sind, dass die daraus resultierende Torsionsfrequenz mit der Biegeschwingungsresonanzfrequenz des Messrohres (2) übereinstimmt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) als Rohr oder geschlossener Rahmen ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors, der zur Bestimmung des Massendurchflusses und der Dichte eines durch eine Rohrleitung (100) strömenden Mediums (101) genutzt wird, mit einem geraden Messrohr (2), das an den Enden (2A, 2B) mit ei ner Einlassöffnung und eine Auslassöffnung (2C und 2D) ersehen, in die Rohrleitung (100) integrierbar, mit einem Trägerelement (3) verbindbar sowie von einer Erregeranordnung (4) in Schwingungen versetzbar ist, insbesondere nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Messrohres (2) an die Schwingungen eines zusätzlichen Oszillators (3) gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (3) so dimensioniert wird, dass die zugehörige individuelle Resonanzfrequenz den gleichen Wert hat wie die Resonanzfrequenz des Messrohres (3) im nicht gekoppelten Zustand.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Oszillator das Trägerelement (3) dient, das Torsionsschwingen relativ zum Messrohr (2) ausführt oder dazu angeregt wird, und dass die Schwingungen des Messrohres (2) an die Schwingungen des Trägerelements (3) gekoppelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehsteifigkeit und das Trägheitsmoment des Trägerelements (3) so dimensioniert werden, dass die daraus resultierende Torsionseigenfrequenz mit der Biegeschwingungsresonanzfrequenz des Messrohres (2) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Trägerelements (3) und das für die Herstellung des Trägerelements (3) verwendete Material so gewählt werden, dass die Wirkung von Kräften auf die Aufhängungen des Messrohres (2) verhindert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswände des Trägerelements (3) aus einem leichten Material mit hoher Steifigkeit gefertigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägheitsmoment des Trägerelements (3) variabel gehalten wird, wofür die Schwerlinie des Trägerelements (3) in Längsrichtung mit einer Bewegungsvorrichtung in Form elektromechanischer, elektromagnetischer, hydraulischer oder pneumatischer Stellglieder relativ zur Achse des Messrohres (2) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung von Kräften auf die Aufhängungen des Messrohres (2), erfasst und das Trägheitsmoment des Trägerelements (3) in Abhängigkeit hiervon so eingestellt wird, dass die Torsionsresonanzfrequenz des Trägerelements (3) gleich der Biegeresonanzfrequenz des Messrohres (2) entspricht, und das Auftreten von Reaktionskräften an den Enden (2A und 2B) des Messrohres dadurch ausgeschlossen wird.